CC BY
18
Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор кафедры
ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П.
Горячкина»
Тел.: (499)-1247551
E-mail:r.msau@msau/ru
Милешина Ольга Васильевна, аспирант
ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П.
Горячкина»
Тел.: 8(929)589-27-29
E-mail: mileshinao@gmail.com.
Improving the quality of milk on the farm includes milking technology. One promising area is the establishment of a specialized milking lines with simultaneous selective allocation of abnormal milk flow during milking on milking installations equipped with automated special sensors-flow meters.
Keywords: quality of milk, the quantity of somatic cell nuclear transfer, the electrical conductivity of milk mastitis diagnosis, device for separation of abnormal milk, milk flow meter-gauge.
УДК 631.171:636
ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ КОНВЕЙЕРНО-КОЛЬЦЕВЫХ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В.В.Кирсанов Р.Ф.Филонов О.А. Тареева
В работе рассмотрены вопросы повышения эффективности конвейерных доильных установок карусельного типа. Представлен теоретический расчет условий оптимальной эксплуатации работы доильной установки в режиме доения без простоев доильной платформы. Разработан примерный алгоритм адаптивного управления работой конвейерно-кольцевых установок. Данные основаны на исследованиях, проведенных в хозяйствах Нижегородской области.
Ключевые слова: конвейер, конвейерная установка, доильная платформа, продолжительность доения, цикл, аномальный цикл, циклограмма.
По сравнению с другими системами конвейерные доильные установки обеспечивают наивысшую производительность при минимальных затратах труда на обслуживание животных при доении на молочных фермах. В качестве основных их преимуществ можно отметит следующие:
- кратчайший путь перехода животного из доильного зала до доильного стойла;
- фиксированные рабочие места операторов доения с минимальными перемещениями;
- непрерывный режим работы конвейера, задающий темп работы операторов;
- возможность изменения скорости вращения платформы в соответствии с характеристиками доения конкретной группы коров;
- благодаря одному проходу для выхода и одному для входа легко управлять потоком коров, к тому же, наличие единственных выходных ворот значительно упрощает отделение животных в зону обработки.
Большой вклад в развитие технологий поточно-конвейерного обслуживания животных внесли: академик Кормановский Л.П., член-корреспондент Цой Ю.А., д.т.н. Тесленко И.И. и др. Разработанные ими теоретические и практические основы позволили создать новые высокопроизводительные образцы конвейерных доильных установок. Однако отсутствие до сих пор современного производства данного вида оборудования в России до сих пор сдерживает модернизацию отрасли и приводит к необходимости закупки импортного оборудования.
Примерный расчет пропускной способности конвейерной доильной установки можно провести следующим образом. На доение одной коровы затрачивается от 5 до 14 минут. Установка времени оборота на 15 минут обеспечивает достаточное время для подготовки, выдаивания и последующей обработки каждой коровы перед выходом. Пятнадцать минут на один оборот -это четыре оборота в час. Платформа на 36 стойл, где три стойла приходятся на зоны входа и выхода и три стойла на подготовку, на доение остается 30 стойл. Умножаем 30 стойл на 4 оборота в час, получаем пропускную способность в 120 коров в час. Фактическая пропускная способность составляет в среднем около 95 коров.
Приведенный выше теоретический расчет основан на предположении, что доильный зал работает непрерывно, без остановок. Однако на практике могут происходить остановки из-за коров, которым не удается зайти на платформу; из-за коров, которые по причине отела или заболевания маститом доятся не в общий молокопровод, а в отдельную емкость; из-за пропусков при впуске коров. Поэтому доильный зал работает в среднем на треть ниже своей теоретической пропускной способности.
Одно из важнейших преимуществ карусельной доильной установки -постоянный поток животных, для обеспечения которого необходима хорошая организация движения животных в зал и обратно, исключающая перерывы в потоке коров. Например, если при нарушении потока животных происходит пропуск стойла, эффективнее оставить его пустым и продолжить вращение платформы. Сложнее исключить простои в работе, когда происходит остановка
конвейера из-за невыдоенности некоторых коров за один оборот платформы. Скорость вращения платформы регулируется пультом управления в сочетании с системой управления стадом, которая анализирует данные о надоях за предыдущий день: средний объем молока и скорость доения каждой коровы. Скорость вращения задается таким образом, чтобы доение было окончено за один оборот платформы. Если какая-либо корова не выдоена в последней трети вращения, система автоматически замедляет движение платформы или происходит ее останов.
