CC BY
175
УДК 636.083; 004.42 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10022
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ
С.В. Вторый, канд. техн. наук; Р.М. Ильин
В.Ф. Вторый, д-р техн. наук;
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
Физические и химические свойства воздушной среды - факторы непостоянные и подвержены большим колебаниям. Основными параметрами, определяющими качество воздушной среды животноводческого помещения, являются содержание углекислого газа, аммиака, сероводорода, температура, влажность и скорость движения воздуха. Для оптимизации микроклимата в животноводческом помещении, контроль и управление которым позволит максимально использовать генетический потенциал животных с одновременным улучшением условий труда обслуживающего персонала разработан алгоритм, который позволит создать систему обеспечивающую оптимальные условия содержания и обслуживания животных, значительно снизить энерго затраты и повысить экологическую безопасность. Также будет возможным прогнозировать состояние микроклимата в коровнике в соответствии с изменяющимися факторами производственно-технологического характера для своевременного принятия решений. С целью оптимизации управления микроклиматом на ферме КРС были проведены экспериментальные исследования в зимний период на молочном комплексе ФГУП «Каложицы» Ленинградской области. Так температура воздуха имела значения от +4,5 °С до +10,2 °С при изменении относительной влажности воздуха от 77 до 90%. В то же время концентрация углекислого газа в отдельных точках достигала предела 3100 ppm, что значительно выше допустимого значения 2500 ppm.
Ключевые слова: животноводческое помещение, микроклимат, алгоритм.
Для цитирования: С.В. Вторый, В.Ф. Вторый, Р.М. Ильин. Алгоритм управления микроклиматом в животноводческих помещениях // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С. 150-158.
CONTROL ALGORITHM OF INSIDE CLIMATE IN LIVESTOCK HOUSES
S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering); R.M. Ylyin
V.F. Vtoryi, DSc (Engineering);
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg
Physical and chemical air properties are еру factors non-permanent and subject to major fluctuations. The main parameters, which characterise the air quality in livestock premises, are carbon dioxide, ammonia, and hydrogen sulfide content, temperature, humidity and air velocity. Optimal inside environment and its efficient management and control allow making the maximal use of genetic potential of animals and improving the working conditions of the workers. With this purpose an algorithm was developed, which will
create a system of optimal conditions for the housing and servicing of animals, significantly reduce energy costs and improve environmental safety. It will be also possible to predict the microclimate in the barn in accordance with the changing production and technological factors for timely decision-making. Experimental study was carried out in winter period on the dairy complex of the Federal state unitary enterprise "Kalozhitsy" in Leningrad Region with the task to optimize the microclimate control in a cow barn. The temperature values were found varying from +4.5°C to +10.2°C under the relative humidity variation from 77% to 90%. At the same time, the concentration of carbon dioxide at certain points reached the limit of 3,100 ppm that is significantly higher than the permissible value of 2,500 ppm.
Key words: livestock house, inside climate, algorithm.
Введение
Важнейшим условием оптимизации микроклимата закрытых животноводческих помещений, является его соответствие физиологическому состоянию животных. Физические и химические свойства воздушной среды - факторы непостоянные и подвержены большим колебаниям. Организм животного может
приспосабливаться к этим изменениям, но лишь до определенных пределов. Физиологическое равновесие может сохраняться до тех пор, пока действие внешних раздражителей не превышает адаптационных возможностей организма.
Основными составляющими,
определяющими качество воздушной среды животноводческого помещения, являются: содержание углекислого газа, аммиака, сероводорода, температура, влажность и скорость движения воздуха.
Использование достижений в области информационных технологий позволяет создать системы технологического
мониторинга, программе наблюдения, определить
по
заданной выполняют позволяющие выполнения под влиянием
которые регулярно измерения, состояние технологического процесса различных факторов, проанализировать на соответствие нормативам и представить персоналу в удобной форме с рекомендациями о вариантах принятия решения [1,4,6].
Системы обеспечения микроклимата
представляют собой системы естественной и принудительной вентиляции. При системе естественной вентиляции воздухообмен происходит вследствие разности плотностей
воздуха внутри и вне помещений с использованием специальных вытяжных каналов и шахт, проемов в крыше, также через ворота, оконные проемы и щели в конструкции здания.
Материал и методы
Система принудительной вентиляции (приточная или вытяжная), на ряду с каналами и шахтами, имеет дополнительно вентиляторы с электроприводом,
калориферы для подогрева подаваемого наружного воздуха в зимнее время, что позволяет более полно обеспечивать требуемые параметры микроклимата в животноводческом помещении, но приводит к существенному росту энергозатрат.
