СИНТЕЗ ФУКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ И ВСЕЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В УЛЬЕ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 638.142:631.22:628.8:681.51

СИНТЕЗ ФУКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ И ВСЕЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В УЛЬЕ

Оськин С.В., Овсянников Д.А.

ФГБОУ Кубанский Государственный Аграрный Университет

Аннотация: технические особенности традиционных электроозонаторов барьерного типа с воздушным охлаждением, доступных для применения в пчеловодстве, дестабилизируют параметры обработки в результате изменения своих электротехнических, технологических и энергетических характеристик. Разработана функциональная схема системы автоматического управления концентрацией озона в улье. Получены функциональная и структурная схемы обобщенной системы автоматического управления стабилизацией концентрации озона в ульях. Синтез функциональных схем блоков автоматической системы стабилизации электротехнологических параметров с использованием теории автоматического регулирования позволил получить структурные схемы, которые можно проанализировать в широко распространенных программных продуктахMATLAB, МВТУ.

Ключевые слова: пчеловодство, ульи, параметры микроклимата, электротехнологии, электроподогрев, озонирование, функциональная схема, структурная схема, стабилизация режима, автоматизированная система управления расход корма, интенсивность развития пчелиных семей.

Введение. Изменение экологической ситуации в лучшую сторону в сельском хозяйстве может быть достигнуты применением электротехнологий [1-3, 6, 10]. Доказано, что системы с использованием определенных концентраций озона оказывают положительное влияние на развитие и продуктивность пчелиных семей [4, 7-11], что выражается следующим образом: создают оптимальный температурный режим; снижают концентрацию болезнетворных микроорганизмов; снижают влажность внутриульевого воздуха; улучшают газовый состав внутриульевого воздуха. Следовательно, применение систем автоматического электрообогрева и электроозонирования создает наиболее благоприятные условия для развития пчелиных семей. Анализ литературы показал, что применяемые в России методы лечения

болезней пчел, включающие неограниченное применение антибиотиков, фунгицидов и акарицидов делают производимую продукцию токсичной, а процесс обработки опасным для пчеловода. Наиболее перспективными являются электротехнологические способы лечения пчел, одним из которых является электроозонирование. Технологическая схема обработки улья озоном представлена на рисунке 1.

Технические особенности традиционных электроозонаторов барьерного типа с воздушным охлаждением, доступных для применения в пчеловодстве, дестабилизируют параметры обработки в результате изменения электротехнических, технологических и энергетических характеристик электроозонатора при нагреве разрядного устройства [7-8]. Таким образом, существующие неспециализированные электроозонаторы, применяемые для обработки пчел, не способны обеспечить требуемое качество электроозонирования ульев.

С.ых

******

I-/—1—т—т—т—т-1

6 6 <Ь ё А <Ь

Рисунок 1 - Технологическая схема озонирования одного улья

Николаенко С.А и Овсянниковым Д.А. [7, 8] была произведена разработка системы озонирования для лечения болезней пчел со стабилизацией концентрации озона в ульях. Необходимо провести дальнейшее совершенствование разработанной системы в части повышения точности поддержания концентрации озона в улье и ввести коррекцию на температуру озоновоздушной смеси на входе в улей. Также нужно дополнить систему блоками, регулирующими индивидуальную подачу озоновоздушной смеси в зависимости от количества пчел в отдельном улье, так как общее количество обрабатываемых ульев может находиться в интервале от 10 до 100 штук.

Методика проведенных исследований и анализ результатов.

