CC BY
47
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19. Вып. 4 (101)_
УДК 636.083 62-523 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10218
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
МИКРОКЛИМАТА КОРОВНИКА
С.В. Вторый, канд. техн. наук; Р.М. Ильин
В.Ф. Вторый, д-р техн. наук;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Управление микроклиматом, в частности созданием комфортных условий для крупного рогатого скота, в настоящее время невозможно без автоматизированных систем. Они позволят организовать в оптимальном режиме работу всего оборудования, вовлеченного в процесс при значительном снижении энергоресурсов, эксплуатационных расходов и трудозатрат. Для контроля параметров микроклимата в локальных точках изготовлена лабораторная мобильная установка, которая состоит из тележки-носителя с блоком регистрации параметров микроклимата, перемещающегося по монорельсу. Целью исследования является уточнение параметров и режимов работы мобильной автоматизированной системы контроля с блоком регистрации. Все нормируемые микроклиматические факторы в помещении распределяются неравномерно по площади: в одной части коровника их значение может соответствовать нормативам, а в другой значительно превышать максимально допустимый зоотехнический показатель. Перепад значений по температуре в 4 зонах коровника составил до +4,6°С, относительной влажности до 15,1%, концентрации углекислого газа более 350 ppm в течение суток с интервалом в 6 часов между замерами. Первичные исследования мобильной системы показали, что скорость 0,20 м/с будет достаточна для режима перемещения вдоль коровника, при этом мощность на привод составит 20 Вт.
Ключевые слова: коровник, микроклимат, система мониторинга, блок регистрации, температура, относительная влажность.
Для цитирования: Вторый В.Ф., Вторый С.В., Ильин Р.М. Автоматизированная мобильная система для контроля параметров микроклимата коровника // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 4 (101). С 114-120.
AUTOMATED MOBILE SYSTEM FOR COW BARN MICROCLIMATE
PARAMETER CHECKOUT
S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering); R.M. Ilin
V.F. Vtoryi, DSc (Engineering);
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Inside climate control, the creation of comfortable conditions for cattle, in particular, is currently impossible without the automated systems. They will make it possible to optimally operate all the equipment involved in the process with a significant reduction in energy resources, operating and labor inputs. A mobile laboratory setup was designed to check out the microclimate parameters at local points. It consisted of a
114
carrier trolley moving along a monorail with a recording unit of microclimate variables. The study objective was a closer definition of the parameters and operating modes of a mobile automated control system with a registration unit. Usually, all regulated inside climate parameters are distributed unevenly across the cow barn area: in one part of the barn they are in line with the standards, and in another - they can significantly exceed the maximum permissible zoo-technical indicator. The temperature difference in the four zones of the barn amounted to + 4.6 ° C, relative humidity - up to 15.1%, carbon dioxide concentration - of above 350 ppm during the day, with the measurement interval being 6 hours. Initial studies of the mobile system showed that speed of 0.20 m/s would be enough for the travelling across the barn, with the drive power being 20 watts.
Key words: cow barn, microclimate, monitoring system, registration unit, temperature, relative humidity.
For citation: Vtoryi S.V., Vtoryi V.F., Ilin R.M. Automated mobile system for cow barn microclimate parameter checkout. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 4(101): 114-120. (In Russian)
Введение
Управление микроклиматом, в частности, созданием комфортных условий для крупного рогатого скота, в настоящее время невозможно без автоматизированных систем. Они позволят организовать в оптимальном режиме работу всего оборудования, вовлеченного в процесс при значительном снижении энергоресурсов, эксплуатационных расходов и трудозатрат. Существующие в России и за рубежом разработки охватывают в процессе контроля и управления, не все возможные параметры внутренней и внешней среды коровника и технологическое оборудование,
участвующее в процессе формирования микроклимата. Анализ таких разработок показывает необходимость
совершенствования и разработки новых систем [1,2,3].
Температурно-влажностные режимы коровника - сложные процессы, находящиеся в постоянной динамике и меняющиеся под действием погодных явлений, технологии содержания и обслуживания крупного рогатого скота. Одна из задач разработки современных систем - это исключение участия человека в процессе измерения и управления
температурно-влажностными режимами коровника.
Основными нормируемыми
внутренними факторами являются температура, относительная влажность, скорость движения воздуха, концентрации газов (аммиака, сероводорода, углекислого газа), а так же освещенность и содержание пыли в воздухе помещения. Алгоритмы системы управления должны четко реагировать на изменения этих внутренних факторов в помещении, а процессы интеллектуализации должны просчитывать варианты этих изменений в соответствии с воздействием внешних факторов (погодных явлений и пр.), а так же предупреждать о возможных нарушениях режимов работы оборудования [1,2].
