автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Совершенствование технических средств обеспечения технологического процесса промышленного инкубирования яиц птицы

На правах рукописи

Еременко Сергей Владимирович

Совершенствование технических средств обеспечения технологического процесса промышленного инкубирования яиц

птицы.

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург- Пушкин 2004

Работа выполнена в научно-производственной фирме «Севекс» и «ГСКБ г. Пятигорск»

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Шеповалов Вячеслав Дмитриевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Валге

Александр Мартынович;

- кандидат технических наук

Судаченко Василий Никитович

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский и технологический

институт птицеводства (ВНИТИП)

Защита состоится "29 " декабря 2004 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д220.060.06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196600, г. Санкт-Петербург, г Пушкин, Академический проспект, д 23, ауд.2-719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Пстсрбургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 28 ноября.2004года

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор Б. И. Вагин

£007-4 ИМ

а г.язьи

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Инкубаторостроение как подотрасль сельскохозяйственного машиностроения сложилась в первой половине прошлого столетия, что было обусловлено появлением электротехнологий формирования в ограниченном от внешней среды объеме необходимых для развития эмбрионов параметров воздушной среды и режимов эволюции пространственной ориентации яиц. В настоящее время инкубация является важнейшей стадией промышленного птицеводства. Его масштабы и концентрация требуют вывода крупных партий одновозрастного молодняка в несколько десятков тысяч голов и наличия инкубаториев с общей годовой производительностью в несколько миллионов голов. В этих условиях повышение выводимости и сохранности цыплят в десятые доли процента является экономически значимым. Экспериментальные исследования показывают, что за счет совершенствования технических средств оснащения инкубаториев выводимость и жизнеспособность цыплят можно поднять на несколько процентов.

Эффективность технологического процесса инкубации во многом зависит от точности формирования в соответствии с биологически обоснованным регламентом состояния инкубационной среды обитания, уровня инженерных решений по обеспечению гигиенической устойчивости камер. Инкубаторы, составляющие основу парка этой техники в стране, создавались как объекты локального применения и формирование из них крупных инкубаториев не обеспечивает высокого уровня выводимости и сохранности цыплят. Ряд биологических исследований указывает на то, что для достижения выводимости цыплят более 80% температурно-влажностные параметры воздушной среды инкубационных камер должны корректироваться в зависимости от стадии развития эмбриона. Поэтому создание технических средств обеспечения

I Р.-1С :

о-с'л !

технологического процесса промышленного инкубирования яиц птицы, обеспечивающих более высокое качество среды обитания с возможность адаптации технологического регламента к стадиям развития эмбрионов является актуальной задачей.

Цель работы: исследование и разработка инженерных методов и технических средств повышения эффективности технологического процесса промышленного инкубирования яиц птицы.

Задачи исследования: определение и реализация инженерных решений повышения гигиенической устойчивости инкубационных камер, исследование динамических процессов изменения температурно-влажностного состояния их воздушной среды и определение представительной зоны для аппаратной интегральной ее оценки, разработка и реализация алгоритма локального управления, обеспечивающего менее энергозатратное поддержание с требуемой точностью и равномерное по объему инкубационного пространства поддержание значений температурно-влажностных параметров воздушной среды, разработка и реализация, сетевой системы управления технологическими процессами в промышленном инкубатории.

Научно-техническая новизна

- Разработана методика выбора представительной зоны оценки температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры.

- Построена математическая и компьютерная модели температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры

Определен алгоритм обеспечения биологически обоснованного температурно-влажностного состояния воздушной среды обитания эмбрионов.

Определена структура система управления процессом получения цыплят в инкубатории и разработано ее программно-аппаратное обеспечение.

Практическое значение результатов исследований

- Предложение новые технические решения организации и формирования инкубационной среды обитания реализованы в новом поколении инкубаторов семейства «Эльбрус»: ИП-Зб (предварительный) и ИВ-18 (выводной).

Разработано совместно с организацией «Микроэл» программное обеспечение централизованного контроля инкубации 8СК1Р\У, которое инсталлировано более чем на 60 объектах.

- Созданы сетевые компьютерные системы управления технологическими процессами промышленного инкубирования.

Апробация и реализация результатов работы

Материалы исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях в ВНИТИП, ВНИИКОМЖ, международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Москва,2004), на Всероссийской выставке «Золотая осень-2003» (Москва). Оргкомитет выставок отметил золотой медалью разработанные на основании проведенных исследований инкубаторы нового поколения «Эльбрус».

Освоено серийное производство созданного нового поколения Российских инкубационных и выводных камер и аппаратно-программных средств управления технологическим процессом промышленного инкубирования яиц птицы. Это инкубационное оборудование успешно реализуется на внутреннем и внешних рынках в условиях острой конкуренции со стороны других фирм. С его использованием только в России в настоящее время осуществляется инкубирование более 65 млн яиц в год при выводимости на 1,5-4,5% более высокой, чем при использовании ранее примявшегося оборудования.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 12 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация, состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложений.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи исследования.

В первой главе изложена общая концепция построения конструкции перспективных камер инкубатора как объектов промышленной инкубации. Ее основные положения определяют компоновку и габариты камер, меры по повышению уровня термостатичности их оболочек и инженерные решения повышения гигиенической устойчивости камер. Концепция получила реализацию при создании нового семейства инкубаторов «Эльбрус». Выбранные конструктивные параметры камер позволили снизить материалоемкость средств обеспечения технологического процесса инкубирования яиц птицы, уменьшить неконтролируемые потери тепла, повысить технологическую нагрузку на занимаемую площадь в производственном помещении инкубаториев.

