CC BY
47
Научная статья УДК 631.7
Механизация и автоматизация процессов в растениеводстве
Сергей Михайлович Корнев, Екатерина Анатольевна Басуматорова
Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
Аннотация. В условиях рыночной экономики в регионах рискованного земледелия сложно подготовить прогноз развития сельскохозяйственного объекта и представить его продукцию укладывающейся в ценовую политику сложившейся конъюнктуры. Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства даёт возможность получения более устойчивых показателей и снижения затрат, связанных с ним, планирования и регулирования стоимости продукции в рамках сложившейся рыночной картины региона. В статье обоснована необходимость внедрения в технологические процессы растениеводства элементов автоматики и машин, выполняющих функции контроля, сигнализации, защиты, регулирования управления. Авторы считают, что в современных условиях механизация и автоматизация сельского хозяйства развиваются по нарастающей: «вверх» - от контроля к регулированию и оптимальному управлению, «вширь» - охватывая всё большее число контролируемых и регулируемых параметров и «в длину» - обеспечивая информационно-консультационное компьютерное обслуживание хозяйств, затем телемеханизацию производства вплоть до создания спутниково-терранавигационных систем.
Ключевые слова: механизация, автоматизация, растениеводство, автоматизированные системы, измерительные приборы.
Для цитирования: Корнев С.М., Басуматорова Е.А. Механизация и автоматизация процессов в растениеводстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 131 - 134.
Original article
Mechanization and automation of processes in crop production
Sergey M. Kornev, Ekaterina A. Basumatorova
Northern Trans-Ural State Agricultural University, Tyumen, Russia
Abstract. In the conditions of a market economy in the regions of risky farming, it is difficult to prepare a forecast for the development of an agricultural facility and present its products that fit into the pricing policy of the current situation. The mechanization and automation of agricultural production makes it possible to obtain more stable indicators and reduce the costs associated with it, planning and regulating the cost of production within the framework of the current market picture of the region. The article substantiates the need to introduce automation elements and machines into technological processes of crop production that perform the functions of control, signaling, protection, control regulation. The authors believe that in modern conditions the mechanization and automation of agriculture are developing incrementally: "up" - from control to regulation and optimal management, "in breadth" - covering an increasing number of controlled and adjustable parameters and "in length" - providing information and consulting computer maintenance of households, then telemechanization of production up to the creation of satellite terra-navigation systems.
Keywords: mechanization, automation, crop production, automated systems, measuring instruments.
For citation: Kornev S.M., Basumatorova E.A. Mechanization and automation of processes in crop production. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1): 131-134. (In Russ.).
Стабильное и успешное развитие всех отраслей современного сельского хозяйства России, тесно связанных с рыночной экономикой и обеспечивающих продовольственную безопасность государства, зависит от многих факторов, в том числе от процессов механизации и автоматизации производства, организации и управления, контроля, прогнозирования продуктивности и т.д. Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства дают возможность получения более устойчивых показателей и снижения затрат, связанных с ним, планирования и регулирования стоимости продукции в рамках сложившейся рыночной картины конкретного региона [1 - 3].
Материал и методы. В регионах рискованного земледелия сложно подготовить прогноз развития сельскохозяйственного объекта и представить его продукцию укладывающейся в ценовую политику сложившейся конъюнктуры.
Во многих хозяйствах для обеспечения слежения за технологическими параметрами используют измерительные приборы - средства измерений, предназначенные для выработки сигнала первичной измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия (визуальной информационной и привлекающей внимание оператора в световой или звуковой форме в экстренных случаях). Пример - термометр, психрометр, люксметр, манометр, газоанализатор и др. Измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации представлен в визуальной форме, называют показывающим измерительным прибором.
Для организации работы автоматизированной системы одними считываниями информации не обойтись, так как необходимо своевременное вмешательство (регулирование), порой оперативное, в технологический процесс. А это возможно
только путём передачи необходимого сигнала на приборы управления.
Самой удобной для передачи на расстояние, трансформации и использования для совершения работы является электрическая форма. Она легко преобразуется в цифровую форму, что даёт практически безграничные возможности по её использованию в системах автоматизации [4, 5]. Поэтому измеренный первичным прибором параметр необходимо преобразовать в электрический сигнал с помощью преобразователя (электроизмерительного) - устройства для преобразования переменной измеряемой величины в постоянный ток, постоянное напряжение или цифровой сигнал для измерительных целей.