Целью данного исследования является уточнение параметров и режимов работы мобильной автоматизированной системы контроля с блоком регистрации. Материалы и методы
Для контроля параметров микроклимата в локальных точках нами предлагается мобильная система мониторинга [4], схема которой представлена на рисунке 1. Она состоит из тележки-носителя 1 с блоком регистрации параметров микроклимата 2 перемещающегося по монорельсу 3.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19. Вып. 4 (101)
Отличительной особенность системы является то, что она позволяет исключить использование проводов для получения показаний микроклимата в заданных точках коровника при использовании одного комплекта датчиков [1].
Рис. 1 Схема автоматизированной мобильной системы для контроля параметров микроклимата коровника: 1 - тележка-носитель; 2 - блок регистрации параметров микроклимата; 3 - монорельс; 4 - передатчик данных; 5 - узел зарядки; 6 - приёмник данных; 7 - система управления микроклиматом; 8 - панель оператора; 9 - исполнительные механизмы системы микроклимата; 10 - пост зарядки аккумуляторов.
Принцип работы такой системы заключается в следующем. Тележка-носитель 1 перемещается по монорельсу 3, и в местах, определённых программой для измерения параметров, происходит остановка. Далее следует выдержка по времени, необходимая для подготовки датчиков блока регистрации 2, это время определяется в соответствии с техническими параметрами датчиков. После выдержки осуществляется поочередный опрос каждого датчика с периодичностью, установленной программно. Полученные данные формируются в массив и передатчиком 4 передаются на приёмник данных 5 и далее в систему управления микроклиматом 7, в которой обрабатываются и формируются команды для исполнительных механизмов 9. В режиме реального времени необходимая информация отображается на панели
оператора 8. При недостаточном заряде аккумулятора, тележка следует в точку подзарядки батареи, где через узел зарядки 5 соединяется с постом зарядки 10.
Для уточнения технических и технологических характеристик изготовлена лабораторная установка (рис. 2), она включает в себя монорельс 2 и тележку носитель 1 с блоком регистрации 4. Монорельс 2 представляет собой стальную трубу диаметром 21,5 мм и общей длинной 4,5 м, который крепится на промежуточные опоры.
Привод тележки осуществляется от мотора-редуктора 3 с напряжением питания 12 В, выходной мощностью 25-30 Вт, при номинальной скорости вращения выходного вала 65 об/мин.
Рис. 2 Общий вид устройства контроля параметров микроклимата в лаборатории
1 - тележка-носитель; 2 - монорельс; 3 - мотор-редуктор; 4 - блок регистрации; 5 - блок управления приводом с аккумуляторами.
Экспериментальный блок регистрации представлен в виде двух датчиков: АМ2320 температура (от -40 до +80°С) и относительная влажность (от 0 до 100%) и сенсора углекислого газа МН-214а (от 0 до 5000 ррт), а так же регистратора-архиватора на основе микроконтроллера ЛШе1 328. Устройство работает по программе, написанной на платформе Лгёшпо. Полученные данные сохраняются на ББ карту. Питание блоков регистрации и перемещения осуществляется от общего источника постоянного тока 12 В [5]. Результаты и обсуждение
Важно отметить, что все нормируемые факторы в помещении распределяются неравномерно по площади, в одной части коровника их значение может соответствовать нормативам, а в другой значительно превышать максимально допустимое значение. Пример
распределения значений температуры, относительной влажности и содержания углекислого газа показан на рисунках 3-5. Данные получены экспериментально в коровнике, условно разделенном на 4 зоны, в которых круглосуточно производился мониторинг параметров микроклимата с использованием блока регистрации 4 рисунок 2.
1234 1234 1234 1234 1234
Зоны замера
Рис. 3 Результаты исследования температуры е коровнике е течение суток
1234 1234 1234 1234 1234
Зоны замера
Рис. 4 Результаты исследования относительной влажности в коровнике в
течение суток
Зоны замера
Рис. 5 Результаты исследования концентрации углекислого газа в коровнике в течение суток
На рисунке 3 представлены значения температуры внутреннего воздуха в 4 зонах коровника за сутки с интервалом в шесть часов. Перепад значений по зонам замера внутри коровника составила до +4,6°С.
На рисунке 4 представлены результаты замеров значений относительной влажности в коровнике, которая изменялась за весь период наблюдения в пределах от 45,9% до 100%, при норме 40-75% [6,7].
