Алгоритм управления машинным доением коров Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

РАЗДЕЛ III ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА

УДК 637.115: 519.688 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10020

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ МАШИННЫМ ДОЕНИЕМ КОРОВ С.В. Вторый, канд. техн. наук; В.Ф. Вторый, д-р техн. наук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства" (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия.

Интенсификация процесса доения на основе автоматизации режимов работы доильных установок требует разработки специального программного обеспечения, основой которого являются алгоритмы, описывающие порядок выполнения процессов и операций по обслуживанию животного. По результатам исследований на молочно-товарных фермах КРС уточнены и оптимизированы параметры и режим работы доильно-молочного оборудования, с использованием метода последовательной детализации разработаны основной и вспомогательные алгоритмы управления процессом машинного доения коров. Основной алгоритм состоит из группы взаимосвязанных алгоритмов управления отдельными технологическими операциями, с целью соблюдения зоотехнических и ветеринарных требований к процессу доения, при строгом контроле параметров и режимов работы технологического оборудования. Все решения принимаемые системой доения и оператором, а так же результаты мониторинга поступают в базу данных, где производится их обработка и архивирование, формирование отчетов по установленным внутрихозяйственным формам.

Ключевые слова: алгоритм, корова, доение, доильная установка.

Для цитирования: С.В. Вторый, В.Ф. Вторый. Алгоритм управления машинным доением коров. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С. 134-143.

CONTROL ALGORITHM OF MACHINE MILKING OF COWS

S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering); V.F. Vtoryi, DSc (Engineering)

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg

Intensification of the milking process based on automated working modes of milking units requires the development of special software with the algorithms describing the order of processes and operations of farm animals' care. The study outcomes on commercial dairy farms allowed to update and optimize parameters and operating modes of milking units and milk handling equipment. Using sequential detailing method, the basic and auxiliary algorithms were developed for controlling the process of machine milking of cows. The basic algorithm consists of a group of interrelated algorithms for control over individual technological operations in order to comply with zootechnical and veterinary requirements for the milking process under the close monitoring of parameters and operating modes of technological equipment. All decisions taken by the milking system and the operator, as well as the monitoring results, are entered into the database, where they are processed and archived, and the reports are generated according to the established on-farm format.

Keywords: algorithm, cow, milking, milking unit.

Введение

При производстве молока наиболее важным и трудоемким является доение коров. Особая важность этого процесса заключается и в том, что здесь происходит непосредственный контакт животного с машиной посредством доильного аппарата. Одним из важнейших факторов, влияющих на качество процесса доения, является обеспечение стабильного, соответствующего зоотехническим требованиям, вакуумметрического давления в доильном аппарате, что минимизирует нагрузку на соски вымени, увеличивает скорость и полноту выдаивания, снижает риск заболевания животных маститом и другими болезнями вымени.

В настоящее время в основном применяется двухтактный режим доения. Цикл работы двухтактного доильного аппарата состоит из тактов сосания и сжатия при их соотношении 60^70% и 30^40% соответственно. В подсосковой камере доильного аппарата вакуумметрическое давление должно быть постоянным 40-50 кПа. В межстенной камере доильного аппарата вакуумметрическое давление в соответствии с тактом должно быть 40-50 кПа или равняться атмосферному. Эти режимы работы доильной установки обеспечивается качественной работой вакуумного насоса, доильного аппарата, системой вакуумных и молочных трубопроводов, системой предварительной очистки и охлаждения молока, системы управления и контрольно-измерительных приборов.

Высокий генетический потенциал и продуктивность молочного стада

предъявляют к машинным технологиям доения повышенные требования к качеству выполнения этого технологического процесса, при сокращении рабочей силы на селе. В связи с этим требуется интенсификация процесса доения, а это

возможно при внедрении современных автоматизированных технологий.

В НПО «Фемакс» разработана система автоматического управления процессом доения «Стимул» для доильных установок УДЕ-М «Ёлочка». Компьютеризированная система управления интенсивным молочным хозяйством компании S.A.E.AFIKIM, автоматизированные доильные установки типа «Карусель» GEA Farm Technologies, роботизированные доильные системы компаний Lely и DeLaval обеспечивают контроль и управление процессом доения на доильных установках доильных залов при беспривязном содержании животных.

