ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ИСХОДНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ НА КОМПЛЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ

ХОЗЯЙСТВЕ

УДК 681.5:631.22:628.8

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ИСХОДНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ НА КОМПЛЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ

12 2 2 Д.А. Тихомиров ' , Р. А. Баклачян , Ю.Н. Добровольский

1ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия 2ФГБОУ ВО МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина

Аннотация. В статье обоснована актуальность разработки отечественной системы управления микроклиматом на объектах животноводства, адаптированной к климатическим условиям России. Предложена структурная схема управления микроклиматом с применением энергосберегающего теплоэнергетического оборудования на примере свинарника. Разработана функциональная схема управления микроклиматом с применением микроконтроллеров и средств автоматизации отечественного производства (ООО «Овен»). Представлен состав базового комплекта управления микроклиматом животноводческого помещения. Разработаны и представлены в краткой форме исходные требования на разработку комплекта автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении на примере свинарника.

Предварительное технико-экономическое обоснование показало, что внедрение автоматических систем управления микроклиматом с применением энергосберегающего теплоэнергетического оборудования обеспечит снижение энергозатрат до 30% по сравнению с традиционными автоматизированными системами на животноводческих объектах, применяемые в настоящее время.

Ключевые слова: автоматическое управление микроклиматом, животноводческие помещения, энергосбережение, теплоэнергетическое оборудование

Введение. Тепловые потери в системах теплообеспечения животноводческих объектов достигают 35-40%. Поддержание заданных параметров микроклимата в животноводческих помещениях с высокой степенью точности обеспечивает снижение тепловых потерь, способствует росту продуктивности и уменьшению заболеваемости животных, позволяет полностью реализовать их генетический потенциал [1]. Поставленные задачи позволяют решить автоматизированная система управления (АСУ) микроклиматом, адаптированная для работы в условиях сельхозпроизводства [2-4].

К наиболее передовым разработчикам систем управления микроклиматом в сельскохозяйственном производстве следует отнести испанскую фирму "ЕХАБА№' и немецкую "21ЕНЬ-АБЕОО". "ЕХАБАМ" - ведущий производитель оборудования для птицеводческих и свиноводческих хозяйств [5]. Немецкие контроллеры Асоп1хо1 РТЕ-6AHQ / PTE-10AHQ, СТЕ предназначены для регулирования систем вентиляции, используемых в сельском хозяйстве [6]. Кроме высокой стоимости таких зарубежных систем необходимо отметить и ограничение по их использованию в системах вентиляции

7

и климат-контроля, связанные с климатическими условиям России, где большое значение уделяется тепловым процессам.

Поэтому отличительными показателями отечественной системы управления должны быть следующие: универсальность - возможность внедрения в существующие комплексы; возможность подключения дискретных групп вентиляции при значительном увеличении температуры; возможность управления системой в ручном режиме; должна быть реализована реакция системы на пропадание питания (приточный и вытяжной клапан откроются с учетом наружной температуры воздуха); возможность объединения всех блоков в единую диспетчерскую сеть; адаптация к современному энергосберегающему теплоэнергетическому оборудованию.

В этой связи и при реализации принципа импортозамещения разработка функциональной схемы и исходных требований на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении является актуальной задачей.

Материалы и методы исследования

В результате проведенного анализа технологических схем и систем управления микроклиматом в животноводческих помещениях [7] разработана структурная схема управления микроклиматом (на примере свинарника) с применением энергосберегающего оборудования (рисунок 1).

Основное микроклиматическое оборудование содержит охладитель-осушитель воздуха (включая термоэлектрический осушитель) [8]; ИК- облучатели типа ЛЭО [9], обеспечивающие равномерный тепловой поток в зону расположения поросят; напольный обогреватель термоэлектрический; электрический водонагреватель воды для поения животных [10]; вытяжные вентиляторы с плавным регулированием воздухопроизводительности; управляемые клапаны приточного воздуха; теплоутилизатор модульного типа с рекуператором теплоты вентиляционного воздуха, рециркуляцией и озонированием воздуха [11], обеспечивающий снижение энергозатрат до 50%.

Основным назначением разрабатываемого комплекта автоматики является автоматизация управления микроклиматом в помещении свинокомплекса с применением современных энергоэффективных технических средств.