Вторая глава посвящена выбору зоны размещения измерительных преобразователей параметров состояния воздушной среды инкубационной камеры.

В переходных режимах, возникающих в результате оказания управляющих воздействий, при изменениях параметров поступающего извне воздуха или биологических факторов, изменения температуры и влажности воздуха в различных зонах камеры не одинаковы по величине и во времени. Так как управление базируется на одноточечном измерении каждого из названных параметров, то естественно возникает задача размещения соответствующих измерительных преобразователей в такой зоне камеры, где значения температурно-влажностных параметров наиболее близко отражают динамику их изменения во всем жизненно важном пространстве камеры. Поскольку можно считать температуру и влажность кинетически связанными величинами, то выбор зоны размещения их измерительных преобразователей достаточно

провести по отношению только одного из этих параметров, например, температуры.

С этой целью была разработана система многоточечного измерительного комплекса и с его помощью получены экспериментальные данные об изменениях температуры в различных зонах камеры в фиксированные моменты времени с шагом регистрации 32с.

Экспериментально полученные значения температуры на отрезке времени 1„) в различных зонах камеры представляют дискретные функции времени

Ц(У)=Д{с11|а1))...с11к(11;),...с1|п(0}, где1< I < ш- индекс зоны измерения; 0< к < п- индекс измерения; п — число измерений на отрезке времени ( О; ш-число зон измерения;. с!|к(Ък) -значение температуры в к-ом измерения и в ¡-ой зоне;. V - дискретное время.

Исходя из этого, изменения температуры в объеме камеры можно рассматривать как метрическое функциональное пространство, в котором функции 0(( V ) играют роль векторов с составляющими с!,^), и выбор зоны размещения измерительного преобразователя осуществить по значению расстояния каждой из функций 0,(1) по отношению ко всем остальным, воспользовавшись понятием нормы линейного метрического пространства

V = \\DpOo. и.....д- й^о, I,.....д) ||

где р- номер зоны, рассматриваемой в качестве возможной для размещения измерительных преобразователей.

При измерениях в ш зонах имеем матрицу Б данных размером шНт элементов э,>(, где 1< 1 < т и 1<] < т - индексы зон измерения, при этом каждая из ¡-тых зон рассматривается как возможная зона «^-размещения».

В качестве критерия выбора конкретной зоны «р-размещения» ИП принято условие: суммарная удаленность Б-функции температуры в зоне «р-размещения» от всех функций температуры в других зонах камеры должна быть наименьшей

из всего множества удаленностей функций температуры остальных зон по отношению ко всем остальным функциям, то есть

= гтп($1/ю(.^))

На рис.1 приведено графического отображения фрагмента экспериментальных данных, представленных для большей наглядности в виде кусочно-линейных функций.

Рис.1. Изменения температуры в различных зонах инкубационной камеры

На основании экспериментальных данных получены суммарные значения взаимных удаленностей функций температуры и установлено, что значения температуры в зоне 4 наиболее представительно отображают изменения температуры по всем зонам камеры, так как суммарная удаленность функции температуры в этой зоне от функций температуры в других зонах минимальна.

Размещения измерительных преобразователей в этой зоне предпочтительно и не создает помех обслуживанию камеры. На рис. 1 функция изменения температуры в выбранной зоне размещения выделена жирной линией.

Третья глава посвящена построению математической модели температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры.

Аналитическое описание динамики температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры выполнено в линейном приближении, исходя из следующих допущений: состояние воздушной среды камеры определяется в достаточной мере значениями температуры и влажности в зоне измерения, то есть изменения температуры и влажности воздуха происходят, если и не одинаково, то практически одновременно по всему объему камеры в результате его интенсивного перемешивания; поток тепла через оболочку камеры по сравнению с другими потоками тепла весьма мал и не оказывает существенного влияния на переходные процессы изменения температуры воздуха в камере; изменения температуры воздуха камеры практически не влияют на температуру теплообменной поверхности нагревательного устройства; приведенный по массе яиц коэффициент теплопередачи считается постоянным; поток отводимого охладителем тепла, пропорционален разности температур воздуха камеры и среднего значения температуры воды в охладителе; влажный воздух рассматривается как смесь сухого воздуха и водяного пара; изменения температуры скорлупы яиц и устройств их размещения пропорциональны величине аккумулируемым ими потоков тепла.

За основу взяты уравнения теплового и материального балансов

! С, = 0„ (/) - О* (0 + 6,(0 - ем(0-&*,(0

2. С2= 0200)-О2и)-О"(0 - (/)-0,а,(0±Ом,(0

4. ЁЕМ = о_м{() _ в2(0+1ГуаЛ1)+1ГЯ(/),

где 0„, б*-, О", С2Я.-- потоки тепла, формируемого нагревательным устройством; теряемого через оболочку камеры, соответственно, в зонах обдува и инкубации; идущего на изменение температуры массы инкубируемых яиц и устройств их размещения в инкубационной камере; Q|- потоки тепла, вносимого воздухом, поступающим в камеру из внешней среды и выносимый воздухом из камеры ккал/с, О30- поток тепла, вносимого в зону инкубации, ккал/с; Qot,l , ()уол -

потоки тепла, отводимого от воздуха устройством охлаждения и затрачиваемого на испарение влаги, вносимой устройством увлажнения, Qж - поток тепла, зависящий от жизнедеятельности эмбрионов, ккал/с.