В России в доильных залах доиться только 8-10% коров, преимущественно доение происходит в стойлах со сбором молока в переносные ведра (более 45%) или в молокопровод (42-45%), что определяется массовым применением привязной технологии содержания коров. [1]. Сложившаяся ситуация требует разработки автоматизированных систем управления доением и для этой технологии. Для управления процессом в автоматическом режиме необходима разработка

специального программного обеспечения, основой которого являются алгоритмы, описывающие порядок выполнения

процессов и операций по обслуживанию животного.

Материал и методы

Проведен анализ научно-технической литературы, материалов международных и отечественных выставок, конференций, симпозиумов, выполнена систематизация современных технологий и технических средств доения коров. По результатам наших исследований на молочно-товарных фермах КРС по уточнению и оптимизации параметров и режимов работы доильно-молочного оборудования, с использованием метода последовательной детализации

разработаны основной и вспомогательные алгоритмы управления процессом машинного доения коров.

Результаты и обсуждение Доильные установки различных типов как правило состоят из одного или нескольких вакуумных насосов в

зависимости от их производительности и поголовья коров, ресивера для стабилизации вакуумметрического давления, вакуумный регулятора, вакуумметра, для контроля текущих значений вакуумметрического давления, вакуумных и молочных линий для транспортировки молока от животного в молокосборник с дальнейшей

предварительной очисткой и охлаждением его до +4°С и хранением в молочном танке до отправки потребителю.

Процесс доения состоит из следующих операций (Рис. 1):

- создание вакуумным насосом с использованием ресивера и вакуум-

При выполнении процесса доения необходимо обеспечить требуемую производительность вакуумной установки, вакуумметрическое давление в системе должно соответствовать требованиям завода-изготовителя оборудования, соотношение тактов должно быть в пределах ±5%, подсос воздуха через трубопроводы и фитинги при рабочем вакууме не должно превышать 20 л/мин, перепад давления в молокопроводе не должен превышать 3 кПа. Оборудование должно обеспечить охлаждение молока

регулятора стабильного

вакуумметрического давления в системе и контролем его уровня вакуумметром;

- подача воздуха с пониженным (вакуумметрическим) давлением по вакуумному и молочному трубопроводам к доильным аппаратам, в систему транспортировки молока от коровы до танка-охладителя;

- основным является процесс извлечения молока из вымени животного доильным аппаратом в составе пульсатора, коллектора, доильных стаканов, молочно-вакуумных шлангов;

- транспортирование молока по молочной линии от доильного аппарата в танк-охладитель при этом производится измерение количества и качества надоенного молока по групповому или индивидуальному принципу, предварительная его очистка от механических примесей и охлаждение.

после доения до температуры 4±2°С в течение 2 часов или произвести термическую его обработку [2].

Для разработки алгоритма использован метод последовательной детализации используемый для решения сложных задач и заключающийся в том, что в начале описывается основной алгоритм

представляющий собой взаимосвязь вспомогательных алгоритмов описывающих отдельные процессы [3].

Рис. 1. Общая схема процесса доения коров

Основной алгоритм состоит из группы взаимосвязанных алгоритмов отдельных систем управления, целью которых является соблюдение зоотехнических и ветеринарных требований к процессу доения, при строгом соблюдении параметров и режимов работы технологического оборудования. В общую блок-схему алгоритма (Рис. 2) входят: алгоритм электропитания и исправности линий связи и системы в целом; алгоритм управления системой стабилизации вакуума; алгоритм системы диагностики параметров пульсатора; алгоритм системы удаления молока подлежащего обработке; алгоритм управления системой охлаждения молока и база данных.

Основной является система обеспечения стабилизированным ваккуметрическим

База данных

давлением процесса доения. Эта необходимость подтверждается рис. 3, где представлены результаты исследований, показывающие значительную

нестабильность вакуумметрического

давления в вакуумных и молочных линиях. Это связано с недостаточной

производительностью вакуумных насосов и не герметичностью линий [4, 5]. Поэтому для поддержания необходимого вакуумного режима и снижения энергозатрат на привод существует необходимость адаптации вакуумно-силовой установки к условиям работы [6].