Стоит отметить, что температуру воздуха и относительную влажность внутри помещения нужно рассматривать совместно, при разработке систем контроля и управления микроклиматом потому, что при росте относительной влажности внутри коровника, снижается граница нормального самочувствия животных по температуре внутреннего воздуха. Так, к примеру, при относительной влажности 60% верхнее граничное значение температуры находится на отметке 28°С, а при относительной влажности 80% граничное значение снижается до 23°С [8].
Разница концентрации углекислого газа (рис. 5) в разных точках коровника колеблется на 250-400 ррт, при этом за сутки измерений ее предельные значения находились в диапазоне от 399 до 1285 ррт. Повышение содержания углекислого газа в ночное время обусловлено плохой системой вентиляции и прекращению циркуляции воздуха через ворота и окна коровника, которые в дневное время открыты.
Управлять параметрами микроклимата возможно путем организации циркуляции воздушных потоков, при этом необходимо применять рациональное использование вентиляторов и отопительных приборов. Необходимо использование локальных точек управления, а именно контролировать микроклимат только в той точке, где есть отклонение от нормы, что позволит снизить установленную мощность оборудования и
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
__ИЛЭП. 19. Вып. 4 (101)
количество расходуемой энергии на процессы [3,9].
Для написания программы управления, на основе ранее разработанного алгоритма [10], необходимо провести лабораторные исследования с целью уточнения
параметров и режимов мобильной системы с блоком регистрации: емкость
аккумуляторной батареи, минимальный заряд батареи, мощность электродвигателя по прямой и на подъем, максимальные углы наклона монорельса, оптимальную скорость движения, а так же, установить среднее расстояние между точками замера, выдержку времени, необходимую для подготовки датчиков, время на один замер и количество замеров в одной точке.
Первичные эксперименты показали, что при массе тележки-носителя с блоком регистрации 3,12-4,92 кг, угле наклона монорельса 00 и заряде аккумулятора 11,512,5 В, скорость тележки находится в диапазоне 0,190-0,213 м/с (рисунок 6). При этом мощность на привод во время движения составила от 18 до 21 Вт.
0,213 0,212
•V/021
Ы//
0,194 ySyS У/ 3,2
0.192
11,5 12 12,5
Напряжение, в —♦—3,124 кг —■—4,012 кг -±-4,928 KP
Рис. 6 Влияние массы устройства и напряжения заряда аккумулятора на скорость движения
При средней скорости 0,2 м/с устройство преодолеет ряд стоил для содержания 50 коров привязного содержания длиной в 60 метров (ширина стойла 1,2 метра) за 5 минут, что на наш взгляд более чем достаточно. Так же необходимо отметить значительное колебание массы устройства, мобильной системы с блоком регистрации,
связанный с использованием комплекта из 3-х аккумуляторов емкостью по 2,2 А ч и массой 0,91 кг каждый.
Рассматривая более широко данную систему можно сказать, что это
перспективная платформа для создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами в коровнике. При эксплуатации ее в животноводческом помещении она могла бы взять на себя дополнительно такие функции как: безопасность (видеонаблюдение), контроль уровня освещенности помещения (люксметр), диагностика физиологического состояния животных (инфракрасный термометр), контроль качества кормления (слежение за кормовым столом), уборки навоза (уровень загрязнения стойл и навозных каналов) и многое другое [10,11]. Выводы
1. Все нормируемые микроклиматические параметры в помещении распределяются неравномерно по площади, в одной части коровника их значение может соответствовать нормативам, а в другой значительно превышать максимально допустимый зоотехнический показатель. Так перепад значений по температуре в 4 зонах замера коровника, за отдельное измерение, составил до +4,6°С, относительной влажности до 15,1%, концентрации углекислого газа более 350 ррт в течение суток.
2. Первичные исследования мобильной системы показали, что скорость 0,20 м/с будет достаточна для режима перемещения вдоль коровника, при этом мощность на привод составит 20 Вт. Но эти результаты были получены при угле наклона монорельса равному 00, и следующим этапом исследований будет уточнение режимов работы и энергетических параметров мобильной системы при углах наклона монорельса 2,5 и 50.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19. Вып. 4 (101)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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. 212-217.
2. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Ильин Р.М. Цифровые технологии в управлении микроклиматом коровника // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 97. С. 83-92.
3. Эрк А.Ф., Размук В.А.Автоматизированная система стабилизации температуры воздуха в помещении для откорма телят с применением частотных регуляторов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 163-169.
4. Вторый В.Ф и др. Опубл. 10.04.16. Патент №161235 РФ. Устройство контроля параметров микроклимата в помещениях для содержания сельскохозяйственных животных.
