CC BY
46
УДК 631.171:658.011.56
В.Т. Сергованцев, доктор техн. наук, профессор
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
аналитический Подход к автоматизации сельскохозяйственных технологий на примере комбайна
В качестве примера аналитического подхода [4] к определению параметров и объемов контроля в системах автоматики рассмотрен зерноуборочный комбайн [1, 2, 3]. Понятно, чтобы его анализировать, необходимо иметь о нем определенные сведения. Известно, исходные сведения получают или опытным путем на собственном опыте, на опыте других, или теоретически на основе имеющихся знаний и методов познания.
Представим комбайн как систему управления (рис. 1). Функцию управляющей системы выполняет комбайнер, комбайн является объектом управления (производственной технологией), цель (назначение) комбайна — уборка урожая зерновых культур, входной продукт — хлебная масса, выходной — зерно и раздельно солома с половой. Согласно выходному продукту назначение (цель) комбайна — не только уборка, но и обмолот (отделение зерна от колоса).
В качестве базового критерия оптимальности в производственных системах чаще всего принимают минимум затрат при производстве единицы продукции. Для технологического процесса комбайна критериями могут быть минимум потерь зерна (полный обмолот) и минимум засоренности зерна. Поскольку обмолот выполняется механическими средствами, то дополнительным критерием является минимум поврежденности зерна. Но эти показатели рационально переводятся в систему ограничений — допуски на потери зерна, уходящего с соломой и через конструкцию комбайна, на засоренность и травмированность зерна. Уже на этом этапе анализа находим параметры контроля указанных показателей.
Ограничения Возмущения
Рис. 1. Производственная система как система управления
Цель комбайнера как управляющей системы — управлять перемещением комбайна по заданной траектории и его функционированием в заданном режиме и с заданными характеристиками.
Цель комбайнера как субъекта (человека) в современных условиях — зарплата с критерием оптимизации — максимумом зарплаты.
К ограничениям в системе относится соблюдение заданных режимов уборки и работы комбайна, заданной настройки и других технологических и организационных требований. Возмущениями могут быть изменения погодных условий, состояния убираемого поля, условий организации уборки, неисправности комбайна и др.
Чтобы система «комбайнер — комбайн» функционировала в заданных режимах, комбайнеру необходимо иметь сведения о заданном и текущем режимах, условиях функционирования и параметрах настройки комбайна, об окружающей среде, о состоянии поступающей хлебной массы и показателях получаемого зерна и соломы, а также о целях, задачах и результатах работы. Опять имеем и решаем задачу нахождения параметров контроля. Комбайнер располагает знанием части параметров заранее, а часть (текущие параметры) снимает по приборам контроля или в процессе наблюдений без приборов. Дальнейший анализ состоит в конкретизации условий работы комбайна, определении параметров, подлежащих управлению, и выборе параметров контроля, необходимых для управления.
Поскольку комбайн является объектом контроля не только в режиме работы, но и в режиме обслуживания, то имеем систему
взд
СТО ^ МАШ конт
где СТО — система технического обслуживания; МАШ — комбайн; взд — воздействия (замер параметров, настройка и др.); конт — контроль параметров устройств комбайна.
Конкретный перечень параметров контроля в данной системе следует из характеристик надежности устройств и устойчивости настроек комбайна.
Рассмотрим комбайн как объект контроля в режиме уборки урожая. В комбайне существуют два материально-энергетических потока: хлебной мас-------------------------------------------- 19
сы в самом комбайне и топлива в его двигателе. Для анализа используем схему устройства и технологического процесса [2], образующего поток хлебной массы и его разделение (рис. 2).
Входной поток хлебной массы поступает с поля на планки мотовила (блок 1, рис. 3). Поскольку характеристики хлебной массы влияют (определяют) на настройку механизмов комбайна, то их считают параметрами контроля. Поэтому вход блока 1 принимают за информативную точку в технологическом потоке. Информативными параметрами тут являются влажность хлебной массы, ее плотность, параметры стебля, колоса, зерна, высота среза, направление и скорость движения комбайна, ширина захвата.
Практически оперативный контроль входного потока хлебной массы не проводят. Необходимые параметры контроля определяют до начала работы комбайна. Поскольку комбайн представляет собой объект контроля не только в режимах работы и обслуживания, но и при подготовке к работе, получаем третью систему (или режим) управления и контроля, связанную с комбайном. В этой системе подвергают контролю состояние поля, погодные условия, устройство и настройки комбайна (подготовка к работе).
Вместе с тем, имеется входной параметр — плотность хлебной массы, который может оперативно изменяться и существенно влиять на работу комбайна. Принимаемый объем хлебной массы должен соответствовать оптимальному режиму работы комбайна. Тут существует задача не только контроля, но и управления объемом входного потока хлебной массы.