АО|, АБг , АИ^ш , - изменения потоков влаги, соответственно,

вносимой и выносимой воздухом, проходящим через камеру; поступающей от устройства увлажнения; выделяемой в процессе жизнедеятельности эмбрионов, кг/с;

С|, С2- приведенные теплоемкости зон камеры, ккал/град.; время.

Используя линейные приближения неизвестных функций, математическая модель температурно-влажностного состояния воздушной среды, отражающая в линейном приближении зависимость управляемых параметров от факторов, обуславливающих их изменения получена в виде системы уравнений: 3"

Т\ ~ + -1 = к\ |.1'| - ¿,,2*2 + *1,з«э + к\л!\ + ¿1,5/2 >

Тц —+ - к4 |ДГ| ,

где XI, х2- относительные изменения температуры и влажности воздуха в камере;

21, г3, г4 - относительные изменения значений температуры воздуха в зоне обдува, воды в охладителе, скорлупы яиц, устройств их размещения в камере;

2;- относительные изменения влажности воздуха в зоне обдува;

/д>/)г -возмущающие воздействия, отражающие относительные

изменения, соответственно, температуры и влажности воздуха внешней среды, температуры воды на входе в охладитель, тепловыделений и влаговыделений яиц; кК1 - постоянные коэффициенты.

Полученное математическое описание представляет структурную идентификацию динамики состояния воздушной среды инкубационной камеры, отражая качественно в общем виде происходящие в ней процессы.

Согласно этому линейному приближению и результатам имитационного моделирования при экспериментальном определении численных значений параметров модели можно исходить из того, что преобразование управляющих воздействий в виде единичного скачка в изменения состояния воздушной среды инкубационной камеры может быть аппроксимировано передаточными функциями каскадной формы и приводимо к реакции апериодических звеньев 2-го или 3-го порядков.

Четвертая глава посвящена экспериментальному определению параметров модели температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры.

Распространенные методы получения численных значений параметров математических моделей, описываемых линейными дифференциальными уравнениями, базируются на экспериментальном получении, так называемых, разгонных кривых. Однако, специфика данного объекта не позволяет экспериментально получать разгонные кривые в завершенном виде в связи с ограничениями конструктивного характера и необходимости сохранения ее биологического статуса Возможный диапазон изменения температуры воздуха в камере имеет естественные ограничения «снизу» и «сверху»: управляющее воздействие по нагреву может иметь только вид единичного прямоугольного импульса ограниченной ширины, определяемого временем достижения температуры допустимого уровня 39°С. Поэтому для инкубационной камеры при подогреве поступающего воздуха возможно получение лишь участков разгонных кривых в диапазоне ¡?(/0)- 39С°. Здесь <?(/0)- начальное значение температуры в момент оказания управляющего воздействия, равное температуре в помещении инкубатория. Для обработки получаемых при этом данных использовался предложенный академиком Крыловым А. Н. метод аппроксимации экспериментальных кривых рядом экспоненциальных членов в форме:

у = а1еа>х+ а2еа2х + агеа*х + • • -апеа^ Экспериментальное определение значений температуры воздуха ИК в переходном режиме как отклика на скачкообразное изменение управляющего воздействия ограниченной длительности проводилось дискретно во времени с шагом дискретизации 32 секунды. Регистрация откликов проводилась на 2-ой, 4-ый и б-й дни инкубации, когда воздушная среда наиболее чувствительна к внешним возмущениям.

sJ

S- S

I

m x

S.I

e-l

п-1-1-1-1-1-л-1-и— .... | - -о- значения дискретных измерении температуры | ; ____J..... . Jo-«. ■

1 1 1 1 ! a-v ъ

1 1 I 1 , 1 1 ' о____J.....;..... "----¿ire-" 1 1

i i VI ' l i t

| ; ; ■ III J ь \ к

' -О- 0"( (III 1 1 1 1 i >0

1 1 1 1 Зремя;включрния нагревательны» III!

i

G 1Q0 200 300 400 500 Б00 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Время, сек

Рис.2.

На рис.2, приведен пример экспериментальных данных изменения температуры воздуха в инкубационной камере, полученные как отклик на управляющее воздействие по нагреву в виде единичного прямоугольного импульса.

Эти данные со сдвигом относительно момента оказания входного воздействия на время т интерпретировались как отображения реакции апериодического звена второго порядка, то есть представления передаточной функции камеры по управляющему воздействию относительно температуры И'в^) в виде

(Г,% + 1)(7^ + 1)

При этом были получены следующие значения параметров математической модели: для 2-го дня инкубации Т|=49.7с Т2= 1696.5с, К»=42.1; для 4-го дня - Т,=53.4с , Т2= 1518.6с, К0=42.5; для 6-го дня - Т,=50.1с , Т:= 1495.26с, К0=48.8

Пятая глава посвящена результатам исследований средствами компьютерного моделирования способов совершенствования процесса стабилизации температурно-влажностных параметров воздуха в камерах инкубаторов. При этом учитывались ограничения на реализуемость способов в виде сохранения двухпозиционного принципа действия нагревательных и охлаждающего устройств. Динамические характеристики камер считались заданными.