Первоначально рассмотрим озонируемый улей, как объект управления. При озонировании улья, как для лечения болезней пчел, так и для

стимуляции развития, основной управляемой величиной является концентрация озона в улье. Управляющим воздействием является производительность разрядного устройства озонатора. Температура наружного воздуха является основным возмущающим воздействием. Разрядное устройство совместно с компрессором является регулирующим органом РО (рис.2), формирующим входное воздействие на объект управления ОУ. Программный регулятор ПР является органом, который формирует сигнал управления на РО. При работе озонатора происходит нагрев диэлектрических барьеров и нагрев проходящего воздуха. Контроль температуры выходящего из озонатора воздуха осуществляется при помощи датчика температуры и в последующем обрабатывается специальным блоком ИО1, а корректирующий сигнал подается на программный регулятор ПР. При изменении температуры наружного воздуха, а также изменении температуры и концентрации озоновоздушной смеси, изменяется концентрация озона внутри улья, что связанно это с внутриульевым воздухообменом. Следовательно, система автоматического

управления должна регулировать концентрацию озона в улье с изменением температуры окружающего воздуха и изменением внутриульевого воздухообмена. Процесс контроля температуры окружающего воздуха осуществляется также датчиком температуры, на функциональной схеме он представлен как измерительный орган ИО2. Задающим входным воздействием всей системы автоматического управления является концентрация озона, что производится задающим органом ЗО.

Рисунок 2. - Функциональная схема системы автоматического управления концентрацией озона в улье

Объектом управления в САУ концентрацией озона в улье является совокупность озонируемых ульев. Для проведения качественной обработки ульев озоном САУ должна обеспечивать стабилизацию концентрации озона Соз в ульях в течение всего времени воздействия. Наиболее существенными дестабилизирующими факторами являются: температура озоновоздушной смеси из озонатора 1вЫх , влияющая на дополнительный воздухообмен создаваемый

пчелами в ульях; температура наружного воздуха 4«, влияющая на естественный внутриульевой воздухообмен; количество обрабатываемых ульев и их сила тпч (масса пчел или количество занятых пчелами рамок). Управляющим воздействием является производительность разрядного устройства электроозонатора по концентрации озона. Таким образом, обрабатываемые озоном улья как объект управления можно представить в виде функциональной схемы, изображенной на рисунке 3.

teых tHe Nульев тпч

1 ' 1 г 1 г 1Г

С,

вх у О3

Cyo3=Const

Рисунок 3. - Функциональная схема объекта управления

Основная задача системы регулирования поддерживать постоянную концентрацию озона в улье.

СуОЗ = —-гл Gq3-- = Const (1)

у Qk + Q у X *2;.-*n)

где Gq3 - массовая подача озона, г/ч; Qk - подача озоновоздушной смеси от компрессора; V у ( Х1

;x2;...xn ) -воздухообмен улья.

Воздухообмен улья зависит от нескольких параметров xj..xn -масса пчел в улье, температура наружного воздуха, тип улья и его положение на пасеке (в тени, на солнце), период года, наличие медосбора. Кроме того, как показано во 2-й главе воздухообмен улья зависит от применения электротехнологий - подогрев, озонирование. Подача озоновоздушной смеси обычно величина постоянная и зависит от вида озонирования - стимуляция или лечение. Таким образом поддерживать концентрация озона в улье постоянной лучше всего

изменяя массовую подачу озона , что осуществляется

изменением подводимои мощности к разрядным промежуткам в озонаторе.

Формула для расчета необходимой концентрации озона на входе в улей, будет иметь вид:

Г _ СОЗ

с вхуОЗ - 0 . (2)

Выразим в формуле (1) массовую подачу озона через остальные параметры и подставим в уравнение (2):

с _ ^оз _ Су°З '[Ок + О У(х1;х2;-хп)] _

вху°З _ Ок _ Ок _

0 У(х1;х2;...хп) п ■ (3)

_ суОЗ + " суОЗ

Из полученной формулы (3) видно, что концентрация на входе в улей зависит от отношения воздухообмена улья к подаче смеси от компрессора. Например, возьмем случай стимуляции пчелиных семей в апреле месяце. Ранее установлено [9], что при подогреве и подаче озоновоздушной смеси воздухообмен улья становится постоянным и равным 0,33 м3/ч. Из предыдущего параграфа известно, что при стимуляции необходимо поддерживать концентрацию озона в улье 2 мг/м3 и подаче озонированного воздуха 0,05 м3/ч. Тогда, необходимая концентрация озоновоздушной меси на входе в улей составит:

Свху°З _ 2 + 035 ' 2 _ 16 мг 1 мЪ. (4)

Аналогично рассчитаем необходимую концентрацию озона на входе в улей для летнего периода. Принимаем, что в один из летних месяцев расход меда будет в два раза больше чем в весенний период со стимуляцией, что приведет к увеличению воздухообмена также в два раза (без учета расхода меда на внутренние нужды и переработку меда). Из предыдущего параграфа имеем данные по подаче озоновоздушной смеси для лечения - 1 м3/ч и концентрации озона - 50 мг/м3. При такой подаче озонированного воздуха пчелы резко уменьшат воздухообмен, так как он практически равен их собственному, до минимального уровня (ранее установлено 0,1 м3/ч). Тогда необходимая концентрация озона на входе будет равна:

вхуОЗ

0,1 3 СвхУоз = 50 + —р- 2 = 50,2 мг / м .

(5)

,о

Также нужно отметить, что следует из формулы (3.5), при необходимости, например, если известна сила подключаемых пчелиных семей, можно регулировать концентрацию подачей озоновоздушной смеси от компрессора путем установки регулирующих клапанов на воздуховодах.

В связи с тем, что к одной озонирующей установки будет подключено несколько ульев т, то для расчета концентрации озона на выходе из озонатора можно использовать следующую формулу:

С

= С

вху ОЗ

Е

:=1

/

1 +

Р г У (Х1; Х 2 )

V У

В случае компоновки ульев по группам с одинаковой силой семей формула принимает вид:

(6)

С

ОЗЕ

= С

п.1 ■ N

вх у ОЗ у

1 + ■

Р г У (Х1; Х2;-Хга )

V

Р:

к

(7)

У

Соответственно суммарный массовый выход озона из озонатора при общей производительности по озоновоздушной смеси, должен составлять:

&ОЗ = С озЕ

Е р

1=1

1к = С ОЗЕ

■ N у ■ Р

1к .

(8)

Также можно записать эту формулу и в виде:

& ОЗ = Свх у ОЗ

Е

1=1

1 +

Р г У (Х1; Х2 ;...Хп )

Рк

Е р

1к (9)

1=1

При формировании отдельных групп формула будет иметь вид: ■ Nу ■[Р:к + Р г У (Х1; Х2;...Хп )].

& ОЗ = Свх у ОЗ

(10)

Как уже отмечалось регулировку массовой производительности лучше всего осуществлять электрическими способами - изменением подводимой мощности. Из литературы [9] сделан вывод о зависимости воздухообмена от типа стимулирующей электротехнологии. В случае использования электроподогрева и озонирования основная зависимость воздухообмена связана с расходом корма (в виде уравнения аппроксимации). Тогда уравнение (6), при использовании комплексной электротехнологии в апреле месяце, можно представить в виде:

С ОЗ = СвхуОЗ

111

I

1=1

1 +

0,052 • О К1 + 0,029

(11)

где О К1 - часовой расход корма 1-м ульем, г/ч.

Аналогично уравнение (10) представится в виде:

С ОЗ = СвхуОЗ

• N2 • (д1к

+ 0,052 • ОК1 +

0,029).

(12)

Таким образом, в системе регулирования необходимо установить обратную связь по весу улья (контроль суточного расхода корма) и по расходу озоновоздушной смеси (контроль количества подключаемых ульев).

Если в весенний период будет применяться только озонирование, то воздухообмен будет зависеть не только от расхода корма, но от температуры наружного воздуха (соответствующие уравнения аппроксимации). Так для апреля месяца уравнение (6), при использовании только озонирования, можно представить в виде:

г - 0,0036 • и. + 0,2477Л 1 +-

с оз = с

вхуОЗ

1=1

V

1к

при

У

Ок = 2,15 г / ч

С ОЗ = СвхуОЗ

(13)

I

1=1

г - 0,0028 • гн + 0,3253 Л 1 +-- "

1к

при

Ок = 4,3 г / ч (14)

Тогда, в системе регулирования необходимо установить обратную связь по весу улья (контроль суточного расхода корма), по расходу озоновоздушной смеси (контроль количества подключаемых ульев) и температуре наружного воздуха.