Разработка комплексных систем мониторинга, учитывающих более широкий ряд факторов, влияющих на формирование микроклимата в животноводческих помещениях, с учетом имеющихся достижений в отечественной и мировой науке и практике является весьма актуальной задачей [2].
На рисунке 1 представлена принципиальная схема системы управления микроклиматом в животноводческом помещении.
I 2--1
Рис. 1. Принципиальная схема системы управления микроклиматом в животноводческом помещении: 1 - животноводческое помещение; 2 - блок мониторинга; 3 - блок контроллера; 4 - блок управления; 5 - датчики внутренней среды (температура, влажность, скорость движения воздуха, газовый состав и др.); 6 - датчики внешней среды (температура, влажность, скорость движения воздуха, газовый состав и
др.); 7 - приточный вентилятор, нагревательной и охладительной системами;
8 - увлажнитель воздуха; 9 - разгонный вентилятор; 10 - осушитель воздуха; 11 - шторы (жалюзи); 12- вытяжной вентилятор
Вся входящая информация с датчиков 5 и 6 форматируется и направляется в блок контроллера 3. После обработки и составления плана оптимизации подаются команды на блок управления 4, с него поступают сигналы на исполнительные
устройства 7, 8, 9, 10, 11, 12, а так же выводится отчет на дисплей оператора, входящий в состав блока мониторинга 2.
Функции системы управления микроклиматом:
- оптимальное (с точки зрения соблюдения зоотехнических требований и экономии энергоресурсов) регулирование контролируемых параметров;
- управление циркуляцией воздуха внутри помещения в летний, переходный и зимний периоды;
- управление вытяжной и приточной вентиляцией как естественного, так и принудительного типа;
- автоматический выбор режимов работы;
- сигнализация об аварийных ситуациях;
- передача в режиме реального времени информации на локальный монитор фермы и центральный диспетчерский пункт хозяйства.
Результаты и обсуждение
Для оптимизации воздушно-теплового баланса в животноводческом помещении, контроль и управление которым позволит максимально использовать генетический потенциал животных с одновременным улучшением условий труда
обслуживающего персонала, разработан алгоритм, общая блок-схема которого представлена на рисунке 2.
С КоН-П
Рис. 2. Общая блок-схема алгоритма управления системой микроклимата на ферме
Общий алгоритм управления системой микроклимата состоит из ряда функционально взаимосвязанных
алгоритмов отдельных систем: алгоритм мониторинга технологических процессов с формированием массива данных, алгоритм анализа поступающих данных и оптимизации параметров технологических процессов, алгоритм принятия
управленческих решений. Имеется база
нормативных и текущих данных параметров технологических процессов с архивом.
«Алгоритм мониторинга
технологических процессов с
формированием массива данных» выполняет ряд функций.
Проводит опрос датчиков, съем значений величин измеряемых параметров внутри животноводческого помещения: - температура воздуха в помещении Т, °С;
- относительной влажности воздуха в помещении %;
- скорости движения воздуха в помещении V, м/с;
- уровень концентрации углекислого газа СО2 в помещении, ррт;
- уровень концентрации аммиака КН3 в помещении, мг/м3;
- уровень концентрации сероводорода И28 в помещении, мг/м3.
Датчики объединены в 9 блоков расположенных в соответствии со схемой представленной на рисунке 3, что позволяет при значительных размерах фермы (средняя ферма крупного рогатого скота на 200 голов имеет длину 72 и ширину от 21 метра) иметь достоверную информацию о равномерности распределения вредных веществ по помещению в целях локального воздействия системы формирования микроклимата в наиболее критических точках.
8 12
7 9 3
6 5 4
Рис. 3. Схема расположения датчиков в коровнике
«Алгоритм анализа поступающих данных и оптимизации параметров технологических процессов», основная задача которого является, анализ массива поступающих данных с датчиков, с дальнейшей проработкой вариантов
оптимизации параметров микроклимата в случае отклонения от нормативных значений.
Проведенные экспериментальные
исследования параметров микроклимата в зимний период на молочном комплексе ФГУП «Каложицы» Ленинградской области показывают, что температурно-влажностные режимы и концентрации газов по девяти точкам в коровнике имеют существенное различие.