*-►

алгоритм системы удаления молока подлежащего обработке

Рис. 2. Общая блок-схема алгоритма

3 4 5 6

Номера точек замеров

Рис. 3. Среднее вакуумметрическое давление по длине доильной установки коровника: вакуумная линия (ряд 1) и молочная линия (ряд 2); вакуумная линия (ряд 3) и молочная линия (ряд 4)

Контролируемые режимы работы вакуумной установки это расход воздуха системой Р, м / ч (л/мин) и создаваемое вакуумметрическое давление в системе Рвак, кПа, которые должны соответствовать нормативам. Алгоритм работы управления системой стабилизации вакуума, с использованием преобразователя частоты представлен на рис. 4.

Рис. 4 . Алгоритм управления системой стабилизации вакуума

43

42

С 41

40

39

38

2

Важнейшим, непосредственно

влияющим на животное является процесс молоковыведения с использованием

доильного аппарата, где пульсатор является определяющим устройством.

На рис. 5 представлен алгоритм диагностики параметров пульсатора [7],

основными элементами устройства диагностики являются датчики

вакуумметрического давления, с блоками расчета режимов работы пульсатора. Диагностика выполняется следующим образом: данные с датчиков в процессе доения (от подключения до съема доильного аппарата) поступают в блоки расчета режимов пульсатора, где происходит анализ и расчет основных характеристик пульсатора

[8]. На дисплее оператора отображается пульсограмма и основные характеристики, определяющие качество работы пульсатора, даются рекомендации дальнейших действий

[9].

Основными характеристиками,

определяющими качество работы пульсатора являются: среднее значение

вакуумметрического давления при такте сосания Рс, среднее значение вакуумметрического давления при такте сжатия Рсж. Расчет значений

среднеквадратичных отклонений по известным выражениям вакуумметрического давления ос, осж при тактах сосания и сжатия соответственно, позволяет определить амплитуду изменения вакуумметрического давления и соответствие технологическим допускам [10].

Для такта сосания технологический допуск 5с, определяется выражением: 5с = Рс ± Ос = Рн ± А,

где А - допустимая величина изменения нормативного значения вакуумметрического давления в процессе доения (± 1 кПа) [11].

Для такта сжатия технологический допуск 5сж определяется выражением:

5сж = (рс - Ос ) — (рсж + Осж ) > Рср,

где Рср - величина вакуума смыкания сосковой резины, кПа.

Для характеристики неравномерности изменения вакуумметрического давления можно рекомендовать коэффициент неравномерности V, определяемый

коэффициентом вариации, выраженным в процентах: Vс= Ос / Рс * 100,

^Ж= Осж / Рсж * 100

где vс - коэффициент неравномерности изменения вакуумметрического давления при такте сосания, %; vсж - коэффициент неравномерности изменения вакуум-метрического давления при такте сжатия, % [12].

Данные с датчиков, в процессе доения поступают в блок контроля уровня мастита и антибиотиков (алгоритм системы удаления молока подлежащего обработке, блок на рисунке 2), где происходит сравнение фактических показаний с нормативными. В случае превышения показателей по соматическим клетками или обнаружению следов антибиотиков, система в автоматическом режиме перенаправляет поток молока с основного молокопровода в отдельный молокопровод для молока, подлежащего обработке, одновременно на дисплее оператора отображается системное сообщение.

В процессе доения молочно-воздушная смесь через доильные стаканы, шланги соби рается в коллекторе и через молокопровод поступает в молокосборник, где воздух отделяется от молока и поступает в вакуумпровод, а молоко с помощью насоса прокачивается через блок очистки и предварительного охлаждения в молочный танк- охладитель молока, где охлаждается до температуры +4 ±2°С и хранится до отправки потребителю.

Рис. 5. Алгоритм диагностики параметров пульсатора

В основе алгоритма управления системой охлаждения молока (блок на рис.2) заложен принцип определения разности температур молока до охлаждения и после. В случае недостаточного охлаждения молока, система осуществляет расчет оптимальных параметров проточного охладителя и дает команду на их корректировку, после чего осуществляет контрольную проверку.

Все принимаемые решения системой и оператором, а так же результаты диагностики поступают в базу данных, где производится их обработка и архивирование. В базе данных имеется блоки: животные, оборудование, персонал, продукция, процессы, ресурсы, справочники, отчеты. Общая схема взаимосвязей отдельных блоков базы данных представлена на рис. 6.