Перемещение озонированного воздуха к ульям осуществляется по гибким воздуховодам, в результате чего существует транспортное запаздывание подачи озона. Экспериментально установлено, что величина данного запаздывания составляет 6...30 с. Воздуховод, как элемент системы автоматического управления концентрацией озона в улье, далее в САУ не приводятся. Тогда функциональная схема обобщенной системы автоматического управления стабилизацией концентрации озона может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 4.

Принимаем следующие допущения и ограничения. Одинаковой температурой обладают поверхности стекла, соприкасающиеся с электродами. Теплопередачей через боковые поверхности канала пренебрегаем из-за их малой толщины. Не учитываем также теплоемкость электродов по причине их малой массы. Весь поток теплоты от диэлектрических барьеров направлен в сторону воздушного канала. Теплоотдачей свободной конвекцией в горизонтальном канале пренебрегаем и условия охлаждения верхнего и нижнего диэлектрического барьера будем считать одинаковыми. Поглощение воздухом лучистой энергии не учитываем. При равных параметрах диэлектрических барьеров их внутренние поверхности, соприкасающиеся с воздухом, будут изотермичными. В связи с этим тепловой поток лучистого теплообмена между внутренними поверхностями канала разрядного устройства будет равен нулю [7, 8]. Нагрев происходит за счет выделения тепла от стримеров и от переходного сопротивления между воздухом и стеклом. При этом нагреваются как воздух, так и диэлектрический материал - стекло. С достаточной точностью для практических расчетов можно считать, что охлаждение диэлектрических барьеров происходит преимущественно за счет конвективного теплообмена с воздухом, продуваемым через канал разрядного устройства.

С учетом проведенных аналитических исследований общую структурную схему автоматической системы управления стабилизацией концентрации озона в улье можно представить в виде изображенном на рисунке 5.

Рисунок 4. - Функциональная схема обобщенной системы автоматического управления стабилизацией концентрации озона

Перед каждым ульем добавлено звено чистого запаздывания, которое моделирует задержку поступления озоновоздушной смеси по шлангам до улья.

Суоэ=Оопз1

Ульи

Us)

1

Тв • у +1

Pcn(s) Pcn2(s)

(s)

Ш Pcni(s)

1

ТС - s +1

(s)

ЭСО

ipyr; n; tc

exp-т- s кВО Ту - s+1

exp(-t-s) к ВО

Тву - s +1

Регулятор

g„

Рисунок 5. - Структурная схема автоматической системы управления стабилизацией концентрации озона в улье

Заключение. Синтез функциональных схем блоков автоматической системы стабилизации электротехнологических параметров с использованием теории автоматического регулирования позволил получить структурные схемы, которые можно проанализировать в широко распространенных программных продуктах МАТЛАБ, МВТУ. После анализа работы на компьютерных моделях можно будет приступить к физической реализации на контроллерах, описанных в [5], написав соответствующие программы в основе которых будут положены разработки, защищенные свидетельствами на программные продукты [9].

Q

C

Увых

к

C

Т - s

Увых

с.

с

вых

к

к

Т - s

с '

exp-т-s)

T™ - s +1

Р

Р

G

Р

О.

U

N

y

нв

Список использованных источников:

1. Оськин С.В. Повышение экологической безопасности сельскохозяйственной продукции./С.В. Оськин// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011, №5., с.21 -23.

2. Оськин С.В. Инновационные установки для повышения экологической безопасности/С.В. Оськин // Научно-технический и информационно-аналитический журнал. Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. Международный научно-практический журнал; Вып. №3-4 (15-16)-Краснодар 2013.-С. 174-184.