Планки мотовила (блок 1) захватывают порцию стеблей (хлебную массу) и подводят ее к режущему
аппарату жатки (блок 2). На границе блоков 1 и 2 параметры потока не изменяются. Тут нет информативной точки контроля.
После жатки в хлебной массе изменились параметры: хлебная масса на корню превратилась в срезанную хлебную массу. Тут существует точка контроля, включая потери зерна. Но изменившееся состояние хлебной массы не влияет на другие параметры потока, не требует управления и контроля.
Срезанная масса поступает на шнек. Шнек сдвигает ее к середине и подает к плавающему транспортеру (блок 4). Без изменения параметров хлебная масса поступает в молотильный аппарат (блок 5).
Молотильное устройство (см. рис. 2, барабан 7 и дека 25) отделяет зерно от колоса. Часть зерна и мелкие примеси (полова и сбоины) проходят через отверстия деки и поступают на транспортную доску грохота (см. рис. 3, блок 7). Остальная масса (грубый ворох) направляется на соломотряс (блок 6), где из соломы выделяется свободное зерно, а мелкий ворох (зерно, полова, сбоина) проваливается через отверстия и ссыпается на транспортную доску (блок 7). Соломотряс перемещает солому к выходу — к граблинам соломонабивате-ля. Граблины продвигают солому в камеру полово-соломокопнителя (блок 9). Когда камера наполняется соломой до верхнего уровня, граблины под-прессовывают массу.
Зерно и полова проходят между пальцами транспортной доски и падают на переднюю часть верхнего жалюзийного решета 19 (см. рис. 2) сепаратора (см. рис. 3, блок 8). Длинные примеси (сбоина), скользя по пальцам решетки транспортной доски, поступают ближе к середине верхнего решета. Легкие примеси выдуваются воздушным потоком от вентилятора, а затем граблинами половонабивателя проталкиваются в камеру полово-соломона-копителя.
Зерно и некоторые примеси обрабатываются на верхнем и нижнем решетах сепаратора, просеиваются и поступают на зерновой шнек и элеватор (блок 10). Зерновой элеватор направляет зерно в бункер (блок 11). При заполнении бункера зерно выгружается в транспортные средства выгрузным шнеком. Крупные примеси (не обмолоченные колосья) идут сходом с жалюзийных решет сепаратора, попадают на нижний колосовой шнек, затем на элеватор и поступают в молотильный аппарат для повторного обмолота.
Рис. 2. Устройство и технологический процесс работы комбайна:
1 — режущий аппарат; 2 — делители; 3 — мотовило; 4 — шнек;
5 — плавающий транспортер; 6 — приемный битер; 7 — барабан;
8 — зерновой бункер; 9, 10, 22 — зерновые шнеки; 11 — отбойный битер; 12 — зерновой элеватор; 13 — двигатель; 14 — соломотряс;
15 — соломонабиватель; 16 — полово-соломокопнитель;
17 — половонабиватель; 18 — колосовой шнек; 19 — верхнее жалюзийное решето; 20 — нижнее жалюзийное решето; 21 — колосовой элеватор;
23 — вентилятор; 24 — транспортная доска; 25 — дека
Хлебная_
масса
Подвод стеблей Скашивание Подача хлебной массы Транспорт хлебной массы Обмолачивание (выделение зерна из колоса)
к режущему аппарату —> хлебной массы —> к наклонной камере —> к молотильному аппарату
Мото-
вило
г 6-------------
Движение грубого вороха, просеева-ние зерна
Соло-
мотряс
Отверстия под барабанья
Жатка
г 7------------
Подача на транспортную доску зернового вороха
■8-
Сепаратор, вентилятор
Шнек
Транс -портер
Молотильный аппарат
Очистка
зернового
вороха
Г- 9------------
Сбор незерновой части (соломы и мякины)
Солома и полова
Копни-
тель
■10-
Движение очищенного зерна в бункер
1-11-
Зерновой шнек и , элеватор;
Накопление
очищенного
зерна
■12-
Перегрузка зерна в транспортные средства
Зерно
Бункер
Выгрузной шнек
Рис. 3. Прохождение основного материального потока комбайна через его рабочие органы:
1-12 — блоки
а
в
а
в
Понятно, чтобы описать и составить структуру технологии по рис. 3, необходимо знать устройство и работу комбайна.
Рассмотрим теперь контроль параметров потоков, начиная с молотильного аппарата (рис. 4). На вход молотильного аппарата (точка А) поступает хлебная масса объемом дм. На выходе молотильного аппарата (точка В) возникают два потока: грубый дс и зерновой дз ворохи с соответствующими параметрами. Точка В и все пространство АВ являются информативными. К информативным параметрам относятся количественные параметры и состав фракций.