Рис. 6. Общая схема взаимосвязей блоков базы данных

В базе имеются справочные данные необходимые для функционирования алгоритма и системы в целом, формируются отчеты по установленным

внутрихозяйственным формам, которые по запросу оператора или специалиста хозяйства предоставляются в электронном и бумажном виде.

Выводы

Высокий генетический потенциал и продуктивность молочного стада

предъявляют к машинным технологиям доения повышенные требования к качеству выполнения этого технологического процесса, что требует интенсификация процесса доения, внедрения современных автоматизированных технологий. Для управления процессом в автоматическом режиме необходима разработка

специального программного обеспечения, основой которого являются алгоритмы, описывающие порядок выполнения

процессов и операций по обслуживанию животного.

По результатам наших исследований на молочно-товарных фермах КРС уточнены и оптимизированы параметры и режим работы доильно-молочного оборудования, с

использованием метода последовательной детализации разработаны основной и вспомогательные алгоритмы управления процессом машинного доения коров.

Основной алгоритм состоит из группы взаимосвязанных алгоритмов управления отдельными технологическими операциями с целью соблюдения зоотехнических и ветеринарных требований к процессу доения, при строгом соблюдении параметров и режимов работы технологического оборудования.

Все принимаемые решения системой и оператором, а так же результаты диагностики поступают в базу данных, где производится их обработка и архивирование, формирование отчетов по установленным внутрихозяйственным формам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Морозов Н.М. Модернизация материально-технической базы - важное направление ресурсосбережения в животноводстве // Вестник ВНИИМЖ. 2017. №2(26). С.11-19

2. ГОСТ 28545-90 (ИСО 5707-83) Установки доильные. Конструкция и техническая характеристика. М.: Издательство стандартов. 1997. 16 с.

3. Основы программирования. (Учебное пособие). [Электронный ресурс]. https://studfiles.net/preview/3740988/page:22 (Дата обращения 07.02.2018).

4. Вторый С.В. Результаты диагностики доильных установок // Вестник ВИЭСХ. 2013. Выпуск №4 (13). С.15-19.

5. Вторый С.В. Опыт мониторинга технологических параметров доильных установок / Научно-технический прогресс в

сельскохозяйственном производстве.

Материалы Международной научно-технической конференции 16-17 октября 2013. Том 2. Минск. 2014. С. 69-75.

6. Борознин В.А., Борознин А.В., Попов Г.Г. Исследование параметров, влияющих на эффективность работы доильного оборудования // Техника и оборудование для села. 2016 . №8. С 40-44.

7.Устройство регистрации вакуумметрического давления в доильной установке: патент 113635. Рос. Федерация. №2011128594/13: заявл. 12.07.2011. опубл. 27.02.2012. Бюл. № 6.

8.Способ определения технического состояния пульсатора доильного аппарата: патент 2549283 Рос.Федерация. № 2013140922/13: заявл. 05.09.2013. опубл. 27.04.15. Бюл. № 12.

9. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Устройство для диагностики параметров пульсаторов доильных аппаратов / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства // Сб.науч.тр. ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2012. Вып. 83. С. 158-164.

10. Вторый С.В., Ильин Р.М. Исследование характеристик электрического пульсатора попарного доения STIMOPULS APEX P // Известия Великолукской государственной

сельскохозяйственной академии. 2016. №4. С. 34-38.

11. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Исследования рабочих характеристик пульсатора L02 INTERPULS //Техника и оборудование для села.2016 . №10. С. 35-37.

12. Информационная модель пульсатора доильного аппарата, В.Ф. Вторый, С.В. Вторый / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №86. С.182-190.

REFERENCES

1. Morozov N.M. Modernizaciya material'no-tekhnicheskoj bazy - vazhnoe napravlenie resursosberezheniya v zhivotnovodstve. [Modernization of the material and technical base is an important direction of resource saving in animal husbandry]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2017; 2(26): 1119

2. GOST 28545-90 (ISO 5707-83) Ustanovki doil'nye. Konstrukciya i tekhnicheskaya harakteristika. [State standard 28545-90 (ISO 5707-83). Milking units. Design and scpecifications]. Moscow: Izdatel'stvo Standartov, 1997: 16. (In Russian)

3. Osnovy programmirovaniya. (Uchebnoe posobie). [Basics of programming. Textbook]. Available at: https://studfiles.net/preview/3740988/page:22 (Accessed 07.02.2018).