Результаты и обсуждение. Первичные измерительные приборы, способные сформировать измеренную физическую величину в электрический сигнал любой формы, называют датчиками. Таким образом, датчик - это измерительный преобразователь: часть измерительного прибора или измерительной цепи, на которую непосредственно воздействует измеряемая величина, и которая служит для преобразования измеряемой величины в сигналы, относящиеся к значению измеряемой величине [6].
На рисунке 1 представлена типовая схема системы регулирования. Имеется сигнал задания Хз, который сравнивается с сигналом на выходе, получаемым с помощью датчика, имеющего передаточную функцию ^ц(р). Ошибка управления подаётся на регулятор, который, в свою очередь, формирует сигнал управления исполнительным узлом, формирующим выходной сигнал У [1].
Таким образом, делаем вывод, что в систему автоматизации входят измерительные приборы и преобразователи как первичные средства измерения, вторичные приборы с возможностями сигнализации, передачи сигнала на приборы регулирования и ввода АВР, предоставления отчётной информации оператору или технологу процесса.
Понятно, что любой сигнал (визуальная информация, электрический (аналоговый, дискретный) или цифровой информационный сигнал) формируется при помощи того или иного физического процесса. Поэтому действия любого первичного средства измерения построены на
Рис. 1 - Типовая схема замкнутой системы регулирования
применении одного или совокупности физических процессов, позволяющих преобразовать их действия в электрический сигнал необходимой формы. В настоящее время используются преобразователи различных видов для формирования цифровых сигналов с возможностью их передачи в интерфейсные сети.
Становится ясно, что для создания какой-либо системы автоматизации необходима её привязка к технологическому процессу (ТП), контролирующему параметры производства растениеводства. Растениеводство не является исключением из правил организации автоматизированной системы управления ТП.
Так как создание условий использования ТП на открытых площадках проблематично из-за большой энергоёмкости по созданию микроклимата, даже в отдельно взятой области, то разумнее всего оградить достаточный участок почвы, частично разорвав его непосредственный контакт с природными катаклизмами, т.е. создав участок закрытого грунта, обеспечив при этом на нём соблюдение технологических параметров, необходимых для роста растений [6].
Вполне понятно, что правильно подобранная система автоматического управления микроклиматом - это одно из важнейших условий, повышающих показатели урожайности. Следовательно, она должна поддерживать не только заданный режим, но и минимизировать энергозатраты на этот процесс.
Традиционно в определение «микроклимат» включается четыре основных показателя: это температура воздуха, его влажность, уровень углекислого газа и количество световой энергии, приходящейся на единицу площади поверхности грунта. Для управления этими параметрами теплицы оборудуются системами управления: отопления, вентиляции, искусственного освещения (приближённого по своим параметрам к естественному), подкормки углекислым газом, контроля влажности [7, 8].
Подбор предлагаемых промышленностью систем управления микроклиматом возможно произвести, используя технические характеристики, представленные производителями. Так, фирмы ООО «Антрел-Автоматизация», ООО «Агро-Итал-Сервис», АО «Схемотехника» предлагают системы автоматического управления микроклиматом малой теплицы, которые измеряют температуру внутреннего и наружного воздуха, почвы, почвы у корня, наличие системы вентиляции и её вид (принудительная/естественная). Ряд систем измеряют давление внутреннего воздуха в теплице (ООО «Антрел-Автоматизация»), влажность внутреннего и наружного воздуха (ООО «Агро-Итал-Сервис», АО «Схемотехника»), уровень содержания кислорода и систему обогащения кислородом (ООО «Антрел-Автоматизация»),
уровень содержания углекислого газа и систему обогащения углекислым газом (ООО «Агро-Итал-Сервис», АО «Схемотехника»), наличие системы орошения и её вид «Искусственный дождь» (ООО «Антрел-Автоматизация») и др. [9].
Функции систем автоматического управления микроклиматом в теплице определяются набором устройств управления (датчики, микроконтроллеры, компьютеры со встроенным и прикладным программным обеспечением вывода и визуализации информации), устройств регулирования (реле, коммутирующее оборудование, электродвигатели, электроклапаны и др.), вспомогательного оборудования (силовые кабели и кабели для цепей управления, монтажные коробки и корпуса, монтажные материалы и т.д.). Стоимость такой системы автоматического управления в первую очередь зависит от набора выполняемых ею функций, показателя «площадь закрытого грунта», влияющего на количество вспомогательного оборудования и устройств регулирования, от обслуживания и ремонта оборудования в процессе эксплуатации в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.