Так на рисунке 4 представлены экспериментальные данные температуры воздуха в различных частях коровника, а на рисунке 5 экспериментальные данные относительной влажности воздуха. Исследования проводились на ферме 200 коров с привязным содержанием входящей в состав молочного комплекса на 400 коров в январе-феврале 2017 г при температуре наружного воздуха от -6°С до -10°С. Вентиляция естественная с инфильтрацией наружного воздуха через окна, ворота, щели в конструкции здания и вытяжкой загрязненного воздуха через вентилируемый конек кровли. Температура наружного воздуха Результирующим показателем для сравнительного анализа является среднее значение за 10 минут по каждой точке замера. На рисунках видно, что температура воздуха имеет различные значения от 4,5 до 10,2 °С (норма +3 до +10 °С [3]) при изменении относительной влажности воздуха от 77 до 90% (норма 40-85% [3]). Условия содержания коров в некоторых точках замеров находятся в пограничных пределах или даже превышают их, не соответствуя нормативным, что
отрицательно сказывается на
продуктивности животных [2, 5].
Рис. 4. Экспериментальные данные изменения температуры в различных частях коровника
3 4 5 6 7 Точки замера параметров
Рис. 5. Экспериментальные данные изменения относительной влажности воздуха в
различных частях коровника
На рисунке 6 показана концентрация углекислого газа в коровнике, которая в большинстве точек превышает предельно допустимую норму в 2500 ppm [3]. В точках 6 и 7 концентрация углекислого газа имеет
Точки замера параметров
Рис. 6. Экспериментальные данные изменения концентрации СО2 в различных частях коровника
наибольшее значение равное 3100 ppm, что соответственно отрицательно влияет на продуктивность животных и
работоспособность персонала.
Аммиак также неравномерно
распределяется по животноводческому помещению, но его концентрация не превышает 7,95 мг/м , что составляет не
более 40% от допустимого значения и не представляет опасности для животных и людей.
На рисунке 7 представлена схема контроля режимов работы системы обеспечения микроклимата. Данные с датчиков в режиме реального времени вводятся в блок анализа данных. Далее в зависимости от результата сравнения фактического и нормативного значения, данные могут выводится на дисплей оператора, информируя о соответствии
текущих показателей нормативам, или в случае отклонения поступать в блок оптимизации для выработки вариантов решения с целью обеспечения соответствия заданным нормативным значениям в конкретных точках. При этом одновременно ведется контроль параметров в других точках помещения с целью недопущения их отклонения от заданных величин.
Фактическое ■значение параметра Нормативное значение параметра. Режим сравнения Режим контроля Варианты процессов управления
Температура, °С т. - Т, = 3-МО =с - Тн Тф да На дисплей оператора
нет Оптимизация параметра Вентилирование, нагрев, охлаждение 1 1
Относительная влажность, % W* - W, = 45-^5 °/о - wH = да На дисплей оператора 1
нет Оптимизация параметра Вентилирование, нагреЕ п i
Скорость движения воздуха, м/с V. - VH = до 0,5 ч г i.iMO.I до 1,0 м/с летом - V.= T* да На дисплей оператора 1
нет Оптимизация параметра Отключение вентиляции: закрытие ворот, окон штор п 1
Углекислый raí, ppm С02„ - С02н = 0-2500 ppm - C02H=TÍJ да На дисплей оператора 1
нет Оптимизация параметра Включение Еенгнляцнн: открытие ворот, окон, пгтор п i
Аммиак, мг/и3 >"НЭ„ - ХНЗВ - 0-20 мг/м3 - ХВЗН Тф да На дисплей оператора 1
нет Оптимизация параметра Включение Еенгнляцнн; открытие ворот, окон, штор 1 1
Сероводород, мг/м3 H2Sfc - H2Sh = 0-HL0 мг/м3 - H2Sh Тф да На дисплей оператора 1
нет Оптимизация параметра Включение Еенгнляцнн: открытие ворот, окон, штор п I
Рис. 7. Схема контроля режимов работы системы обеспечения
микроклимата
Варианты решения
Задачей «Алгоритма принятия управленческих решений» является выбор оптимального режима на основе оптимизационных критериев.
При анализе рисунков 5 и 6 видно, что необходимо удалить избыток влаги в точках 1-7 и снизить концентрацию углекислого газа в точках 1, 5-9.
Напряженной является точка 3 на рисунке 4, так как показание температуры воздуха находиться в нижней отметке допустимого значения. В случае дальнейшего понижения температуры может произойти замерзание системы поения водой или переохлаждение животных.
В некоторых точках система в автоматическом режиме сбалансирует параметры, а по отдельным точкам потребуется вмешательство персонала, в случае много вариантности решений.
«База нормативных и текущих данных параметров технологических процессов с архивом»
В базу данных входят: требования к параметрам микроклимата и режимам его обеспечения; наличие оборудования для обеспечения микроклимата, его технические, экономические и технологические характеристики, готовность к эксплуатации, графики ТО, наработка оборудования с отказами и другое.