Для исключения данного вида простоев необходимо проанализировать циклообразный ритм работы конвейерной доильной установки (рис. 1).
(1)
г = г + г + г + г + г ,
ц вп подм.вым. д пр вып '
где гц - общее время цикла, мин.; гвп - время, затрачиваемое на впуск коровы, мин.;
г подм.вым - время, затрачиваемое на подмывание, обработку вымени и одевание доильных стаканов, мин.;
гд - фактическое время доения коров, мин.;
гпр - время простоев конвейера по различным причинам, мин.;
гвып - время, затрачиваемое на выпуск коровы, мин.
Рис. 1. Циклограмма работы доильной установки типа «Карусель»
1. Идеальный цикл, осуществленный без простоев:
ци
г + г + г + г
вп подм.вым. д вып
г.
об
(2)
где г ^ - время одного оборота платформы доильной установки, мин.
2. Реальный цикл включает простои конвейера или животных и определяется в соответствии с выражением (1):
2.1. Внутрицикловые простои выдоенных животных возникают без останова конвейера (без последействия), при этом должно выполняться условие:
Тоб > ¿ци (3)
2.2. Внешний простой с последействием (останов конвейера из-за
невыдоенной коровы), происходит при условии Тоб < ¿ци (при этом нет впуска-выпуска животных):
/ — / _ Те. — / +1 (Л\
пр ци об пр.вп. пр.вып., (4)
где ¿пр.вп. - простои конвейера при впуске коров, мин.; ¿пр вып. - простои
конвейера при выпуске коров, мин.
В первом случае (2.1) - занижена скорость вращения конвейера или завышено число станкомест.
Во втором случае (2.2) - завышена скорость вращения конвейера или занижено число станкомест.
На практике простои в основном определяются флуктуацией параметра
- времени доения.
Если ¿д < ¿д , то возникает случай (2.1) - простои первого рода.
Если ¿д > , то возникает случай (2.2) - простои второго рода. В первом случае для исключения простоя необходимо увеличить скорость конвейера, снизив значение тоб:
Тоб — Тоб - ¿пр , (5)
где То б - новое значение продолжительности одного оборота платформы доильной установки.
Однако это можно сделать при условии, если следующая корова будет
иметь ¿д.+1 ^ ; при условии tд > ^д _ увеличить скорость нельзя, поскольку возникнет простой у следующей коровы.
Во втором случае, когда > ¿д необходимо увеличить Тоб, снизив скорость вращения платформы, для исключения остановки конвейера:
г — г -т « ^ 0 (6)
пр ц; об V /
Простои второго рода недопустимы, так как они заставляют останавливать конвейер, препятствуя входу животных на платформу и ведут к простоям оператора.
Таким образом:
- простои первого рода не препятствуют входу коров в станки при впуске, возможно лишь замедляя его и снижая несколько производительность установки, однако при этом используется установка с большим радиусом платформы, и соответственно, с большим количеством станков;
- простои второго рода нарушают ритм конвейера, препятствуют впуску-выпуску животных на платформу.
И в том и в другом случае происходит изменение пропускной способности конвейера: в первом случае это происходит плавно, незаметно, а во втором - скачкообразно. Следовательно, целесообразно плавное регулирование скорости конвейера в пределах:
X
об
< Хоб < Хоб„
(7)
Минимальная продолжительность одного оборота конвейера связана с возможностью и способностью захода коров на платформу без разрыва потока коров по условию впуска. Максимальное время одного оборота конвейера связано с наличием в стаде тугодойных коров и необходимостью их полного выдаивания без останова конвейера при выпуске с платформы.
На рис. 2 приведены примеры реализации процесса доения животных на доильной установке типа «Карусель» фирмы «SAC» с 36 доильными станками.
X
Рис. 2. Графическая интерпретация процесса обслуживания коров на доильной
установке конвейерного типа
обт|п , хоб, Хобтах - минимальная, средняя и максимальная продолжительность оборота
' д г-
платформы;
фактическая продолжительность доения /-ой коровы
Исследования проводились в ООО СПК «Ждановское», Кстовского района, Нижегородской области. Поголовье коров в хозяйстве составляет 900 коров, содержание животных беспривязное, круглогодовое стойловое, бесподстилочное. Порода - черно-пестрая. Производство молока - 4200 тонн. Надой на 1 фуражную корову - 4667 кг.