3. Оськин С.В. Инновационные способы повышения экологической безопасности продукции//С.В. Оськин//Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.-2013, №8.-с.75-80.

4. Пат. РФ №2215410 МПК: 7A 01K 51/00 A Способ борьбы с восковой молью /В.К. Андрейчук, Д.А. Нормов, С.В. Оськин; заявитель и патентообладатель КГАУ.- №2001132922/13; опубл. 03.12.2001.

5. Оськин С.В. Автоматизированный электропривод: Учебное пособие/ С.В. Оськин.- Краснодар, ООО «Крон», 2013 г.- 488 с.

6. Оськин С.В. Инновационные пути повышения экологической безопасности сельскохозяйственной продукции/ С.В. Оськин// Труды кубанского государственного аграрного университета.: Выпуск №3(24), Краснодар, 2010, с.147-154

7. Овсянников Д.А. Озонирование как метод стимуляции весеннего развития пчелиных семей: монография/Д.А. Овсянников; КубГАУ - Краснодар, 2007.-108 с.

8.Овсянников Д.А. Система стабилизированного озонирования ульев для профилактики и лечения бактериозов пчел: монография Д.А. Овсянников, С.А. Николаенко; КубГАУ.- Краснодар, 2013.- 144 с.

9.Оськин С.В., Овсянников Д.А. Электротехнологические способы и оборудование для повышения производительности труда в медотоварном пчеловодстве Северного Кавказа: монография. / С.В. Оськин, Д. А. Овсянников - Краснодар: Изд-во ООО «Крон», 2015.198 с.

10. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Необходимость применения экологически чистых способов обработки пчелиных семей от существующих болезней/ С.В. Оськин, Д. А. Овсянников// Научно-технический и информационно-аналитический журнал. Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. Международный научно-практический журнал; Вып. №2 (18)-Краснодар 2014.-С. 134-144.

11. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Способы повышения производительности труда в пчеловодстве/ С.В. Оськин, Д. А. Овсянников// Научный журнал КубГАУ (Электронный ресурс).-Краснодар: КубГАУ, 2014.- №97 (03)-Шифр Информрегиста: 0971403085. п.л. 0,81

12. Рыбочкин А.Ф., Захаров И.С. Компьютерные системы в пчеловодстве: монография/А.Ф. Рыбочкин, И.С. Захаров/ Курск. гос. техн. ун-т.; 2-изд.-Курск, 2004.- 420 с.

Оськин Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, kgauem@yandex.ru, Россия, Краснодар ФГБОУ «Кубанский государственный аграрный университет»

Овсянников Дмитрий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, beestim@mail.ru, Россия, Краснодар ФГБОУ «Кубанский государственный аграрный университет»

SYNTHESIS OF FUNCTIONAL BLOCKS AND THE WHOLE SCHEME OF AUTOMATION SYSTEM FOR STABILIZATION OF IN-HIVE MICROCLIMATE PARAMETERS

Annotation: technical features of traditional electrical ozonegenerating devices of barrier type with air cooling are available in beekeeping, thus, they destabilize treatment parameters due to the changing of technical, technological and energetic characteristics. The functional scheme of automation system for in-hive ozone concentration control is worked out. The functional and structural schemes for general automation system for stabilizing of in-hive ozone concentration are obtained. The synthesis of functional schemes of automation system blocks for stabiloization of technological parameters with application of the theory of automotive regulation let to obtain the structural schemes which are possible to analyze by the meaning of well known software - MATLAB™, MVTU.

Key words: beekeeping, hive, microclimate parameters, electrical technologies, electrical heating, ozone treatment, functional scheme, structural scheme, stabilizing of the operation mode, automation control system, fodder consumption, intensity of bee colonies development.

Oskin Sergey, Ph.D., of the professor, kgauem@yandex.ru, Russia, Krasnodar, "Kuban State Agrarian University"

Ovsyannikov Dmitry A., Ph.D., Associate Professor, beestim@mail.ru, Russia, Krasnodar, "Kuban gosu-endowment Agricultural University"