CC BY
21
УДК 637.116
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АДАПТИВНОГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ДОИЛЬНЫМИ
УСТАНОВКАМИ "КАРУСЕЛЬ"
О.А. Тареева, старший преподаватель
ГОУ ВО Нижегородский государственный инженерно-экономический университет
B.В. Кирсанов, доктор технических наук, зав. лабораторией
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
C.Н. Стребуляев, кандидат технических наук, доцент
НИУ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского E-mail: oksya-kn@mail.ru
Аннотация. Проанализированы факторы, определяющие пропускную способность доильных установок «Карусель», рассмотрены вероятностно-статистические модели распределения продолжительности выдаивания коров в стаде. В настоящее время, несмотря на неоспоримые преимущества использования доильных установок конвейерного типа для обслуживания больших стад, важнейшей задачей при их проектировании является исследование закономерностей возникновения и продолжительности простоев, снижающих их пропускную способность, связанных с высокой вариабельностью параметра продолжительности выдаивания коров. Существующие способы управления работой карусельной доильной установки, в основном, сводятся к тому, что происходит назначение скорости вращения по данным самой тугодойной коровы. При этом фактическая производительность таких доильных установок ниже паспортной на 30-40%. Предлагаемый адаптивный алгоритм регулирования скорости вращения доильной платформы позволяет исключить аномальные циклы выдаивания отдельных животных, отличающиеся в 2-2,5 раза от средних значений по группе, и осуществлять обслуживание таких животных за кратное число циклов работы доильной установки (оборотов платформы). Были проведены имитационные испытания адаптивного алгоритма регулирования скорости вращения доильной установки, определяющего оптимальную продолжительность оборота платформы, аномально высокие продолжительности доения отдельных животных в каждой технологической группе. Определялись и сравнивались значения пропускной способности доильной установки при постоянной максимальной продолжительности оборота и при ее адаптивном регулировании. Использование предлагаемого алгоритма управления работой доильной установки «Карусель» позволяет увеличить ее пропускную способность на 30%. Ключевые слова: время доения, конвейерно-кольцевая доильная установка «Карусель», продолжительность оборота платформы, угловая скорость, адаптивное регулирование, алгоритм управления.
Введение. В настоящее время доильный зал становится центральным звеном единой компьютеризированной системы сбора информации о животных и управлении стадом. Ритм работы доильного зала является определяющим фактором организации труда на молочной ферме в целом. На долю доильного зала приходится также и значительная часть инвестиционных затрат при создании фермы. Поэтому выбору типоразмера доильной установки, вариативному подбору ее технической оснащенности уделяется сегодня большое внимание.
Практика предъявляет достаточно высокие требования к точности определения производительности доильных установок, что, в свою очередь, требует уточнения связей между потоком выдоенных животных и параметрами доильной установки, включая характеристики обслуживаемого поголовья. Основной задачей проектирования является определение рациональных параметров доильной установки, количества доильных станков и их конфигурации, удовлетворяющих заданным организационно-технологическим ограничениям. На производитель-
ность доильной установки непосредственное влияние оказывает суммарная продолжительность цикла выдаивания каждого животного, особенно максимальная продолжительность доения наиболее тугодойной коровы [5, 7]. Большинство исследователей [1, 2, 6] полагают, что в течение всей дойки параметры распределения продолжительности доения остаются постоянными, между тем и сами параметры, и величина выборки, к которой они относятся, в процессе доения всегда также меняются.
Методы исследований. В ходе изучения процесса доения использовался метод наблюдательного эксперимента, основанный на методике проведения пооперационного хронометража, который предполагает регистрацию продолжительности выполнения операций технологического цикла обслуживания животных на конвейере, технологических отказов, вызванных простоями конвейера, и др. факторов в соответствии с ОСТ 70.20.2.80 «Установки доильные для коров. Программа и методы испытаний», раздел эксплуатационно-технологической оценки доильных установок. Исследования проводились в несколько этапов:
1. Разработка и подбор комплекта необходимого регистрирующего оборудования и измерительных приборов.
2. Проведение хронометражных наблюдений.
3. Исследование полученных характеристик работы конвейерной доильной установки.
4. Определение коэффициентов математической модели.
5. Исследование процесса установившегося режима работы Ц доильной установки. га
6. Определение эффективности работы (производительности) доильной установки.
Экспериментальная база, ход исследований. При обслуживании животных с различной продолжительностью выдаивания все фирмы предлагают практически одинаковые способы устранения данной проблемы.
Первый способ заключается в том, что платформе задается постоянная скорость (оборот за 15 или 20 минут), соответствующая максимальной продолжительности доения наиболее тугодойной коровы. При приближении невыдоенной коровы к выходу оператор в ручном режиме с помощью пульта управления останавливает платформу.