Моделирование показало и натурными экспериментами это было подтверждено, что при применении релейных двух позиционных регуляторов непрерывного действия получить амплитуду колебаний значений температуры относительно задания в установившемся режиме менее 0,25С° не представляется возможным.

Рассмотрены варианты дискретного двух позиционного регулирования. Моделирование показало, что применение широтно-импульсного (ШИМ) регулирования с кусочно-линейной зависимостью скважности от величины рассогласования при дискретизации измерительного сигнала экстраполятором нулевого порядка позволяет обеспечить диапазон колебания значений температуры в установившемся режиме в требуемом диапазоне - не более 0.1 С0.

При построении модели ШИМ использовался генератор пилообразного сигнала с периодом равным периоду квантования измерительного сигнала. Сигнал генератора вычитается из модуля дискретного измерительного сигнала и далее формируется импульсный сигнал, исходя из следующей формулы

Out = max{sign(n(t) - kit), О},

где Out - сигнал на выходе ШИМ, n(t) - пилообразный сигнал, и -квантованный измерительный сигнал, к - коэффициент пропорциональности.

В соответствие с этим соотношением сигнал на выходе ШИМ равняется единице, если значение пилы меньше значения измерительного сигнала, иначе

0и1=0. При этом выдаваемые импульсы синхронизированы по переднему фронту изменений квантованного измерительного сигнала. На рис. 3 представлен вид сигнала на выходе модели ШИМ с зависимостью скважности у от величины сигнала рассогласования ДТ

Г = 125 -И

1С» 05

0

0 20 40 60 ВО 100 1 20 1 40 1 60 1В0

Тетю offset 0

Рис. 3

Предложено осуществлять изменения скважности ШИМ при изменениях сигнала рассогласования в пределах (-0,2 ... 0)С° в соответствие с приведенным выше соотношением, а при изменениях в пределах (-0,5... -0,2) С0 в соответствие с соотношением

^ = 2,5-|Д<9| - 0,25

Результаты моделирования были использованы при разработке алгоритма управления температурно-влажностным режимом в новых инкубаторах.

На рис.4 представлены осциллограммы процесса стабилизации температуры, полученные при моделировании (а) и в инкубационной камере, в процессе ее нормального функционирования (б) под управлением по предложенному алгоритму.

В шестой главе изложены общая концепция структуры системы управления процессами получения цыплят в промышленном инкубатории и ее программно-аппарачное обеспечение. Система представляет двухуровневую сеть. Каждый инкубатор имеет локальный управляющий блок в виде специально разработанного микропроцессорного контроллера, который обеспечивает

реализацию рассмотренного ранее алгоритма управления и соблюдение других параметров технологического регламента.

Time offset: О

Tcrincpaijpa 30.S

16.5

Рис.4

Интерфейс контроллера обеспечивает цифровую индикацию значений температуры и влажности воздуха в камере, индикацию обратного отсчета времени выхода камеры на режим контроля, оптическую и звуковую сигнализацию о нарушениях регламента, позволяет оперативному персоналу осуществлять корректировку задания режимных параметров непосредственно на объекте. Контроллер через схему оптической развязки включен в двухпроводную магистраль с центральным компьютером. Обмен информацией между центральным компьютером инкубатория и контроллерами камер и

осуществляется программно по двухпроводной линии. Обмен производится в направлении от контроллера по стандартному протоколу RS485.

В центральный компьютер сети от контроллеров поступает в масштабе реального времени информация о событиях, связанных с функционирование камеры, и о значениях всех режимных параметров с периодичностью 1 мин. От центрального компьютера в контроллеры могут поступать команды на изменения заданий режимных параметров.

Разработанное программное обеспечение SCKIFW для центрального компьютера позволяет протоколировать информацию, поступающую от контроллеров и вводимую в них оператором сети, а также выполнять архивацию входных данных о поступающем на инкубирование яйце и конечных результатах инкубации за несколько лет, генерацию различных форм отчетов. Интерфейс оператора обеспечивает отображение в цифровой и графической формах значений контролируемых параметров по каждой камере (до 150 камер), как в режиме реального времени, так ретроспективно, в том числе и архивных данных. В случае возникновения нарушений технологических режимов обеспечивается автоматическое речевое оповещение персонала по всему помещению инкубатория с указание адреса камеры и вида нарушения.

В седьмой главе изложены результаты внедрения проведенных работ в практику промышленного инкубирования яиц птицы. Выполненные исследования легли в основу создания под руководством автора семейства новых российских инкубаторов типа «Эльбрус». Как отметила комиссия, проводившая испытания инкубаторов, «созданные инкубаторы являются новым словом в отечественном инкубаторостроении». В настоящее время созданные инкубаторы выпускаются серийно. Они успешно конкурируют с аналогами лучших

мировых фирм, превосходя их по соотношению цена/качество. Ряд крупнейших птицеводческих хозяйств [ГППЗ «Лабинский» (Краснодарский край), «Птичное» (Московская обл.), «Русь» (Краснодарский край), «Агрофирма Октябрьская»

(Республика Мордовия), «Кировградская» (Свердловская область), ФГУП ГППЗ «Русь» (Краснодарский край), РУСХ МПП «БелЗОСП» (Республика Белорусь) и др.] реконструировали свои инкубатории, установив разработанные камеры.

С использованием разработанных инкубаторов только в России осуществляется инкубирование более 65 млн. яиц в год при меньшей на 7-8% удельной энергоемкости и на 1,5-4,5 % более высокой выводимости, чем с использованием ранее применявшегося инкубационного оборудования.