силовые линии;

- слаботочные линии;

-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.- линии связи, передачи информации ДТ1.. .ДТ4 - датчики температуры внутри помещения; ДТн - датчик температуры наружного воздуха внутри помещения; ДД - датчик давления; ДВл - датчик влажности; ДТв - датчик температуры воды в автопоилках; ДМИ3 - датчик содержания аммиака в воздухе; ДСО2 - датчик содержания углекислого газа в воздухе; ДО3 - датчик содержания озона в воздухе; БУМ - блок управления микроклиматом; БС - блок силовой; БР - блок расширения; БПД - блок передачи данных; БЗД - блок защиты электродвигателе; БУС -блок управления сервоприводом лебедки клапана; ЛК - клапаны приточного воздуха;

ИБП - источник бесперебойного питания Рисунок 1 - Структурная схема управления микроклиматом на примере свинарника

На рисунке 2 представлена, разработанная совместно с ООО "Производственное Объединение Овен", функциональная схема управления микроклиматом в животноводческом помещении с применением микроконтроллеров и средств автоматизации отечественного производства.

и X X га а ^ 11 и л

о

т £ ч ч;

О. о (Е и5 О гН -е- "в" 1Н

£ гм го

Ф Ф к О. О а. о а. о

С ч

>- О и > е X 1' со X а X 11 ей

X

С £ гл го

СО со £0

о. О о О

£= гм гм ГМ

г *

Л О-X ?

5 га £ ф о 1=

^ "О

Рисунок 2 - Функциональная схема автоматического управления микроклиматом в

животноводческом помещении

Базовый комплект управления микроклиматом животноводческого помещения на примере свинарника содержит: - блок управления микроклиматом (БУМ) свинокомплекса - 1 шт.;

- блок охлаждения (БО) - 1 шт.;

- блок расширения 20А (БР20) - 2 шт.;

- блок защиты вентиляторов БЗВ - количество и мощность зависит от количества и мощности подключаемых вентиляторов;

- силовой блок - 2 шт.

Модуль управления реализует следующие функции:

- выполнение пользовательских алгоритмов для поддержания микроклимата свинокомплекса;

- ввод уставок в контроллер через кнопки, расположенные на панели;

- отображение данных на ЖКИ контроллера в символьном виде;

- ведение логов (таблиц) аварийных ситуаций на внутреннюю память контроллера;

- отображение логов (таблиц) аварийных ситуаций на ЖКИ контроллера в символьном виде.

Объект управления (ОУ) включает в себя основное микроклиматическое оборудование и датчики. В состав теплоэнергетического оборудования по обеспечению заданного микроклимата входят: охладитель-осушитель воздуха (включая термоэлектрический осушитель); ИК- облучатели типа ЛЭО [12], обеспечивающие равномерный тепловой поток в зону расположения поросят; напольный обогреватель термоэлектрический; электрический водонагреватель воды для поения животных ЭВН-М [13]; вытяжные вентиляторы с плавным регулированием воздухопроизводительности; управляемые клапаны приточного воздуха; теплоутилизатор модульного типа ВОУ-1500 с рекуператором теплоты вентиляционного воздуха, рециркуляцией и озонированием воздуха [14]. Исполнительные механизмы: лебедка воздушных клапанов; заслонка для вентиляторов (до 10 шт.); группа вентиляторов с плавным регулированием. Двигатели вентиляторов 220 В (до 10 шт., номинальный ток не более 28 А).

Система управления отоплением обеспечивает плавное и дискретное управление теплоэнергетическим оборудованием.

К установкам плавного обогрева следует отнести нагревательные напольные панели на базе термоэлектрических модулей, мощностью 110-150 Вт; электрокалориферы теплоутилизаторов (управляющий сигнал 0-10 В терморегулятора). К установкам дискретного обогрева: ИК- обогреватели типа ЛЭО (ток не более 20 А); группа вентиляторов приточно-вытяжной вентиляции теплоутилизаторов с дискретным управлением. Двигатели вентиляторов (ток не более 3 А).

Сигнализацией аварийной ситуации служит сигнал «авария» (сухой контакт).

Для контроля состояния параметров микроклимата в свинарнике используются следующие датчики:

- датчик температуры наружного воздуха (4.20 мА);

- датчики температуры воздуха в помещении (4.20 мА);

- датчик температуры воздуха в станке (логове) (4.20 мА);

- датчик давления разрежения (4.20 мА);

- датчик концентрации озона О3 в помещении (4.20 мА);

- датчик концентрации аммиака КН3 в помещении (4.20 мА);

- датчик содержания углекислого газа СО2 в воздухе (4.20 мА);

11

- датчик влажности воздуха внутри помещения (4.20 мА);

- датчик температуры воды в автопоилках (4.20 мА);

- охладитель и осушитель воздуха в помещении (сухой контакт).