Второй способ заключается в том, что скорость вращения платформы регулируется пультом управления в сочетании с системой управления стадом, которая анализирует дан ные з а пред ыдущий день: время входа и в ых ода, пр одолжительность выдаивания, количество надоенного молока от каждой коровы и др. Скорость вращения автоматически задается таким образом, чтобы доение было окончено за один оборот платформы, т.е. происходит назначение скорости вращении по данным самой тугодойной коровы. Если какая-либо корова не выдоена в последней трети вращения, система обнаруживает это и автоматически замедляет движение платформы, которая автоматически останавливается непосредственно перед выходом этой коровы, если она еще не полностью выдоена.
Однако, как показали наши исследования, работа «Карусели» по такому алгоритму становиться неэффективной, а ее производительность - заниженной (рис.1).
Порядковый номер коровы
Рис. 1. Суммарное время цикла обслуживания 1-й коровы и время одного оборота "Карусели" по хронометражным наблюдениям
Для минимизации технологических внут-рицикловых простоев станков и остановок конвейера следует учитывать вариабельность параметра продолжительности доения каждого животного и использовать адаптивный алгоритм регулирования скорости вращения доильной платформы, а аномальные циклы выдаивания отдельных животных, отличающиеся в 2-2,5 раза от средних значений по группе, следует осуществлять за кратное число циклов работы доильной установки (оборотов платформы). При оценке продолжительности суммарного цикла обслуживания каждой коровы следует учитывать фактическую продолжительность ее доения по результатам предыдущих доек и фактическую продолжительность ожидания впуска животного на доильную платформу, а оптимальную продолжительность одного оборота доильной платформы следует определять, исключив из массива данных максимальные оценки продолжительности выдаивания наиболее тугодойных коров.
В качестве основных задач исследований следует отметить:
- сравнение теоретических и опытных данных;
- определение коэффициентов математической модели;
- получение необходимых исследовательских материалов о работе карусельной доильной установки в условиях рядовой эксплуатации;
- решение некоторых задач экспериментальным путем.
Результаты исследований. Результат предлагаемого алгоритма заключается в снижении показателя общего времени доения стада и увеличении пропускной способности доильной установки «Карусель» [3, 4]. В рассматриваемом случае «Карусель» имеет 36 станкомест, среди которых 1-е стойло предназначено для входа коров, 35-е и 36-е -для их выхода. При этом проводится анализ времени доения коров, находящихся на платформе, по предыдущей дойке. Из анализа этих характеристик происходит задание времени одного оборота платформы следующим образом (рис. 2).
1. Создается массив данных по технологическим группам животных, обслуживаем ых на доильной установке, с оценкой параметров: tg , tg , Г и др.
min max
2. Анализируется распределение и количество тугодойных коров в каждой группе по условию выдаивания за целое число циклов: t = тоб , где n > 1,2.
max опт
3. Определяется предварительное значение параметра продолжительности одного оборота платформы:
N -N
коров т. к
N -N
коров т. к.
Т
X (tdi tdmin ) + X tdi i=1 _i=1_
N - N
коров т. к.
4. Присваивается первой корове td = t ц
5. Производится сравнение t ц и Тоб Если t ц < тоб , то значение т д сохра-
4Y. max опт обопт
. Если t > Т
няется
Т б =t .
опт max
max о бопт
то назначается
6. Включается счетчик цикла сравнения t и t .
max ц x i
7. Если t > t , то значение тоб
4Y, max 4Y, i обопт
остается прежним, иначе t < t ^ но-
max Чц i
вое значение т'б .
обопт
8. Проверяется условие «аномальности» параметра td по сравнению со средним
max
значением времени доения в группе (td ):
дср
td /td > 2...2,5.
^tmax ^ср
Если условие выполняется, то считать установленный параметр аномальным.
9. Проверить условие компенсации аномального цикла доения.
10. Включить счетчик цикла сравнения
аномального t и текущего значения па-
ц Lmax
раметра t . Если наступает равенство срав-
цЕ i
ниваемых параметров за 5-6 циклов последовательного доения коров, то следует считать условие компенсации выполненным и
назначить т
об
ta
иначе следует «ано-
мальный» параметр цикла исключить, а данную корову направить на повторный круг.
11. Определяются расчетные значения суммарного простоя станков
п
Т^ = тб • N - У tg .
У пр2 °бпшх коров di
i=1
12. Определяется уточненное значение параметра тоб по условию Т^ = min.
опт ^^ пр 2
13. Вычисляется технологический допуск на изменение параметра ритма потока
Ar
r -r :
max min
r ;r
min max
об
l \l
ст. I )
;l • cosa;b
коровы коровы '
2nR
14. Вычисляется оптимальная линейная и окружная скорость передвижения доильной платформы:
V =
опт
L
&
V
_ опт
об„.