Основные научно-технические результаты

- Установлено отрицательное влияние на комфортность и безопасность среды обитания корпусных вибраций камеры.

- Разработана методика выбора представительной зоны оценки температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры.

- Построена математическая и компьютерная модели температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры

- Определен энергосберегающий алгоритм обеспечения биологически обоснованного температурно-влажностного состояния воздушной среды обитания эмбрионов.

- Предложена структура системы управления процессом получения цыплят в инкубатории и разработано ее аппаратно-программное обеспечение.

- Получены новые технические решения организации и формирования инкубационной среды обитания, повышающие ее гигиеническую устойчивость и термостатичность.

- Создано новое поколение инкубаторов: «Эльбрус»: ИП-Зб (предварительный) и ИВ-18 (выводной) для применения как при крупномасштабном, так и мелкотоварном инкубировании яиц птицы.

- Совместно с предприятием «Микроэл» разработано \Vindows-совместимое программное обеспечение 8СК1Р\¥ централизованного контроля инкубации, которое инсталлировано более чем на 60 объектах.

- Созданы сетевые компьютерные системы управления технологическими процессами промышленного инкубирования.

Созданное и серийно изготавливаемое инкубационное оборудование успешно реализуется на внутреннем и внешних рынках в условиях острой конкуренции со стороны других фирм. С его использованием только в России осуществляется инкубирование более двух десятков млн. яиц в год с меньшими энергозатратами и более высокой на 1,5.-4,5% выводимостью и сохранностью цыплят, чем при использовании ранее применявшегося инкубационного оборудования.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в следующих публикациях

1. Система централизованного контроля инкубаторов. Сборник трудов ВНИИКОМЖ. М., 1985г. (Соавтор Шугуров М.М.).

2. Инкубатор с микропроцессорной системой управления. В кн. «Проблемы создания машин и оборудования для животноводства и кормопроизводства». М., ВНИИКОМЖ, 1988г. (Соавторы: Агеев Б.А., Радовицкий А.Л.), с. 191195.

3. Способ автоматического управления процессом сушки при активном вентилировании сена. Авт.св. 1651061. М., Бюл. №19,1991г.

4. Система управления инкубатором. Авт. свид. № 1644850 М. Бюл. №16, 1991г (Соавторы: Шугуров М. М.. и др.).

5. Инструкция по эксплуатации блока локальной сети и метрологической проверки блоков управления инкубаторами БМИ-Ф-15.03. ВНИИКОМЖ, 1999г.

6. Этапы автоматизации машин и оборудования для животноводства и

кормопроизводства. Сборник трудов ВНИИКОМЖ. М., 1999г. (Соавторы: Шугуров М.М., Федоров A.B., Радовицкий А.Л.), с. 148-166.

7. Сетевая АСУ ТП инкубатория. В кн. «Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления сельскохозяйственного производства» М. ВИМ, 2002г., с.221-222.

8. Сотрудничество. Ж. «Птица и птицепродукты», №1, 2002г..с.2-5. (Соавторы: Воронцов А.Н., Пахомова Т. И.).

9. Инкубатории и птичники - под контролем. Ж. Птицеводство, 5/2004г., с.38-39.

(Соавтор Кузьмин A.A.).

10. Информационные системы нового поколения оборудования для промышленной инкубации. Доклады международной научно-технической

конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства», М. ВИМ, 2004г. (Соавтор Шеповалов В.Д.).

11 .Определение репрезентативной зоны размещения измерительных преобразователей в инкубационной камере. Доклады международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства», часть2. М. ВИМ, 2004г., с.388-391.

12. Экспериментальное определение параметров математической модели инкубационной камеры как объекта управления по температуре. Доклады международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства», часть 2. М. ВИМ, 2004г., с.417-421.

РНБ Русский фонд

г-4

На правах рукописи

Еременко Сергей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОГО ИНКУБИРОВАНИЯ ЯИЦ

ПТИЦЫ.

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 19 11 2004 Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз

Введение

4 Глава 1. Общая концепция новых камер инкубатора и реализация их конструкций.9 стр.

Глава 2. Определение зоны размещения измерительных преобразователей системы управления температурно-влажностным состоянием воздушной среды инкубационной камеры.18 стр.

Глава 3. Математическая модель состояния воздушной среды инкубационной камеры.27 стр.

Глава 4. Экспериментальное определение параметров математической модели инкубационной камеры.52 стр.

Глава 5. Определение алгоритма локального управления температурно-влажностным режимом.63 стр.

Глава 6. Разработка системы управления процессами инкубации в инкубатории.76 стр.

Глава 7. Внедрение результатов исследований в практика промышленного инкубирования.89 стр.

9 Основные научно-технические результаты.99 стр.

Инкубаторостроение как подотрасль сельскохозяйственного машиностроения сложилась в первой половине прошлого столетия, что было обусловлено появлением электротехнологий формирования в ограниченном от внешней среды объеме необходимых для развития эмбрионов параметров воздушной среды и режимов эволюции пространственной ориентации яиц.