Проведение исследования с 13 по 15 декабря 2010 года. Фиксировались утренние и дневные дойки: с 5 до 18 час. Коровы распределены по группам в зависимости от удоя и физиологического состояния в среднем по 100 коров в каждой группе. По оси абсцисс отложен порядковый номер коровы, а по оси ординат продолжительность доения коров.
На участке доения коров с порядковыми номерами 10-14 (рис. 2) продолжительность доения г д монотонно возрастает, аналогично должна расти гоб - продолжительность оборота платформы. Однако при впуске семнадцатой коровы скорость платформы должна возрасти при соответствующем снижении гоб = гоб . Таким образом, при монотонном возрастании или убывании
времени доения коровы целесообразно соответствующее изменение скорости вращения платформы, для чего необходимо обосновать закон ее регулирования в зависимости от разности продолжительностей доения отдельных животных.
При анализе циклограммы в случае (гоб = гоб ) суммарная продолжительность внутрициклового простоя второго рода составляет примерно 2,5 часа (рис. 2 - верхняя часть).
При адаптивном регулировании, очевидно, что величина гоб должна складываться из двух величин: постоянной составляющей гобсопз1 и переменной составляющей Аго<баг = /(гд ) .
Гоб = Тобсап81 + АГоб^ (8)
Минимальная продолжительность платформы назначается по условию неразрывности впуска коров (чтобы успели зайти). Регулируемая составляющая
Агобат зависит от изменения продолжительности цикла доения отдельных коров.
Если принять допущение, что скорость поступления коров и их впуска на
платформу является постоянной, то гобсап8г будет также постоянной. Однако на практике данная составляющая также может изменяться. Видеонаблюдения за потоком коров с помощью камеры позволит управлять процессом впуска-выпуска (доплатформенная регулировка). Технически эту скорость можно вычислять по перемещению радиометок коров.
Вторая (внутриплатформенная) составляющая продолжительности вращения Агоб ^ будет зависеть от гд .
Таким образом, в общем виде суммарная продолжительность одного оборота платформы будет составлять:
= ^обуаг1 ^ ^обуаг2 (9)
Рассмотрим подробнее фрагмент циклограммы работы доильной установки для обоснования алгоритма регулирования скорости вращения платформы. Для этого представим суммарную продолжительность цикла обслуживания /-ой коровы в виде:
Ц = *ог + ГвпI + ** , (10)
где го1 - время ожидания впуска на платформу.
Данная модель позволяет учитывать инерциальность системы отчета координат, связанную с работой вращающейся платформы доильной установки (рис. 3). Продолжительность tоI можно выразить следующим образом:
7,1 = 0
'о 2 = 'вп
'оэ = 2^... (11)
'о1 = (1 - 1)'вп
г„ = (п - 1)С
— оп V / вп )
где го1 ...гоп - продолжительность ожидания впуска животных от 1-ой до п-ой коровы при последовательном их обслуживании.
Учитывая вышеизложенное, при адаптивном управлении процессом вращения платформы необходимо: постоянно вычислять разность между циклами обслуживания /-ой коровы и циклом доения коровы, имеющей максимальное значение данного параметра на заданном интервале. В данном
случае гцтах имеет 1-я корова.
Е = 'тах — (12)
Если сохраняется положительная разность, то изменение продолжительности оборота платформы невозможно по условию невыдаивания коровы за один оборот. В случае равенства или отрицательной разности (13),
г < г
ц ц^;
£ тах £1
М. = г — г. < 0
- Ш £ тах ц|Е1
(13)
следует переключить скорость конвейера и «назначить» новое значение т'0 б .
В нашем случае это наступит в процессе обслуживания 5-ой коровы (рис. 3). При этом следует отметить, что истинный цикл доения 5-ой коровы будет
значительно меньше, чем первой на величину 'о5 :
'о5 = (п -1>вп = 3?вп (14)
В соответствии с хронометражными наблюдениями это составляет примерно 45...50 с. Следовательно, новое значение продолжительность оборота т°б будет меньше на 45.50 с, что позволит поддерживать высокий темп работы доильного конвейера. Вместе с тем так может быть не всегда. Согласно графика (рис. 2), на участке от 30-й коровы, имеющей продолжительность доения 14,5 мин. и практически до 77-й коровы, между животными будет сохраняться «аномально» высокая разность во времени обслуживания, которая будет «компенсирована» временем ожидания впуска на платформу только 53-й коровы, имеющей (~ 10 мин) согласно ранее
рассмотренному фрагменту (рис. 3).