R
15. Рассчитывается фактическая пропускная способность доильной установки:
Яф = /(Тоб,1дтах ,Т^пр1,Т^пр2 ) .
16. Вычисляется разность между фактической и паспортной производительностью установки:
А
Qn -Q
ф
Q
Ф • 100%, АФ < 5%.
ф
800
600
Не 400 н
200 -
0
■тоб
vT
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Порядковый номер коровы
Рис. 2. Суммарное время цикла обслуживания коров и время одного оборота "Карусели" по адаптивному алгоритму
При адаптивном управлении процессом вращения платформы постоянно вычислялась разность между циклами обслуживания г-й коровы и циклом доения коровы, имеющей максимальное значение данного параметра на заданном интервале. Так, в нашем случае при входе на платформу 1-й коровы (рис. 3) ей было присвоено максимальное значение суммарного времени цикла обслуживания ^ , время выдаивания которой не
Чтах
является аномальным, и назначено соответствующее время одного оборота платформа.
При сравнении суммарных циклов обслуживания вошедших на платформу 2-й и 3-й коров с ^ разность оказалась положи-
Чтах
тельной, поэтому продолжительность оборота платформы не изменилась. Иначе, если бы было назначено новое меньшее время одного оборота платформы, 1-я корова не успела бы выдоиться за один оборот.
Однако при входе на платформу 6-й коровы скорость конвейера следует переключить и «назначить» новое значение т'об. Следует отметить, что истинный цикл доения 6-й коровы значительно меньше, чем первой, на определенную величину. В соответствии с хронометражными наблюдениями это составляет 23 с. Следовательно, новое значение продолжительности оборота т'об
будет меньше на 23 с, но эта разница будет компенсирована временем ожидания входа на платформу £ 6-й коровы, что позволит поддерживать высокий темп работы доильного конвейера.
\ Вместе с тем так может быть
^ 1е всегда. Согласно графику (рис.
), на участке от 4-й коровы, име-ощей продолжительность доения \6\ с (14,3 мин), и практически до 14-й коровы между животными ¡охраняется «аномально» высокая »азность во времени обслужива-шя. В этом случае 21 корова, на-[иная с 4-й, обслуживаются в замедленном темпе вращения платформы, который будет соответствовать продолжитель-
ности доения 4-й коровы.
Очевидно, это не совсем рационально. Целесообразно назначить новое значение т'об, равное продолжительности обслуживания 1-й коровы, пропустив при этом аномальный цикл 4-й коровы, которую в таком случае следует направить на второй оборот платформы.
Таким образом, компенсирующий алгоритм, устанавливающий «аномальные» одиночные выбросы параметра tg , позволяет
max
избежать удлиненного замедленного цикла обслуживания последующих животных и ощутимого снижения темпа работы доильного конвейера.
На основе описанного выше алгоритма было разработано программное обеспечение. Тестирование этого программного обеспечения проводилось на стаде из 110 коров, обслуживаемых на конвейерной доильной установке типа «Карусель» фирмы SAC в ООО СПК «Ждановский» Кстовского района Нижегородской области.
Данная установка представляет собой однопоточ-ный конвейер с радиальным расположением доильных станков. Обслуживание коров операторами доения для проведения подготовительно-заключительных операций, работниками ветеринарной и инженерной служб производится с внешней стороны платформы. Исследуемая доильная установка оборудована 36 доильными станками и таким же количеством доильных аппаратов. Результаты хронометражных наблюдений и экспериментальных расчетов представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Анализ результатов показывает (рис. 3), что выигрыш в пропускной способности доильной установки «Карусель» для рассмотренного контрольного стада при использовании адаптивного алгоритма регулирования времени одного оборота платформы составляет в среднем 30%.
160
140
120
(0" о 100
л
о г 80
а
60
40
20
0
20
Таблица 1. Результаты хронометражных наблюдений
Nк, голов N , т.к. ' голов td , с ^max td , с иср T , ч Ц Q, коров/ч
20 2 861 463 0,40 50
40 3 861 431 0,61 66
60 3 861 405 0,83 72
80 4 864 418 0,98 82
100 8 864 432 1,26 79
Таблица 2. Результаты экспериментальных вычислений
Nк, голов N , т.к. ' голов td , с max td , с иср T , ч ц Q, коров/ч
20 0 616 419 0,34 59
40 0 616 399 0,48 83
60 0 616 385 0,55 109
80 0 616 391 0,69 116
100 0 633 399 0,72 139
к
к
А — к
> (
к
40
Оф (сущ)
60
■ Оф (адапт)
80
100
N к, голов
Рис. 3. Зависимость пропускной способности доильной установки «Карусель» от средней продолжительности выдаивания коров в группе по существующему и адаптивному алгоритмам
Область применения результатов, выводы. Таким образом, предлагаемый алгоритм позволяет оптимизировать параметры и режимы управления биотехнологическими циклами и обосновать оптимальные конструктивные размеры и количество станкомест на доильных установках конвейерного типа, а также повысить пропускную способность установки на 30%.