Теплицы со множеством параметров, перекрёстных влияний, распределённые на значительных площадях, с изнашивающимся оборудованием, подверженностью непредсказуемым, а иногда и неизмеряемым, воздействиям относятся к классу сложных, многомерных, распределённых, нелинейных и нестационарных объектов управления. Методы управления должны быть соответствующие: оптимальные - обеспечивающие оптимизацию критерия качества, многосвязные - учитывающие многомерность объекта, динамические - учитывающие протяжённость процессов управления во времени, адаптивные и самообучающиеся - учитывающие нелинейность и изменяемость параметров объекта управления, с обратной связью по управлению и возмущениям [10]. Кроме того, необходимо учитывать надёжность элементной базы и удобство обслуживания при эксплуатации. Таким образом, основываясь на наборе контролируемых параметров, объемных показателях объекта, планируемых затратных показателях энергоресурсов, затрат, связанных с закупкой, монтажом и эксплуатацией оборудования, можно спланировать статью затрат.
Учитывая рыночную потребность и стоимость получаемой продукции, возможно спрогнозировать статью доходов и проанализировать бизнес-проект, отрегулировав его стоимость. При сформировавшейся устойчивой заинтересованности в проведении процесса модернизации и автоматизации крупного тепличного комплекса, целесообразней использовать методику расчёта, применяемую ранее в плановой экономике по ГОСТу 24.702-85 (Группа П87) [11]. Это действующий по настоящее время межгосудар-
ственный стандарт, входящий в Единую систему стандартов автоматизированных систем управления «Эффективность автоматизированных систем управления». Обязательным условием определения экономической эффективности АСУ является следующая сопоставимость всех показателей по: времени; ценам и тарифным ставкам заработной платы; элементам затрат; объёмам производства и номенклатуре выпускаемой продукции или услуг; сокращению ручного труда за счёт автоматизации; методам исчисления стоимостных показателей.
Заинтересованность государства в эффективной работе сельскохозяйственных предприятий различного уровня и масштабов функционирования определена в Федеральном законе от 29.12.2006 N 264-ФЗ (ред. от 30.12.2020) «О развитии сельского хозяйства». Основой для появления подобных нормативных актов послужило социально-экономическое состояние страны и предлагаемые пути решения возникшей проблемы российскими учёными в их работах [12 - 15].
Вывод. Обоснована необходимость того, что технологические процессы и выполняющие их машины должны всё более насыщаться средствами контроля, сигнализации, защиты, регулирования к управления, начиная с простейших элементов автоматики, с наращиванием их «вверх» (от контроля к регулированию и оптимальному управлению), «вширь» (охватывая всё большее число контролируемых и регулируемых параметров) и «в длину» (обеспечивая информационно-консультационное компьютерное обслуживание хозяйств, затем телемеханизацию производства вплоть до создания спутниково-терранавигационных систем).
Список источников
1. Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства / В.А. Воробьёв, В.В. Калинников, Б.С. Окин и др.; под ред. В.А. Воробьёва. М.: КолосС, 2004. 560 с.
2. Патентный обзор изобретений и полезных моделей ФГБНУ ФРАНЦ в области сельского хозяйства / О.А. Целуйко, В.Б. Тутарова, А.В. Гринько и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 80 - 84. https://doi. о^/10.37670/2073-0853-2021-92-6-80-85.
3. Андреев Л.Н., Жеребцов Б.В. Система автоматизации параметров воздушной среды животноводческих помещений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 133 - 138.
4. Пушко В.А., Соловьев С.А., Бойко И.Г. Инновационная цифровая модель оптимизации энергоёмких динамических процессов в пищевой и перерабатывающей промышленности // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 156 - 159. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-90-4-156-159.
5. Припоров И.Е. Цифровые технологии в приготовлении кормов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 1 (87). С. 145 - 148.
6. Сельскохозяйственная техника и технологии / под ред. И.А. Спасина. М.: КолосС, 2006. 682 с.
7. Бурмантов А. Что такое микроклимат в теплице? [Электронный ресурс]. URL: https://burmantovalex.ru/ mikroklimat
8. Деменков Н.П. Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров // Техническая коллекция Schneider Electric. 2006. Вып. 16. 310 с.
9. Истомин К.В. Система автоматического управления микроклиматом малой теплицы для выращивания цитрусовых растений в климатической полосе Южного Урала в тепличном хозяйстве [Электронный ресурс]. URL: https://dspace.susu.ru/xmlui/bitstream/ handle/0001.74/16503/2017_597_istominkv.pdf?sequence=1
10. Библиофонд. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом [Электронный ресурс]. URL: https://www.bibliofond.ru/ view.aspx?id=656466
11. ГОСТ 24.702-85 Эффективность автоматизированных систем управления [Электронный ресурс]. URL: https://pro-spo.ru/glossary/3115--24702-85-https:// pro-spo.ru
12. Основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами / С.Н. Пиляев, П.О. Гуков, Д.Н. Афоничев и др. Воронеж: Воронежский ГАУ, 2013. 187 с.
13. Гельфенбейн С.П. Автоматизация механизированных технологических процессов в растениеводстве: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1999. 78 с.
14. Кизуров А.С., Кокошин С.Н. Методика автоматизированного определения введённых коэффициентов при сушке семян пшеницы с дифференциацией подвода тепловой энергии // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 181 - 185.
15. Козлов А.В., Клопотной А.Ю. Автоматизация технологических процессов в рамках реинжиниринговых работ // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 153 - 155.
References
1. Mechanization and automation of agricultural production / V.A. Vorobyov, V.V. Kalinnikov, B.S. Okin, et al. M.: KolosS, 2004. 560 p.
2. Review of patents for inventions and utility models FSBSI FRARC in the agricultural sphere / O.A. Tseluiko,V.B. Tutarova, A.V. Grinko. Izvestia Orenburg
State Agrarian University. 2021; 92(6): 80-84. https://doi. org/10.37670/2073-0853-2021-92-6-80-85.
3. Andreev L.N., Zherebtsov B.V. Automation system for the parameters of the air environment of livestock premises. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 133-138.
4. Pushko V.A., Solovyov S.A., Boyko I.G. An innovative digital model of energy-intensive dynamic processes optimization in the food and processing industry. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 156-159. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-90-4-156-159.
5. Priporov I.E. Digital technologies in feed preparation. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 87(1): 145-148.
6. Agricultural machinery and technologies / edit. by I.A. Spassin. M.: KolosS, 2006. 682 p.
7. Burmantov A. What is the microclimate in the greenhouse? [Electronic resource]. URL: https://burmantovalex. ru/mikroklimat
8. Demenkov N.P. Automatic control systems based on programmable logic controllers. Schneider Electric Technical Collection. 2006. Issue. 16. 310 p.
9. Istomin K.V. The system of automatic control of the microclimate of a small greenhouse for growing citrus plants in the climatic zone of the Southern Urals in the greenhouse economy [Electronic resource]. URL: https://dspace.susu.ru/ xmlui/bitstream/handle/0001.74/16503/2017_597_istominkv. pdf?sequence=1
10. Library fund. Development of an automated process control system [Electronic resource]. URL: https://www. bibliofond.ru/view.aspx?id=656466
11. GOST 24.702-85 Efficiency of automated control systems [Electronic resource]. URL: https://pro-spo.ru/ glossary/3115--24702-85-https://pro-spo.ru
12. Fundamentals of building automated process control systems / S.N. Pilyaev, P.O. Gukov, D.N. Afonichev et al. Voronezh: Voronezh State University, 2013. 187 p.
13. Gelfenbein S.P. Automation of mechanized technological processes in crop production: dis. ... Dr. Tech. Sciences. M., 1999. 78 p.
14. Kizurov A.S., Kokoshin S.N. Methodology for the automated determination of the entered coefficients when drying wheat seeds with differentiation of the supply of thermal energy. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 181-185.
15. Kozlov A.V., Clopotnoi A.Yu. Automation of technological processes in the framework of reengineering works. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 153-155.
Сергей Михайлович Корнев, кандидат педагогических наук, доцент, kornev.sm@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0002-1548-2837
Екатерина Анатольевна Басуматорова, преподаватель, basumatorovaea.21@mti.gausz.ru, https://orcid.org/0000-0002-3901-3947
Sergey M. Kornev, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, kornev.sm@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0002-1548-2837
Ekaterina A. Basumatorova, lecturer, basumatorovaea.21@mti.gausz.ru, https://orcid.org/0000-0002-3901-3947
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 22.12.2021; одобрена после рецензирования 18.01.2022; принята к публикации 27.01.2022.
The article was submitted 22.12.2021; approved after reviewing 18.01.2022; accepted for publication 27.01.2022.
-Ф-