Блок управления микроклиматом (БУМ) содержит модуль визуализации, модуль управления, блок питания датчиков, блок питания исполнительных устройств, модуль управления вентиляторами (рисунок 3).

Основной задачей модуля управления является расчет управляющего воздействия на исполнительные механизмы и нагревательные элементы системы управления микроклиматом свинокомплекса. Сигнал управления лебедкой задает требуемое положение исполнительного механизма. Контроллер должен формировать сигнал управления лебедкой по двум параметрам: 1) текущая мощность работы вентилятора; 2) перепад давления воздуха в системе вентиляции. Пропорционально увеличению скорости вращения вентилятора, должна открываться лебедка, повышая пропускную способность окна. Также должно производиться открытие лебедки пропорционально росту значения перепада давления в системе вентиляции.

Сигнал управления «плавными» вентиляторами должен формироваться по ПИД-закону регулирования, в зависимости от текущей температуры в помещении свинокомплекса. В соответствии с технологическими требованиями минимальная скорость вращения вентиляторов должна быть ограничена на уровне 20 %.

Сигнал управления заслонками вентиляторов должен соответствовать сигналу управления «плавными» вентиляторами.

При поступлении сигнала «Высокая влажность» от блока охлаждения (БО) контроллер производит увеличение текущей скорости вращения вентиляторов для увеличения воздухообмена через помещение свинокомплекса и отвода избыточной влаги.

Контроллер должен производить управление «плавным» нагревом приточного воздуха в пиковом электрическом подогревателе по пропорциональному (или ПИД) закону регулирования в соответствии с рассогласованием текущей температуры приточного воздуха после теплообмена в теплоутилизаторе и заданной температурой.

Дискретный сигнал управления локальными обогревателями молодняка животных в станке (логове) должен формироваться двухпозиционным регулятором (Вкл/Выкл) с гистерезисом при переключении, в зависимости от температуры в станке и заданной.

Сигнал включения дискретной группы вентиляторов должен формировать каскадный регулятор в случае недостаточной мощности «плавной» группы вентиляторов.

Сигнал «Авария» должен обеспечить сигнализацию аварийного режима работы системы.

Дополнительные функции:

Меню контроллера ПЛК73 (ООО «Овен») [15] должно обеспечить ввод технологических параметров и уставок системы управления, а также отображение показаний датчиков системы.

3 £ ¥ о £

и*| £ м =Г ^Г 1С _

!

и I ,

и I .

I

о <

9 *

I = £ я -

1г "

ей 1й сО

= ЕС

и ей

Е с

-

—

ш <

> V

ш 41 щ <11 си

п О л а О

т т Т т т

! 1 1 1 т

О о и О о

1- 1- н-

- - - >

¥ ¥ ¥ *

си си СИ си СИ

^ > > >

и и и О о

С. й. а.

1_ 1_ и

си си С11 си СИ

- Т ^

щ О.' и 41 41

а_

о

I 5

£ 5

I *

| £

с

л ^

& I

гт Ф

О -

П II Л Л И

£ 2 £ Я

3:

< < < < <

^ М Л гч ^

5

I 1 !

6 "5

5

Е

а

з а .

и 17

I ^

Рисунок 3 - Функциональная схема блока управления микроклиматом в животноводческом помещении (на примере свинарника) Алгоритм работы должен предусматривать ручной режим управления исполнительными органами и нагревательными элементами через меню контроллера.

Должна быть предусмотрена функция объединения нескольких шкафов БВ8А по сети RS-485 с целью обмена данными.

Также необходимо предусмотреть передачу показаний датчика температуры

наружного воздуха по сети RS-485, при использовании одного датчика на несколько комплектов автоматики.

Все технологические параметры и уставки, а также показания датчиков системы должны быть доступны для отображения и редактирования в модуле визуализации. Связь с модулем визуализации должна осуществляется по сети RS485. Также должна обеспечивается возможность ручного управления системой посредством модуля визуализации.

БУМ обеспечивает автоматический, ручной и аварийный режимы работы.