4. Vtoryj S.V. Rezul'taty diagnostiki doil'nyh ustanovok. [Diagnostic results of milking units]. Vestnik VIESH. 2013; 4 (13): 15-19.

5. Vtoryj S.V. Opyt monitoringa tekhnologicheskih parametrov doil'nyh ustanovok. [Monitoring experience of technological parameters of milking units]. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii "Nauchno-tekhnicheskij progress v sel'skohozyajstvennom proizvodstve". [Proc. Int. Sc. Tech Conf.

"Scientific and technical progress in agricultural production"]. Minsk: 2014; 2: 69-75.

6. Boroznin V.A., Boroznin A.V., Popov G.G. Issledovanie parametrov, vliyayushchih na ehffektivnost' raboty doil'nogo oborudovaniya [Investigation of parameters affecting the milking equipment efficiency]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2016; 8: 40-44.

7. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V. Ustrojstvo registracii vakuummetricheskogo davleniya v doil'noj ustanovke [Device for recording the vacuum pressure in the milking unit]. Patent RF no. 113635. 2011.

8. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V Sposob opredeleniya tekhnicheskogo sostoyaniya pul'satora doil'nogo apparata [Method for determining the technical state of the milking unit pulsator]. Patent RF no. 2549283. 2015.

9. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V. Ustrojstvo dlya diagnostiki parametrov pul'satorov doil'nyh apparatov [Device for diagnostics of a milking machine pulsator]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2012; 83:158-164.

10. Vtoryj S.V., Il'in R.M. Issledovanie harakteristik ehlektricheskogo pul'satora poparnogo doeniya STIMOPULS APEX P [Performance investigation of STIMOPULS APEX P electric pulsator for pairwise milking].

Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii. 2016; 4: 34-38. 11. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V. Issledovaniya rabochih harakteristik pul'satora L02 INTERPULS [Performance investigation of L02 INTERPULS pulsator]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2016; 10: 35-37.

12. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V. Informacionnaya model' pul'satora doil'nogo apparata [Information model of the milking machine pulsator]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015; 86: 182-190.

УДК 631.3 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10021

ОБОСНОВАНИЕ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА БАРАБАННЫХ БИОФЕРМЕНТАТОРОВ Р.А. Уваров

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

В статье обозначены тенденции к внедрению новых, более интенсивных технологий содержания животных и птицы, а также новых технологий удаления навоза и помета из животноводческих помещений. Наибольший интерес представляет технология биоферментации навоза (твердой фракции) и помета в биоферментаторах. Использование барабанных биоферменаторов позволяет расширить сферу применения конечного продукта. Определена необходимость унификации конструкции биоферментаторов и обоснования типоразмерного ряда с привязкой к типовым хозяйствам агропромышленного комплекса. В качестве базиса для анализа рассмотрен АПК Ленинградской области. 46% животноводческих комплексов обладают поголовьем свыше 1000 коров. Среди свиноводческих предприятий 53% составляют комплексы с поголовьем менее 6000 голов. В птицеводстве распределение более равномерно, однако 31% составляют комплексы с поголовьем свыше 1 млн голов. Для каждой категории хозяйств определены выходы навоза/помета, а также рассчитано количество навоза/помета, который может быть использован для биоферментации. Ввиду того, что на большинстве рассмотренных предприятий навоз/помет производится в больших объемах (от 5,8 т/сут подходящей для ферментации фракции), наибольший интерес представляют биоферментационные установки производительностью 3, 6 и 9 т навоза/помета в сутки. Среди установок малой мощности наиболее востребованы установки производительностью 150 кг/ сут.

Ключевые слова: биоферментатор, производительность, типоразмерный ряд, навоз, помет.

Для цитирования: Р.А. Уваров. Обоснование типоразмерного ряда барабанных биоферментаторов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С. 143-149.

SUBSTANTIATION OF TYPE AND SIZE RANGE OF DRUM BIO-FERMENTERS R.A. Uvarov

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg