CC BY
14
УДК 637.116
ОБОСНОВАНИЕ АДАПТИВНОГО ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССОМ ДОЕНИЯ
В.И. Доровских, кандидат технических наук ФГБНУ ВНИИТиН E-mail: [email protected] Д.В. Доровских, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» E-mail: dima.dorovskikh@yandex
Аннотация. Качество процесса доения животных определяется соответствием конструктивно режимных параметров доильного аппарата морфологическим и функциональным свойствам вымени животных. Существующие современные автоматизированные системы управления доением не в полной мере обеспечивают адаптацию режимных параметров доильного оборудования к особенностям функциональных свойств вымени животных. На основе анализа способов управления качеством процесса доения коров разработан алгоритм, особенностью которого является то, что управление процессом доения осуществляется не только по текущему значению интенсивности молоковыведения, но и по величине интенсивности отсасывания (длительности такта сосания), рассчитанной на основе априорной информации, полученной при тестировании животных и хранящейся в базе данных. Управление осуществляется путем изменения соотношения тактов. На доильных установках, оборудованных компьютерной системой идентификации животных и компьютерной системой управления соотношением тактов, возможно задание соотношения тактов для каждого животного по заданной программе. Предложена централизованная система управления, основной особенностью которой является то, что управление процессом молоковыведения осуществляется не блоками управления, установленными на каждом станке, а центральным процессором, управляющим всеми доильными аппаратами путем обеспечения многозадачности. При доении коров на линейных доильных установках производится ранжирование коров по тугодойности, деление их на группы и использование для доения в них аппаратов с различным соотношением тактов. При разработке структурных схем системы управления и выборе программного обеспечения учитывались современные тенденции развития средств автоматизации и новейшие компьютерные технологии. Ключевые слова: процесс доения, система, алгоритм, управление качеством, параметры доильного аппарата.
Введение. Качество процесса доения животных определяется соответствием конструктивно-режимных параметров доильного аппарата морфологическим и функциональным свойствам вымени животных.
Существующие современные автоматизированные системы управления доением как отечественного (АСУ ТП «Стимул»), так и зарубежного (Metatron, DELPRO и др.) производства способны контролировать основные параметры процесса доения, осуществлять стимуляцию рефлекса молокоот-дачи и своевременное снятие доильных аппаратов, Доильные роботы (Leby NV, Bou-Matic, AMC Liberty, DeLaval и др.) выполняют весь комплекс подготовительных операций, надевание, контроль процесса моло-
ковыведения, отключение и снятие доильных стаканов, однако эти системы не в полной мере обеспечивают адаптацию режимных параметров доильного оборудования к особенностям функциональных свойств вымени животных.
С позиций управления качеством доения основной недостаток этих систем заключается в том, что собранная и находящаяся в базе данных информация не используется в алгоритмах управления процессом молоковыве-дения. Средняя интенсивность молоковыве-дения по стаду при их использовании может колебаться в пределах 1-5 л/мин., время доения - от 2 до 15 мин., в результате чего животные полностью не раздаиваются и уровень использования их генетического потен-
циала не превышает 60-70%. Решение этой проблемы позволит увеличить объемы производства молока в стране без увеличения поголовья.
Методология проведения работ. Под
отсасывающей способностью доильного аппарата принято понимать количество молока (в единицах массы или объема), которое способен выводить доильный аппарат из организма животного в единицу времени (размерность кг/с или м /с). Однако эта величина может характеризовать только систему "доильный аппарат - животное", так как расход молока (О) через выводной канал соска равен произведению сечения выводного канала соска животного (Е) на среднюю скорость истечения молока (V). О = FV .
Сечение выводного канала соска (Е) - характеристика животного, а средняя скорость истечения молока (V) определяется перепадом давлений в цистерне вымени (Рв) и под-сосковой камере доильного аппарата (Рп), а также относительной длительностью такта сосания (г):
V = т
2 Рв - РП )
где V - средняя скорость истечения молока из выводного канала соска, м/с; Рв и Рп -соответственно давление в цистерне вымени и подсосковой камере доильного аппарата, кПа; р - плотность молока, кг/м ; т - коэффициент, равный отношению периода сосания к периоду пульсации.
Из анализа результатов ряда исследований (Грачев, Келпис, Жестоканов, Вальдман и др.), согласно которым внутривыменное давление не оказывает существенного влияния на интенсивность молоковыведения, следует, что при практических расчетах им можно пренебречь.
Тогда величина т^2Рп/р , зависящая
только от параметров доильного аппарата, может служить энергетической характеристикой отсасывающей способности доильного аппарата и имеет размерность м/с. В физическом смысле это средняя скорость истечения молока через выводной канал соска,
которую способен обеспечить доильный аппарат, работающий с заданными параметрами. Поскольку энергия подводимого вакуума дополнительно расходуется на эвакуацию молока из доильного аппарата и его работу, параметр отсасывающей способности доильного аппарата может определяться как:
Е = дт
|2Рп
где д - безразмерный коэффициент, определяется на основе стендовых испытаний конкретного типа доильного аппарата.
Сечение выводного канала соска можно определить косвенным путем при доении животного аппаратом с известным параметром Е из выражения:
О
Е '
где Е - сечение выводного канала соска, м2; Отах - максимальная интенсивность мо-локовыведения, м3/с; Е - параметр отсасывающей способности доильного аппарата, м/с.
Считается, что оптимальное время доения (выведения молока) можно определять с помощью зависимости [1]:
Топт = 3 + 0,2 б,
где - Топт оптимальное время доения коровы с удоем б литров, мин.
Тогда средняя интенсивность молоковы-ведения должна составить: б
О = ср 3 + 0,2б
б-10
-3
(л/мин )
-(м3/ с).
или
О = ср 60(3 + 0,2б)
Учитывая то, что максимальная интенсивность молоковыведения примерно в полтора раза больше среднего значения [2] и принимая условие - максимальная интенсивность молоковыведения равна отсасывающей способности доильного аппарата -имеем:
ЕЕ =
б 10
-3
40(3 + 0,2б)
б-10
или
2Р,
-3
Р
40Е (3 + 0,20)
Полученное уравнение позволяет определять параметры доильного аппарата (рабочий вакуум и соотношение тактов) для обеспечения оптимального времени доения животных с различными функциональными свойствами вымени.
При управлении процессом молоковыве-дения путем оптимизации соотношения тактов для коров с различной тугодойностью и разовым удоем относительная длительность такта сосания определяется из уравнения:
О 10"3
т =
40К(3 + 0,2О)^2Рп / р
Результаты исследований. На основе анализа различных способов управления качеством процесса доения коров и ранее полученных результатов [3-5] разработан алгоритм управления, особенностью которого является то, что управление процессом доения осуществляется не только по текущему значению интенсивности молоковыведения, но и на основе априорной информации, полученной при тестировании животных и хранящейся в базе данных.
Порядок действий при определении режимов доения следующий.
1. На основе стендовых испытаний определить отсасывающую способность доильного аппарата (Е) для различных значений параметров: рабочего вакуума (Р) и относительной длительности такта сосания (т).
2. На основе контрольных доек, проводимых с использованием доильного аппарата с известной отсасывающей способностью (Е), определить для всех коров: разовый удой О); максимальную и среднюю интенсивность молоковыведения (О, Ц), коэффициент К: К = О/О .
3. Вычислить для всех коров параметр ту-
годойности (К): К = О- .
г Е
4. Задать оптимальное значение периода молоковыведения (Т-) в секундах для каждой коровы, например, из условия
Т = 60(3 + 0,20-).
5. Вычислить для каждой коровы среднюю интенсивность молоковыведения, необ-
ходимую для выведения молока за заданный период Т: Ц = 0, /Т .
6. Вычислить максимальную интенсивность молоковыведения для каждой коровы:
О,= КЦ.
7. Вычислить значение отсасывающей способности доильного аппарата для каждой коровы, необходимое для выведения молока
за оптимальный период (Т-): Е 1 = О1/К 1 .
8. На основе данных пункта 1 выбрать параметры доильного аппарата (начиная с минимального значения вакуума), соответствующие вычисленному значению отсасывающей способности доильного аппарата для каждой коровы.
9. Осуществить доение коров с выбранными для каждой из них параметрами доильного аппарата.
Процесс управления качеством доения осуществляется следующим образом. Все коровы стада по полученным данным (пункт 7) ранжируются по значению отсасывающей способности. Затем все стадо делится на количество групп, равное количеству используемых доильных установок, но не более 4. Для каждой из этих групп назначается вакуумный режим из условия:
р =(Ешах/^тах)2 Р/2.
Управление в группах осуществляется путем изменения соотношения тактов. На доильных установках, оборудованных компьютерной системой идентификации животных и компьютерной системой управления соотношением тактов, возможно задание соотношения тактов для каждого животного по заданной программе. При доении коров в стойлах производится ранжирование коров по тугодойности, деление их на подгруппы по количеству линий, и на каждой из линий используются аппараты с различным соотношением тактов, например, 50:50; 60:40; 65:35; 70:30.
На основе полученных результатов разработаны структурные схемы и дано описание функционирования систем управления (СУ). При разработке структурных схем СУ и выборе программного обеспечения учиты-
вались современные тенденции развития средств автоматизации и новейшие компьютерные технологии.
Основной особенностью предложенной централизованной СУ является то, что управление процессом молоковыведения осуществляется не блоками управления, установленными на каждом станке (рис. 1), а цент-
ральным процессором (рис. 2), управляющим всеми доильными аппаратами путем обеспечения многозадачности (одновременной работы нескольких программ управления, соответствующих количеству станков). Алгоритм реализации многозадачности представлен на рис. 3. Функциональная схема работы системы приведена на рисунке 4.
Рис. 1. Структурная схема существующих систем управления процессом доения
Рис. 2. Структурная схема централизованной адаптивной системы управления процессом доения:
У - преобразователи (усилители) сигналов; 1 - датчики интенсивности молоковыведения; 2 - электропульсаторы с управляемым соотношением тактов; 3 - переключатели вакуумного режима; 4 - устройства управления снятием доильных аппаратов
Алгоритм функционирования системы следующий. После включения питания стартует монитор-программа и проверяет исправность всех систем и их настройку. Первоначально задается режим работы как выполнение процесса доения. Как только с пульта оператора поступит команда на начало выполнения технологического процесса, будет вызвана соответствующая подпрограмма. Подпрограмма работает до тех пор, пока не переопределится режим работы или система не будет выключена.
Рис. 3. Алгоритм реализации многозадачности
Рис. 4. Функциональная схема системы управления
Journal of VNПMZH №3(31)-2018
75
Заключение. В разработанном алгоритме доения управление процессом осуществляется не только по текущему значению интенсивности молоковыведения, но и по величине интенсивности отсасывания (длительности такта сосания), рассчитанной на основе априорной информации, полученной в результате стендовых испытаний доильного аппарата, тестирования животных и хранящейся в базе данных системы управления, что обеспечивает своевременную эвакуацию молока за заданный промежуток времени без вредных последствий для организма животных. Использование предложенного способа доения позволяет повысить продуктивность животных за счет увеличения полноты выдаивания и снизить заболеваемость коров маститом за счет уменьшения вероятности травмирования молочной железы.
Литература:
1. Reinemann D.J. Evaluating Milking Machine Performance // VII International Congress on Bovine Medicine. Spain, 2001.
2. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-мо-лочных отделений животноводческих ферм. М., 2010.
3. Доровских В.И. Оптимизация режимных параметров процесса молоковыведения // Повышение эффективности использования с.-х. техники. Тамбов, 2008.
4. Доровских В.И. Управление параметрами доильного оборудования в зависимости от физиологических особенностей коров // Бъдещето выпросы от света на науката. София, 2012. С. 42-46.
5. Доровских В.И. Обоснование метода количественной оценки качества процесса машинного доения // Наука в центральной России. 2015. №3(15). С. 57-63.
Literatura:
1. Reinemann D.J. Evaluating Milking Machine Performance // VII International Congress on Bovine Medicine. Spain, 2001.
2. Coj YU.A. Processy i oborudovanie doil'no-molochnyh otdelenij zhivotnovodcheskih ferm. M., 2010.
3. Dorovskih V.I. Optimizaciya rezhimnyh parametrov processa molokovyvedeniya // Povyshenie ehffektivnosti ispol'zovaniya s.-h. tekhniki. Tambov, 2008.
4. Dorovskih V.I. Upravlenie parametrami doil'nogo obo-rudovaniya v zavisimosti ot fiziologicheskih osobennostej korov // B"deshcheto vyprosy ot sveta na naukata. Sofiya, 2012. S. 42-46.
5. Dorovskih V.I. Obosnovanie metoda kolichestvennoj ocenki kachestva processa mashinnogo doeniya // Nauka v central'noj Rossii. 2015. №3(15). S. 57-63.
THE JUATIFICATION OF MILKING PROCESS CONTROL'S ADAPTIVE PRINCIPLE V.I. Dorovsky, candidate of technical Sciences FGBNY VNIITiN
D.V. Dorovsky, candidate of technical sciences FGBOU VO "Tambov state technical university"
Abstract. The animal milking quality process is determined by the correspondence of the milking machine's designregime parameters and udder morphological and functional properties. Existing modern automated milking control's systems do not fully ensure the milking equipment operating parameters' adaptation to the udder functional properties' peculiarities. Based on the milking process quality control methods' analysis, an algorithm is developed, the peculiarity of which is the milking process control is carried out not only by the current value of milk flow intensity, but also by the suction's intensity magnitude (sucking tact's duration), designed for the basis of a priori information obtained during animals testing and database stored. Control is carried out by the tact's ratio changing. On milking machines equipped with animals identification's computer system and a computer control system with the tact's ratio, it is possible to set the tact's ratio for each animal according to a given program. A centralized co n-trol system is proposed, the main feature of which is the milk flow process's control is carried out not by the control units installed on each box-stall, but by the central processor controlling all milking machines by multitasking system providing. At cows milking on a linear milking installations it is produced cows ranking according their tight milk flow, divide them into groups and use of milking machines in them with different tacts. At structural schemes of the control system development and the software choice, modern trends in the automation's development and the latest computer technology were taken into account.
Keywords: milking process, system, algorithm, quality control, milking machine's parameters.