Автоматический режим работы обеспечивает:

- плавное регулирование группы вентиляции до 8 А;

- включение/выключение дополнительной дискретной группы вентиляции;

- измерение и индикацию температуры наружного воздуха;

- измерение и индикацию температуры воздуха в помещении;

- измерение и индикацию температуры воздуха в зоне локального обогрева молодняка животных;

- измерение и индикацию влажности воздуха в помещении;

- измерение и индикацию перепада давления воздуха в помещении;

- получение сигнала от системы пожарной сигнализации;

- получение сигнала от датчиков в случае превышения ПДК содержания вредных газов (ЫНз, 03) в воздухе, а также повышенной влажности воздуха в помещении;

- задание необходимой температуры воздуха в помещении;

- задание необходимой температуры воздуха в зоне локального обогрева молодняка животных;- задание необходимой влажности воздуха в помещении;

- задание минимальной скорости вращения вентиляторов;

- определение необходимых управляющих воздействий на объект с целью поддержания заданных параметров микроклимата;

- выдачу управляющего сигнала для блока расширения вентиляции БР;

- выдачу управляющего сигнала для блока расширения напольного обогрева / ИК-облучения БР или контроллера системы управления отоплением;

- выдачу управляющего сигнала для регулирования угла открытия заслонок воздуховодов (управление сервоприводами);

- выдачу управляющего сигнала для регулирования угла открытия клапанов подачи воздуха (управление лебедкой);

- выдачу управляющего сигнала для пуска вентиляционно-отопительных установок на базе теплоутилизатора;

- выдачу управляющего сигнала для включения/выключения системы локального обогрева;

- выдачу управляющего сигнала для включения/выключения системы осушения и охлаждения воздуха;

- выдачу сигнала «Авария».

Ручной режим:

- ручное управление величиной открытия лебедки;

- ручное управление величиной открытия заслонки вентиляторов;

- ручное управление скоростью вентиляторов;

- ручное управление мощностью отопительной системы: включение встроенных в теплоутилизаторы электрокалориферов; локальный ИК обогрев молодняка животных.

Аварийный режим:

- вывод вентиляторов на 100% мощность;

- открытие заслонок на 100%;

- открытие приточных клапанов на 100%.

Управление микроклиматом через облачный сервис Owen Cloud позволяет удаленно контролировать параметры микроклимата свинофермы на смартфоне [16]. В случае нештатной ситуации сервис отправит на телефон СМС-оповещение.

Разработанная совместно с ООО «ОВЕН» функциональная схема и исходные требования на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении на примере свинарника служит основой для разработки адаптированного микроконтроллера и комплектации интеллектуальной системы управления отечественными приборами и элементами.

Вывод

Разработанная совместно с ООО «ОВЕН» функциональная схема и исходные требования на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении на примере свинарника служит основой для разработки адаптированного микроконтроллера и комплектации интеллектуальной самообучаемой системы управления отечественным энергосберегающим теплоэнергетическим оборудованием. Предварительное технико-экономическое обоснование показало, что внедрение автоматических систем управления микроклиматом обеспечит снижение энергозатрат до 30% по сравнению с традиционным автоматизированными системами обеспечения микроклимата на животноводческих объектах, применяемых в настоящее время.

Список использованных источников:

1. Tikhomirov, Dmitry; Izmailov, Andrey; Lobachevsky, Yakov; Tikhomirov, Anatoly V. Energy Consumption Optimization in Agriculture and Development Perspectives // International journal of energy optimization and engineering (2020) Vol. 9. Issue 4. P. 1-19. DOI: 10.4018/IJEOE.2020100101.

2. Герасимова О.А., Соловьев С.И., Иванов С.В. Автоматизированная система управления микроклиматом в животноводческих помещениях // Вестник ВНИИМЖ-№3(35), 2019

3. Новиков, Н.Н. Решение проблемы микроклимата, автоматизации процессов и теплоснабжения на животноводческих фермах // Вестник ВНИИМЖ. - 2014. -№ 2 (14). -С. 102-111.

4. Игнаткин, И.Ю. Энергоэффективная автоматизированная система микроклимата / И.Ю. Игнаткин, В.В. Кирсанов // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина». - 2016. - №№ 6 (76). - С. 48-51.

5. Exafan - Your Global Partner [Электронный ресурс] / URL: https://www.exafan.eom/principal/menu/productos/linea/2.

6. ZIEHL-ABEGG Россия. Техника автоматического регулирования [Электронный ресурс] / URL: https://www.ziehl-abegg.com/ru/ru/mir-produkcii/tekhnika-avtomaticheskogo-regulirovanija/.