В этом случае 23 коровы, начиная с 30-й будет обслуживаться в замедленном темпе вращения платформы, который будет соответствовать продолжительности доения 30-ой коровы. Очевидно это не совсем рационально. Целесообразно назначить новое значение тоб, равное продолжительности обслуживания 32-ой коровы, пропустив при этом аномальный цикл 30-ой коровы, которую в таком случае следует направить на второй оборот платформы. Таким образом: необходим компенсирующий алгоритм, устанавливающий «аномальные» одиночные выбросы параметра ^лтах, во избежание удлиненного замедленного цикла обслуживания последующих животных и ощутимого снижения темпа работы доильного конвейера.
2 3 4 5
Рис. 3. Фрагмент циклограммы работы конвейерной доильной установки
Это может быть выполнено по условию сравнения ¿Лтах и t ,
соответственно максимальной и средней продолжительности доения животных в стаде.
Если скажем,
t / К > 2,5 (15)
Дотах' дср ' , (15)
то это следует считать «аномальным выбросом» (для конкретного стада параметр уточняется).
Учитывая вышеизложенное, рассмотрим примерный алгоритм
адаптивного регулирования продолжительности оборота платформы (тоб):
1. Присвоить первой корове ^тах = Тоб.
2. Включить счетчик цикла сравнения t и .
3. Если tцЕтж > tцы , то значение тоб остается прежним, иначе t— t^^ назначить новое значение т'об .
^Smax ^Si о б
4. Проверить условие «аномальности» параметра tJxmax по сравнению со средним значением времени доения в группе (t )
tai /t > 2...2,5
дг max дср '
Если условие выполняется, то считать установленный параметр аномальным.
5. Проверить условие компенсации аномального цикла доения.
6. Включить счетчик цикла сравнения аномального t ацSmax и
текущего значения параметра tцы . Если наступает равенство сравниваемых параметров за 5.6 циклов последовательного доения коров, то следует считать условие компенсации выполненным и назначить тоб = t ц2тах ; иначе, следует «аномальный» параметр цикла исключить, а данную корову направит на повторный круг.
Выводы
Таким образом, рассматривая кольцевую доильную установку как однопоточный конвейер, имеющий в качестве «слабого» звена аномально высокие продолжительности доения наиболее тугодойных коров, тормозящих и снижающих темп работы доильного конвейера, целесообразно разработать алгоритм адаптивного регулирования скорости вращения платформы в зависимости от продолжительности доения каждой коровы, учитывающий условия компенсации аномальных циклов доения отдельных животных, с целью оптимизации числа мест доения, исключения простоев конвейера и животных, что позволит повысить производительность труда на 20.25% и снизить инвестиции в доильные залы.
Литература:
1. Кормановский, Л.П. Теория и практика поточно-конвейерного обслуживания животных. -М.: Колос, 1982. - 368 с.
2. Тесленко, И.И. Поточно-конвейерные технологии в молочном животноводстве: Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.20.01 / И.И.Тесленко. - М., 2010. - 47 с.
3. Цой, Ю.А. Процессы и оборудование доильно-молочных отделений животноводческих ферм. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - 424 с.
Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор
Россельхозакадемия
Тел. 8(499)184-24-63
E-mail: mmila@pochta.ru
Филонов Роман Федорович, канддидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П.
Горячкина»
Тел. (499)-1247551
E-mail: r.msau@msau/ru
Тареева Оксана Александровна, инженер
ГБОУ ВПО Нижегородский государственный инженерно-экономический институт Тел. 8(83166)4-15-50 E-mail: sys_admins@ngiei/ru
The questions of increase of efficiency of conveyer milking options of merry-go-round type are in-process considered. The theoretical calculation of optimal external of work of the milking setting environments is presented in the mode of milking without the outages of milking platform. The exemplary algorithm of adaptive control is worked out by work of conveyer-circular options. Data are based on the researches conducted in the economies of the Nizhegorodskaya area.
Keywords: conveyer, conveyer setting, milking platform, milking duration, cycle, anomalous cycle, cyclorama.