Поскольку основная функция молотильного аппарата — отделение зерна, значимыми параметрами считают количество зерна, оставшегося в грубом ворохе, чистоту зернового вороха, количество поврежденного зерна.
Заметим, что, если известна зависимость выходных параметров от входных и параметров молотильного аппарата, то информативность точки В и пространства АВ пропадает, так как выходные параметры определяют аналитически.
Процесс отделения зерна от грубого вороха продол-
жается на соломотрясе. Следовательно, все пространство АЕ от начала молотильного аппарата до конца соломотряса является информативным, если отсутствует описание кривых дз выделения зерна.
Итоговыми точками контроля считают точки С и Г входов потоков в накопители. Кроме количественных параметров, информативными параметрами являются потери зерна в соломе, травмирован-ность зерна и наличие примесей в зерновом потоке.
Рис. 4. Изменение параметров потоков на технологическом участке:
молотильный аппарат ^ транспортная доска ^ сепаратор
Конкретная система контроля указанных параметров в рассмотренных информативных точках определяется наличием соответствующих датчиков и конструкцией механизмов комбайна.
К оперативным параметрам контроля относятся также наполнение бункера зерном и камеры по-лово-соломокопнителя.
Рассмотрим теперь, какие из полученных параметров необходимы для управления в режимах перед началом уборки и в процессе уборки урожая. Для этого необходимо, зная конструкцию комбайна, определить, что настраивают перед началом работы и чем управляют при работе.
Настройке (выбору) подлежат ширина захвата, высота среза, скорость вращения мотовила, молотильного барабана, решет и т. д. Для настройки необходимо знать состояние хлебного поля, погодные условия, параметры комбайна. Кроме параметров потоков в систему контроля входят параметры механизмов и агрегатов комбайна, которые требуют настройки, регулирования и подвержены изнашиванию (технические параметры).
Аналогично анализируя работу любой технической системы, можно определить точки и параметры контроля, а при рассмотрении систем управления отобрать информативные параметры, необходимые для управления.
Рассмотренный пример демонстрирует реализацию аналитического подхода к нахождению параметров и объемов контроля технологических процессов производства. Следует отметить, что указанный подход интуитивно используется при выполнении опытов.
Список литературы
1. Жалнин Э.В. Расчет основных параметров зерноуборочных комбайнов. — М.: ВИМ, 2001. — 105 с.
2. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. — М.: Колос, 1980. — 671 с.
3. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Г.Е. Листопад, Г.К. Демидов, Б.Д. Зотов и др. Под общ. ред. Г.Е. Листопада. — М.: Агропромиздат, 1996. — 688 с.
4. Сергованцев В.Т. Системный подход к автоматизации производственных объектов // Вестник МГАУ «Электротехнологии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства». — 2005. — № 3(13). — С. 10-14.
УДК 631.3.004.5; 631.171:658.62.018.012
А.В. Кравцов, канд. техн. наук, профессор О.С. Симохин, аспирант
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
комплексное влияние показателей качества напряжения на энергию, поставляемую сельским потребителям
В сложившихся на сегодняшний день социальных и экономических условиях в России увеличение эффективности сельскохозяйственного производства нужно связывать с применением качественно новых подходов как на уровне управления деятельностью, так и при выполнении конкретных задач. При этом должны быть использованы существующие инструменты и средства: автоматизированные системы управления процессами, разработанные технические средства и системы, современные информационные возможности. Также необходимо обеспечивать соответствующий уровень комфорта для работы и быта кадров сельскохозяйственной отрасли.
Условия ограничения потребления товливно-энергетических ресурсов в пределах страны подразумевают экономное, а главное, эффективное использование энергии, и, в первую очередь, электроэнергии. В то же время для повышения эффективности электропотребления [4] и с учетом требо-
22
ваний электромагнитной совместимости различных технических средств и предполагаемого использования высокотехнологичного оборудования необходимо обеспечение соответствующего качества электроэнергии.
Качество электроэнергии на территории России и союзных государств определено ГОСТ 13109-97 [2]. В стандарте искажения питающего напряжения рассмотрены по отношению к перечню показателей качества электроэнергии (ПКЭ) (табл.).
Существующая сегодня ситуация в сельском хозяйстве характеризуется недопустимыми параметрами качества электроэнергии. Так, у 35 % сельскохозяйственных потребителей не обеспечивается напряжение, падающее вечерами до 190...200 В, а несимметрия по фазам в сетях 0,4 кВ достигает 50 % [7]. Кроме того, надежность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей составляет 70.100 ч отключений в год (для сравнения: в странах Европы — 7.10 ч/год).