До 80-х годов развитие инкубаторов шло как локальных объектов сельскохозяйственного производства от комбинированных до двухаппартных многокамерных комплексов в виде инкубационных и выводных камер. При этом совершенствовалась оболочка инкубаторов, лотковые системы, способы загрузки, системы формирования параметров воздушной среды, инженерные средства повышения гигиенической устойчивости среды обитания. Наблюдался общий рост геометрических параметров и, соответственно, производительности и энергооснащенности камер. По мере роста вместимости инкубаторов все большую актуальность приобретало решение задач снижения энергоемкости, повышения точности соблюдения зоотехнически обоснованного регламента формирования воздушной среды и снижение трудоемкости обслуживания. Главными показателями эффективности инкубационного процесса всегда были количество и качество получаемых цыплят.

В России исследования по инженерным проблемам инкубации наиболее активно проводились в 1950-1970 годы. Основу их составляли исследования в области технологии инкубирования, проводимые во ВНИТИП, ведущем научно-исследовательским институтом страны в области птицеводства.

Значительный вклад в понимание теплофизических закономерностей формирования воздушной среды инкубационных камер, основ их проектирования внесли исследования, выполненные в Центральной испытательной инкубаторно-птицеводческой станции (ЦИИПС), во Всесоюзном НИИ электрификации (ВИЭСХ), Всесоюзном НИИ сельхозмашиностроении (ВИСХОМ).

Наиболее значительные работы в эти годы по изучению физических факторов инкубации были выполнены Львом М.А., Хаскиным В.В. и др., по выбору конструктивных параметров камер и средств управления — Хмыровым В.А., Эйдисом А.Л. и др.

В конце 70-х начале 80-х годов в мире сложилась устойчивая тенденция развития птицеводства как высокоиндустриального производства. Масштабы промышленного птицеводства изменили отношение к результатам инкубации. В настоящее время затраты на инкубацию в структуре производства мяса бройлеров составляют 15-17% от общих затрат. Все это поставило перед разработчиками инкубационных технологий и техники новые задачи. Ведущие фирмы мира приняли вызов времени. Инкубаторы стали проектироваться из расчета их функционирования^ как части технологического конвейера - множества камер, объединенных материальным потоком и информационно в единую систему. Были созданы инкубаторы большой мощности, рассчитанные на единовременную инкубацию крупных партий яиц, при этом найдены новые технические решения в конструкции оболочек камер, снижающие неконтролируемый уровень теплопотерь, по технике формирования среды обитания для эмбрионов и суточных цыплят, применены современные информационные технологии при построении систем управления процессом одновременного функционирования большого количества инкубационных и ч выводных камер. Следует отметить, что высокие значения таких показателей как удельная вместимость и материалоемкость получены за счет применения большей величины тележек, позволяющих разместить 18 рядов лотков. Это не отвечает требованиям стандартов России по технике безопасности.

Наибольшее '.развитие инкубаторостроение получило в США, Великобритании, Франции, Нидерландах, Бельгии. Ведущими зарубежными фирмами на сегодняшний день являются: Петерсайм (Бельгия), Националь (Франция), Пасс Реформ (Нидерланды), Джеймсвей (Канада).

В России за последние годы исследования в области инкубаторостроения в значительной мере были свернуты и это предопределило известное отставание отечественных аппаратов от лучших зарубежных образцов. Инкубаторы существующего парка уступают по удельной мощности (кВт/1000 яиц), надежности и точности приборного контроля и управления [33].

Сегодня достигнутая точность поддержания температуры ±0,2°С и влажности ±3% не является достаточной. Существенным препятствием повышения выводимости является более высокая неравномерность значений температуры по объему камеры. В западном инкубаторостроении камеры барабанного типа (как выпускаемые ОАО «Пятигорсксельмаш») уже не производятся. Инженерные аспекты инкубационных процессов продолжают исследоваться, практически, только во ВНИТИП (работы Буртова Ю.З.), при"'этом приборное обеспечение экспериментов уступает тому, которое используется западными фирмами.

Применяемые отечественные инкубаторы конструировались как локальные объекты, требующие индивидуального обслуживания. Поэтому при создании инкубаториев на их основе трудоемкость обслуживания инкубационного процесса существенно выше, чем при использовании современных импортных аппаратов, а примененная стрелочная индикация параметров состояния камер не позволяет эффективно оценивать правильность действий обслуживающего персонала, не обеспечивает системной оперативности в обнаружении нештатных технологических ситуаций и необходимый уровень доказательности при анализе результатов циклов инкубирования.

Создание инкубаториев с большим количеством камер предъявляет более высокие требования к уровню инженерных решений по обеспечению гигиенической устойчивости камер. Более остро встают вопросы трудоемкости и ресурсозатратности проведения санитарно-гигиенических мероприятий. Все это требует поиска новых решений при конструировании новых отечественных камер.

Биологическим и санитарно-гигиеническим аспектам инкубирования яиц посвящено большое количество работ. Одними из первых в этой области были исследования, поведенные Реомюром в первой половине 18 века. Считается, что им было написано первое научно обоснованное руководство по инкубации яиц (1747 г.).

В целом о биологии птичьего яйца в настоящее время известно довольно много. Имеются обширные данные о развитии эмбриона и общих закономерностях влияния на это факторов окружающей среды. Однако в деталях, которые весьма важны при индустриальных методах воспроизводства птицы, эти данные постоянно нуждаются в уточнении и обновлении, что в первую очередь связано с появлением новых пород птицы, изменениями технологий их содержания, совершенствованием приборной базы биологических экспериментов и др. Так в связи с изменением породного состава птицы развитие эмбрионов инкубируемых сегодня яиц сопровождается существенно большей интенсивностью тепло-массообменных процессов (выделением тепла, потреблением кислорода и т.д.), чем это имело место несколько десятилетий назад, когда конструировались инкубаторы, составляющие сегодня основу оборудования большинства инкубаториев.