Выводы
Разработан алгоритм системы управления микроклиматом, который позволит создать систему обеспечивающую оптимальные условия содержания и обслуживания животных, значительно снизить энерго затраты и повысить экологическую безопасность. Также будет возможным прогнозировать состояние
микроклимата в коровнике в соответствии с изменяющимися факторами
производственно-технологического характера для своевременного принятия решений.
С целью оптимизации управления микроклиматом на ферме КРС были проведены экспериментальные исследования параметров микроклимата в зимний период на молочном комплексе ФГУП «Каложицы» Ленинградской области. Результаты
обработки полученных данных показывают, что температурно-влажностные режимы в различных точках коровника имеют существенное расхождение между собой. Так температура воздуха имела значения от 4,5 до 10,2 °С при изменении относительной влажности воздуха от 77 до 90%. В то же время концентрация углекислого газа в отдельных точках достигала предела 3100 ррт, что значительно выше допустимого значения 2500 ррт. Аммиак неравномерно распределяется по животноводческому помещению, но его концентрация не превышала 7,95 мг/м3 .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Система технологического мониторинга производства молока на ферме КРС // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2012. №2. С.20-25.
2. Ильин Р.М., Вторый С.В. Обоснование параметров системы мониторинга микроклимата в животноводческих помещениях. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 208-216.
3. Методические рекомендации по технологическому проектированию ферм и комплексов крупного рогатого скота: РД-АПК 1.10.01.02-10 / М.: МСХ РФ. 2011.108 с.
4. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Ланцова Е.О. Графическая информационная модель состояния микроклимата в коровнике. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С. 183-189.
5. Вторый В.Ф., Козлова Н.П., Максимов Н.В. Система обеспечения микроклимата при реконструкции ферм КРС. // Сборник научных трудов Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. Т15. Ч.2. Подольск. 2005. С. 189-197.
6. Вторый В.Ф., Козлова Н.П. Снижение вредных выбросов в атмосферу вентиляционными системами животноводческих помещений. // Сборник 157
научных трудов Всероссийского научно- животноводства.Т16.Ч2. Подольск. 2006. С. исследовательского института механизации 245-255.
REFERENCES
1. Vtoryj VF., Vtoryj S.V. Sistema tekhnologicheskogo monitoringa proizvodstva moloka na ferme KRS. [Technological monitoring system of milk production on a cattle farm Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2012; 2: 20-25.
2. Il'in R.M., Vtoryj S.V. Obosnovanie parametrov sistemy monitoringa mikroklimata v zhivotnovodcheskih pomeshcheniyah [Substantiation of parameters of climate monitoring system in livestock houses]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 208-216.
3. Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota RD-APK 1.10.01.02-10 [Management Directive for Agro-Industrial Complex RD-APK 1.10.01.02-10. Recommended Practice for Engineering Designing of Cattle Farms and Complexes]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2011: 108.
4. Vtoryj V.F., Vtoryj S.V., Lancova E.O. Graficheskaya informacionnaya model' sostoyaniya mikroklimata v korovnike [Graphical information model of the barn indoor climate]. Teoreticheskij i nauchno-prakticheskij zhurnal. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 183-189.
УДК 631.147: 502.55 Б01 10.24411/0131-5226-2018-10023
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СОДЕРЖАНИЯ АЗОТА И ФОСФОРА В СОСТАВЕ
ЭКСКРЕМЕНТОВ ДОЙНЫХ КОРОВ
А.Ю. Брюханов, д-р техн. наук; Э.В. Васильев, канд. техн. наук;
Е.В. Шалавина, канд. техн. наук; Н.П. Козлова, канд. техн. наук
Федеральное государственное научное бюджетное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
Проанализированы диапазоны коэффициентов содержания азота/фосфора в молоке и теле животного в странах региона Балтийского моря. Значения коэффициентов находятся в широком диапазоне: от 1 г N /кг живого веса в теле животного в Латвии до 25,6 г К/кг живого веса в теле животного в Эстонии. Значения по содержанию фосфора в молоке также варьируются между странами: от 0,96 г Р/кг молока в Дании до 6,24 г Р/кг молока в Латвии. Выход питательных элементов (азота и фосфора) с экскрементами дойных коров был рассчитан методом баланса и по модели, применяемой в Дании, для каждой страны с учетом национальных коэффициентов. Полученные средние значения сравнивали со значениями, утвержденными в соответствующих российских руководящих документах. Так среднее содержание общего азота в экскрементах дойных коров в странах региона Балтийского моря составляет 288 г/сут, а в России - 205 г/сут, что говорит о значительном расхождении. Среднее значение массы Р205 - 107 г/сут, а в России - 110,3 г/сут, что отражает высокую степень сходимости результатов. Данные отклонения объясняются различием в