7. Тихомиров Д.А. Энергоэффективные электрические средства и системы

15

теплообеспечения технологических процессов в животноводстве // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. -2016. - № 4 (24). - С. 15-23.

8. Tikhomirov, Dmitry A.; Trunov, Stanislav S,; Kuzmichev, Aleksey, V.; Rastimeshin, Sergey A.; Shepovalova, Olga, V. Energy-efficient thermoelectric unit for microclimate control on cattle breeding premises // Energy reports. (2020). Vol. 6. P. 293-305. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.08.052.

9. Tikhomirov, Dmitry A.; Rastimeshin, Sergey A.; Trunov, Stanislav S.; Ukhanova, Victoria Yu.; Kuzmichev, Alexey, V. Mathematical Modelling and Energy Accounting of Heaters for Growing Stock // HELIX. 2020. Vol. 10. Issue 4. P.13-20. DOI: 10.29042/2020-104-13-20.

10. Тихомиров Д.А., Копылов С.И. Энергоэффективная электроустановка для горячего паро-и водообеспечения сельхозпредприятий // Электротехника. - 2018.- № 7. -С. 33-37.

11. Tikhomirov, Dmitry; Vasilyev, Alexey N.; Budnikov, Dmitry A, Vasilyev, Alexey A. Energy-saving automated system for microclimate in agricultural premises with utilization of ventilation air // Wireless networks. (2020). Vol. 26. Issue 7. P. 4921-4928. DOI: 10.1007/s11276-019-01946-3.

12. Тихомиров Д.А. Электрические ИК-обогреватели: состояние и перспективы инновационного развития // Техника и оборудование для села. 2017. № 1. С. 2-7.

13. Тихомиров Д.А. Энергосберегающая система горячего паро-и водообеспечения животноводческих объектов // Техника и оборудование для села. 2013. № 10. С. 14-15.

14 Расстригин В.Н., Тихомиров А.В., Тихомиров Д.А., Першин А.Ф. Методика расчета энергосберегающей системы микроклимата с электротеплоутилизатором и озонатором // Техника в сельском хозяйстве. 2006. № 2. С. 19-23.

15. Контрольно-измерительные приборы ОВЕН: датчики, контроллеры, регуляторы, измерители, блоки питания и терморегуляторы [Электронный ресурс] / URL: https://owen.ru/ (дата обращения 15.01.2021)

16. Воронин Д. Готовые решения для управления микроклиматом в свиноводческих комплексах // Автоматизация и производство. - №1, - 2020 (50). - С. 4-7.

Тихомиров Дмитрий Анатольевич, д.т.н., главный научный сотрудник ФГБНУ ФНАЦВИМ; профессор на кафедре частная зоотехния ФГБОУВО МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии - МВА имени К.И. Скрябина»), tihda@mail.ru Баклачян Рубик Атабекович, к.т.н., доцент на кафедре частная зоотехния ФГБОУ

ВО МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина, pmr3@yandex.ru Добровольский Юрий Николаевич, к.с-х.н., доцент на кафедре частная зоотехния ФГБОУ ВО МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина, pmr3@yandex.ru

FUNCTIONAL DIAGRAM AND INITIAL REQUIREMENTS FOR A SET OF AUTOMATIC CLIMATE CONTROL IN A LIVESTOCK ROOM

Abstract. The article substantiates the relevance of developing a domestic microclimate management system at livestock facilities adapted to the climatic conditions of Russia. A structural scheme of microclimate control using energy-saving heat and power equipment is proposed on the example of a pigsty. A functional scheme for controlling the microclimate using microcontrollers and automation tools of domestic production (LLC "Owen") has been developed. The composition of the basic complex for managing the microclimate of livestock premises is presented. The initial requirements for the development of a complex of automatic control of the microclimate in a livestock house on the example of a pigsty are developed and presented in a brief form.

The preliminary feasibility study showed that the introduction of automatic climate control systems with the use of energy-saving heat and power equipment will reduce energy costs by up to 30% compared to traditional automated systems at livestock facilities that are currently used.

Keywords: automatic climate control, livestock facilities, energy saving, heat and power equipment

D. A. Tikhomirov12, Dr. tech. sci., R. A. Baklachyan2, Cand. tech. sci., Yu. N. Dobrovolsky2,

Cand. agr. sci.

1 - Federal Scientific Agroengineering Centre VIM, Moscow, Russia, 2 - Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin,

Moscow, Russia