В условиях современного крупномасштабного инкубирования, когда десятые доли изменения выводимости цыплят являются экономически весьма существенными меняется представления и о требованиях к характеру ведения процесса инкубации.

До недавнего времени при создании инкубационных камер исходили из того, что существует некоторое одно значение температуры и одно значение влажности, поддержание которых обеспечивает при прочих равных условиях наибольшую выводимость цыплят.

В настоящее время производственная практика показывает, что такой подход в значительной мере себя исчерпал и для получения высокой выводимости - 80% и более, необходимо учитывать особенности птицы, производящей яйцо, и исходить из того, что для каждого уровня развития эмбрионов существует свои оптимальные значения температуры и влажности, то есть режимы инкубации должны быть адаптивными в пределах определенной области температурно-влажностных параметров. Чтобы обеспечить это надо знать насколько целесообразно проводить корректировку заданий режима, иметь возможность осуществлять эти корректировки, иметь информацию о текущих значениях параметров среды обитания и наконец иметь средства проводить их своевременно.

Поскольку средств автоматического приборного неразрушающего контроля развития эмбриона непосредственно в процессе инкубирования пока нет, то корректировка режима инкубации ложится на плечи обслуживающего персонала, и при равной квалификация и равноточных результатах периодического зоотехнического контроля, он может их выполнять тем успешнее, чем большей информацией будет располагать о текущих и предыдущих значениях параметрах процесса инкубирования.

Следовательно, современные инкубатории должны иметь централизованные системы автоматического контроля технологических процессов с возможностями дистанционной корректировки заданий локальным системам управления отдельных камер и автоматической архивацией всех событий выполнения технологического регламента в инкубатории.

В настоящее время инкубация является важнейшей стадией промышленного птицеводства. Его масштабы и концентрация требуют вывода крупных партий одновозрастного молодняка в несколько десятков тысяч голов и наличия инкубаториев с общей годовой производительностью в несколько миллионов голов. В этих условиях повышение выводимости и сохранности цыплят в десятые доли процента является экономически значимым. Экспериментальные исследования показывают, что за счет совершенствования технических средств оснащения инкубаториев выводимость и жизнеспособность цыплят можно поднять на несколько процентов.

Таким образом, для обеспечения в стране современного уровня ведения птицеводства актуальной является проблема создания нового поколения инкубационного оборудования, обеспечивающего более высокую выводимость при меньших энерго - и материалозатратах.

В рамках указанной проблемы в настоящей работе решались следующие задачи: изыскание технических решений снижения энергоемкости технологического процесса, повышения его гигиенической устойчивости, построение модели температурно-влажностного состояния воздушной среды инкубационной камеры, определение представительной зоны для аппаратной интегральной оценки ее параметров, разработка и реализация алгоритма локального управления, обеспечивающего более точное и менее энергозатратное поддержание зоотехнически обоснованных значений параметров воздушной среды, разработка и реализация сетевой системы управления технологическими процессами инкубации в инкубатории.

1. Алексеев Ф.Ф и др. Промышленное птицеводство. М.Агропромиздат, 1991;

2. Буртов Ю.З. Динамика относительной влажности воздуха в промышленных инкубатора. Сб. трудов ВНИТИП, вып. 52, 1981

3. Буртов Ю.З. Динамика температуры воздуха в промышленных инкубаторах. Сб. трудов ВНИТИП, вып. 54, 1982;

4. Валге A.M. Обработка экспериментальных данных и моделирование динамических систем при проведении исследований по механизации сельскохозяственного производства. СПб. СЗНИИМЭСХ, 2002.-176с.

5. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Изд."Энергия", M-JI 1965г.;

6. Гультяев А.К. Имитационное моделирование в среде Windows.C-Пб, «КОРОНА принт», 2003;

7. Давтян Ф.А, Управление микроклиматом в птицеводческих помещениях. Ж. «Механизация и электрификация сельского хозяйства», №11, 1984. с.35-38;

8. Диминг Д. Управление процессом инкубации в XXI веке. Ж. Сельскохозяйственный вестник, №5,2002. с.7-9;

9. Еременко C.B. Инструкция по эксплуатации блока локальной сети и метрологической проверки блоков управления инкубаторами БМИ-Ф-15.03. ВНИИКОМЖ, 1999г. 12с.;

10. Еременко C.B. Сетевая АСУ ТП инкубатория. В кн. «Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления сельскохозяйственного производства» М. ВИМ, 2002, с.221-222;

11. Еременко C.B. Система централизованного контроля инкубаторов. Сборник трудов ВНИИКОМЖ. М., 1985 (Соавтор Шугуров М.М.);

12. Еременко С.В'. Способ автоматического управления процессом сушки при активном вентилировании сена. Авт.св. 1651061. М., Бюл. №19, 1991;

13. Еременко C.B. Этапы автоматизации машин и оборудования для животноводства и кормопроизводства. Сборник трудов ВНИИКОМЖ. М., 1999 (Соавторы: Шугуров М.М., Федоров A.B., Радовицкий А.Л.), с. 148-166;

14. Еременко C.B. Инструкция по монтажу блока БМИ-15.03 на инкубаторах.М., ВНИИКОМЖ, 1992г. Зс. (Соавтор: Каленик С.Н.);

15. Еременко C.B. Новый Российский инкубатор Эльбрус-2002. Проспект выставки «Золотая осень 2003. М., 11 с.(соавторы: Воронцов А.Н., Стругунов Л.Н.);

16. Еременко C.B. Система управления инкубатором. Авт. свид. № 1644850 М. Бюл. №16, 1991 (Соавторы: Шугуров M. М., и др.) .