Литература:
1. Билибин Е.Б. Методические рекомендации по технологическому расчету конвейерных доильных установок молочных ферм промышленного типа. М., 1977.
2. Викторова И.Н., Патрушев А.А. Уточненный расчет показателей доильных установок «Елочка» // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1979. №25. С. 30-33.
3. Алгоритм управления доильными установками типа «Карусель» / Кирсанов В.В. и др. // Техника и оборудование для села. 2012. №10. С. 20-22.
4. Кирсанов В.В., Стребуляев С.Н., Тареева О.А. Математическое моделирование процесса доения на установках «Карусель» // Техника и оборудование для села. 2014. №12. С. 10-13.
5. Кормановский Л.П. Теория и практика поточно-конвейерного обслуживания животных. М., 1982.
6. Мкртумян В.С., Петухов Н.А. Применение теории вероятности для расчета доильных установок // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1967. №1. С. 33-36.
7. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-мо-лочных отделений животноводческих ферм. М., 2010.
8. ЗИ ЯИ 2015112086. Способ управления скоростью вращения платформы доильной установки карусельного типа / Тареева О. А. и др. Заяв. 02.04.15
Literatura:
1. Bilibin E.B. Metodicheskie rekomendacii po tekhnolo-gicheskomu raschetu konvejernyh doil'nyh ustanovok mo-lochnyh ferm promyshlennogo tipa. M., 1977.
2. Viktorova I.N., Patrushev A.A. Utochnennyj raschet pokazatelej doil'nyh ustanovok «Elochka» // Mehaniza-ciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 1979. №25. S. 30-33.
3. Algoritm upravleniya doil'nymi ustanovkami tipa «Karusel'» / Kirsanov V.V. I dr. // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2012. №10. S. 20-22.
4. Kirsanov V.V., Strebulyaev S.N., Tareeva O.A. Mate-maticheskoe modelirovanie processa doeniya na ustanov-kah «Karusel'» // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2014. №12. S. 10-13.
5. Kormanovskij L.P. Teoriya i praktika potochno-konvej-ernogo obsluzhivaniya zhivotnyh. M., 1982.
6. Mkrtumyan V.S., Petuhov N.A. Primenenie teorii vero-yatnosti dlya rascheta doil'nyh ustanovok // Mekhaniza-ciya i ehlektrifikaciya socialisticheskogo sel'skogo hozyajstva. 1967. №1. S. 33-36.
7. Coj YU.A. Processy i oborudovanie doil'no-molochnyh otdelenij zhivotnovodcheskih ferm. M., 2010.
8. ZI RU 2015112086. Sposob upravleniya skorost'yu vrashcheniya platformy doil'noj ustanovki karusel'nogo tipa / Tareeva O. A. i dr. Zayav. 02.04.15
THE "CAROUSEL" MILKING MACHINERY MANAGEMENT ADAPTIVE ALGORITHM THEORETICAL
AND EXPERIMENTAL RESEARCH RESULTS
O.A. Tareeva, senior lecturer
GOY VO Nizhny Novgorod state engineering-economic university V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences, laboratory chief FGBNY VIESH
S.N. Strebulaev, candidate of technical sciences, associate professor NIY Nizhny Novgorod state university after N.I. Lobachevsky
Abstract. The factors determining the milking machines "Carousel" throughput capacity had analyzed, the of the cows milking duration probabilistic-statistical model in the herd is considered. Currently, despite the undeniable advantages of using conveyor type milking machines, supporting large herds, the most important target at its design is the research of its outages occurrence and duration patterns, which its throughput capacity reducing, associated with the milking cows high variability parameter. The rotary milking machines operation control existing methods, mainly down to installation of rotation speed according to the most tight teat cows. While such milking machines the actual performance is below passport one in 30-40%. The milking platform speed rotation control proposed adaptive algorithm allows to exclude the separate animals abnormal milking cycles, different from the average group values in 2-2,5 times, and serve the animals for a multiple number of milking installation (platform turnovers) operation cycles. There were held the speed control adaptive algorithm imitation tests of milking installation rotation, that determines the optimal length of the platform turnover, abnormally high duration of the animals individual milking in each technological group. Also was determined and compared the throughput milking system parameters at constant maximum of turnover duration and its adaptive regulation. The "Carousel" milking installation working manage by proposed algorithm using allows its capacity in 30% to increase.
Keywords: milking time, "Carousel" the conveyor-and-ring milking installation, platform turnover duration, angular velocity, adaptive regulation, algorithm of manage.