5. Ильин Р.М. Графические модели температурно-влажностных режимов животноводческого помещения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2019. №3(56). С. 173-178.
6. Вторый С.В., Ильин Р.М. Влияние внешних погодных условий на
продуктивность коров при привязном содержании// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и
животноводства. 2019. № 99. С. 269-277.
7. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Гордеев В.В., Ланцова Е.О. Микроклимат коровника на 200 голов в зимний период // Вестник ВНИИМЖ. 2017.№4(28). С.99-103.
8. Тимошенко В., Музыка А., Москалев А., Шматко Н. Комфорт коров - залог высокой продуктивности // Животноводство России. 2014. №8. С.39-41.
9. Трунов С.С., Растимешин С.А. Экономия энергии при использовании потолочных вентиляторов в животноводческих помещениях // Вестник ВИЭСХ. 2016. №3(24).С. 35-37.
10. Ильин Р.М., Вторый С.В. Алгоритм функционирования мобильной системы регистрации параметров микроклимата в животноводческом помещении // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3(96). С. 217-224.
11. Эрк А.Ф., Размук В.А., Миронюк А.Н., Тимофеев Е.В. Оценка эффективности использования энергосберегающих ламп для освещения сельскохозяйственных помещений // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. №1(94). С. 35-40.
REFERENCES
1. Ilin R.M., Vtoryi S.V. Obosnovanie parametrov sistemy monitoringa mikroklimata v zhivotnovodcheskikh pomeshcheniyakh
[Substantiation of parameters of climate monitoring system in livestock houses].
Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. N 92. 212-217. (In Russian)
ISSN G131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19. Вып. 4 (101)
2. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ilin R.M. Tsifrovye tekhnologii v upravlenii mikroklimatom korovnika [Digital technologies in the barn inside climate control]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. N 97. 83-92. (In Russian)
3 Erk A.F., Razmuk V.A.Avtomatizirovannaya sistema stabilizatsii temperatury vozdukha v pomeshchenii dlya otkorma telyat s primeneniem chastotnykh regulyatorov [Automated system of air temperature control in the calf fattening house with the use of frequency regulators]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. N 86.163-169. (In Russian)
4 Vtoryi V.F et al. Ustroistvo kontrolya parametrov mikroklimata v pomeshcheniyakh dlya soderzhaniya sel'skokhozyaistvennykh zhivotnykh [Device for microclimate parameters control in farm livestock houses]. Patent RF №161235. 2016. (In Russian)
5 Ilin R.M. Graficheskie modeli temperaturno-vlazhnostnykh rezhimov zhivotnovodcheskogo pomeshcheniya [Graphic models of temperature and humidity regimes of livestock houses]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019. N 3(56). 173-178. (In Russian)
6 Vtoryi S.V., Ilin R.M. Vliyanie vneshnikh pogodnykh uslovii na produktivnost' korov pri privyaznom soderzhanii [Effect of external weather conditions on the cow productivity in tied housing systems]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i
zhivotnovodstva. 2019. N 99. 269-277. (In Russian)
7 Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Gordeev V.V., Lantsova E.O. Mikroklimat korovnika na 200 golov v zimnii period [Microclimate of 200 heads' cowshqd in winter period]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva.. 2017.N 4(28). 99-103. (In Russian)
8 Timoshenko V., Muzyka A., Moskalev A., Shmatko N. Komfort korov - zalog vysokoi produktivnosti [Cow comfort is the key to high productivity]. Zhivotnovodstvo Rossii. 2014. N 8. 39-41. (In Russian)
9 Trunov S.S., Rastimeshin S.A. Ekonomiya energii pri ispol'zovanii potolochnykh ventilyatorov v zhivotnovodcheskikh pomeshcheniyakh [Energy saving when using ceiling fans in livestock buildings]. Vestnik VIESKh. 2016.N 3(24). 35-37. (In Russian)
10 Ilin R.M., Vtoryi S.V. Algoritm funktsionirovaniya mobil'noi sistemy registratsii parametrov mikroklimata v zhivotnovodcheskom pomeshchenii [Operation algorithm of mobile system for indoor climate parameters registration]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. N 96. 217-224. (In Russian)
11 Erk A.F., Razmuk V.A., Mironyuk A.N., Timofeev E.V. Otsenka effektivnosti ispol'zovaniya energosberegayushchikh lamp dlya osveshcheniya sel'skokhozyaistvennykh pomeshchenii [Estimation of energy-saving lamps efficiency used in agricultural premises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. N 94. 35-40. (In Russian)