17. Еременко C.B. Сотрудничество. Ж. «Птица и птицепродукты», №1, 2002.С.2-5. (соавторы: Воронцов А.Н., Пахомова Т. И.);

18. Еременко C.B. Устройство раздачи корма. Авт.св. 1690635. М., Бюл. №42, 1991;24.3аика С.А. Пути улучшения санитарно-гигиенических условий инкубации куриных яиц в промышленном инкубатории. Автореферат, 1988;

19. Иоффе Г.С, Эйдис А Л. Камера инкубатора как объект регулирования температуры и влажности, ж. "Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства",№1, M, 1966г;

20. Кондратьев P.M. Тепловые измерения, Машгиз, М-Л, 1957г.

21. Костяшкин Л,Н. Математическая модель инкубации яиц и вопросы ее реализации. Ж. «Механизация и электрификация сельского хозяйства», №1, 1984. с.42-46;

22. Крылов А.Н. Лекции о приближенных вычислениях. Изд. шестое. Гос. Издательство технико-теоретической литературы. М. 1954;

23. Лев M Л. Основы теории и расчета инкубаторов. М. Машиностроение, 1972;

24. Лев M Л. Устройство для измерения коэффициента теплоотдачи содержимого инкубируемого яйца. A.c. №161544;

25. Лев М.А Расчет и контроль воздухообмена в инкубаторе, Ж. "Птицеводство", №1, 1964г;

26. Лев М.А. Основные вопросы автоматического регулирования режимов инкубации, Научные труды, ВИЭСХ.М.1961г;

27. Лукъянов В.М. Что объединяет и отличает новое отечественное и зарубежное птицеводческое оборудование? Ж. «Техника и оборудование для села, №11-12, 1998г;

28. Минина О.М. Определение динамических характеристик и параметров типовых регулируемых объектов. Изд.АН СССР, М.!963г;

29. Нестеренко А. В. Экспериментальные исследования тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхности, Ж. "Техническая физика, АН СССР, т,24,№ 4,1954г.;

30. Нестеренко A.B. Основы теплодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха, М. "Высшая школа", 1985г.;

31. Орлов М. В Изучение и разработка режима инкубации яиц уток и кур в инкубаторе „"Универсал—45-. Труды ВНИИП;

32. Попов Е. П, Бессекерский В.А Теория систем автоматического регулирования. Изд. "Наука", 1966г.;

33. Смирнов В.И. Высшая математика, т.Ш, ч.1. Из-во технико-теоретической литературы, М. 1957;

34. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. Росэнергоиздат, М-Д. 1960г.

35. Температурные поля камеры и яйца в лабораторном инкубаторе, Ж. «Механизация и электрификация с.х.», №5, 1987;

36. Третьяков И.П. -Инкубация. ГИСХЛ, М. 1953г.;

37. Третьяков И.П.- Влияние переменных температур на развитие яиц. Труды ВНИТИП т.24, Сельхозгиз, М. 1954г.;

38. Третьяков И.П. Улучшение качества двухпозиционного регулирования тепловых процессов. Филиал Всесоюзного института научно-технической информации, тема 24, М„ 1959г.;

39. Фисинин В.И. Журавлев И.В. Секреты куриного яйца. Ж. «Наука в СССР», №5,1991;

40. Хаскин В.В.-*-Теплообмен и развитие терморегуляции в онтогенезе домашней утки. Диссертация 1961г.;

41. Черных И.В. SIMULINK среда создания инженерных приложений. М. «Диалог-МИФИ», 2004;

42. Шарейко А.В. Продуктивность бройлеров в зависимости от температурно-влажностного режима инкубации. Автореферат ВНИТИП, 1994;

43. Эйдис A JI. Автоматизация инкубаторов. М, НИИАВТОСЕЛЬХОЗМАШ, 1966г.;

44. Эйдис A. JL- Получение математического описания камеры инкубатора как объекта систем регулирования. Труды ВИСХОМ. Вып.49. М. 1966г.;

45. Эйдис А.Л. К вопросу точности регулирования основных параметров инкубации. Труды ВИСХОМ, вып.49, М., 1966г.;

46. BAROTT N.G. Effect of temperature, humiditi, and other factors on natch tof hens eggs and on energy metabolism of chick embryos» -Technical Bulletin. Washington, 1937 № 533.;

47. BYERLY T. Effect of different incubation temperatures on marality of chick embryos -Poultry Science, 1938, vol. 17, N 3, p. 200 205.;

48. Kooijman S.A.L. What the hen can tell about her eggs: egg development of the basis of energy budgets. " J. Math. Biol." 1986r. 23. №2, c. 163-185;

49. KUHE H. Entwickliiimg und Erprobung neuer Brutmaschinen. Deutsche Agrartechnik, 1965. № 5;

50. STREYC V. Neu Methode der Haherung der Differential gleichungen von Regelstrecken bei allemeinem Eingang signal. Acta Technica, 1958, № 4.