CC BY
35
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
13. Paradoxical roles of antioxidant enzymes: basic mechanisms and health implications/ X. G. Lei, J. H. Zhu, W. H. Cheng et al. // Physiol. Rev. 2016. Vol. 96. P. 307-364.
14. Shevchuk T., Yi K. Морфолопчш показники KpoBi та яюсть хутра товарного молодняку бших лишв за рiзнохарактерного живлення// Науковий вюник Львiвського нацюнального ушверситету ветеринарно1 медицини та бютехнологш iменi С. З. Гжицького. 2015. Т. 17. № 3. C. 342-346.
Информация об авторах: Березина Юлия Анатольевна, кандидат ветеринарных наук, старший научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт охотничьего хозяйства и звероводства им. проф. Б.М. Житкова» (РФ, 610020, г. Киров (обл.), ул. Преображенская, 79). Тел. раб. +7 (8332) 6478-57, тел. моб. +7 9226635101. Russian Research Institute of Game Management and Fur Farming. OR-CID https://orcid.org/0000-0001-5082-716X E-mail: uliya180775@bk.ru
Беспятых Олег Юрьевич, доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (РФ, 610002, г. Киров (обл.), ул. Орловская, 12, ВятГУ). Тел. моб. +7 9226626820. Vyatka State University. ORCID https://orcid.org/0000-0002-4539-7385 E-mail: b_oleg@mail.ru
Кокорина Анастасия Евгеньевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт охотничьего хозяйства и звероводства им. проф. Б.М. Житкова; (РФ, 610020, г. Киров (обл.), ул. Преображенская, 79) Russian Research Institute of Game Management and Fur Farming.
ORCID https://orcid.org/0000-0001-5286-284X E-mail: bio.vniioz@mail.ru
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 639.519:574.24 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-03-33
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТОВАРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ТЕПЛОВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ АКВАКУЛЬТУРЫ
IMPROVING THE PROCESS OF COMMERCIAL CULTIVATION OF THE HEAT-WATER OBJECTS OF AQUACULTURE
Е.Г. Васильева, кандидат биологических наук И.В. Мельник, кандидат биологических наук, доцент В.И. Кантемиров, кандидат технических наук, доцент В.Н. Крючков, доктор биологических наук, профессор
E.G. Vasileva, I. V. Melnik, V.I. Kantemirov, V.N. Kryuchkov
Астраханский государственный технический университет
Astrakhan State Technical University
Дата поступления в редакцию 29.04.2019 Дата принятия к печати 16.08.2019
Received 29.04.2019 Submitted 16.08.2019
В настоящее время аквакультура - активно развивающееся направление. Все большую популярность приобретают объекты, являющиеся представителями тропических и субтропических районов (тиляпия, австралийские раки и т.д.). Для стран с умеренным климатом наиболее подходящими являются дорогостоящие интенсивные технологии культивирования этих гидро-бионтов с управляемым режимом параметров среды, позволяющим снизить сроки выращивания товарной продукции и исключить климатические риски. В связи с этим наибольшую актуальность приобретают вопросы снижения себестоимости продукции. В статье рассматривается возможность оптимизации технологии выращивания тиляпии в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ). Предложено использование каскадной автоматизированной системы регулирования (АСР) концентрации кислорода для усовершенствования систем автоматизации УЗВ. Управление параметрами качества воды положительно влияет на производственные показатели при выращивании гидробионтов, а уровень содержания кислорода может стать критическим параметром, поскольку при отключении оксигенератора концентрация кислорода быстро пада-
258
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ет, что может вести к гибели рыб. Начальные данные по динамике концентрации кислорода при изменении расхода воды, прошедшей через оксигенератор, получены на УЗВ МИП «Эко-тропик». Концентрацию кислорода в бассейне возможно менять через корректировку объемов вырабатываемого оксигенератором кислорода и объемов поступления насыщенной им воды в бассейн. Поэтому в качестве вспомогательного канала регулирования выделен расход воды на выходе из оксигенатора. Посредством имитационного моделирования в среде Matlab Simulink произведено сравнение переходных процессов в каскадной АСР и одноконтурной АСР и показано преимущество первой системы. Перерегулирование при ее использовании уменьшается в 2,4 раз, а квадратичный интегральный показатель качества переходного процесса - в 20 раз.
Currently, aquaculture is an actively developing area. Objects that are representatives of tropical and subtropical regions (tilapia, Australian crayfish, etc.) are becoming increasingly popular. For countries with a temperate climate, costly intensive technologies for cultivating these aquatic organisms with a controlled regime of environmental parameters are the most suitable, which allows to reduce the growing time of marketable products and eliminate climate risks. In this regard, the most relevant issues are reducing the cost of production. The article considers the possibility of optimizing the technology of growing tilapia in closed water supply (UZV). The use of a cascade automated system of regulation (ASR) of oxygen concentration for the improvement of automation systems of ultrasonic ultrasound is proposed. Managing water quality parameters has a positive effect on performance when growing aquatic organisms, and the level of oxygen can be a critical parameter, since when the oxygen generator is turned off, the oxygen concentration drops rapidly, which can lead to fish death. Initial data on the dynamics of oxygen concentration with a change in the flow rate of water passing through the oxygen generator were obtained at the Eco-Tropic ultrasonic testing device. It is possible to change the oxygen concentration in the pool by adjusting the volumes of oxygen generated by the oxygen generator and the volumes of inflow of saturated water into the pool. Therefore, the water flow rate at the outlet of the oxygenator is allocated as an auxiliary control channel. Using simulation in the Matlab Simulink environment, transients in cascaded ASR and single-circuit ASR are compared and the advantage of the first system is shown. Overshoot when using it is reduced by 2.4 times, and the quadratic integral indicator of the quality of the transition process is reduced by 20 times.
Ключевые слова: тиляпия, аквакультура, автоматизированная система регулирования, установка замкнутого водоснабжения.
Key words: tilapia, aquaculture, automated regulation system, installation of closed water supply.
Цитирование. Васильева Е.Г., Мельник И.В., Кантемиров В.И., Крючков В.Н. Совершенствование процессов товарного выращивания тепловодных объектов аквакультуры. Известия НВ АУК. 2019. 3(55). 258-264. DOI: 10.32786/2071-9485-2019-03-33.
Citation. Vasileva E. G., Melnik I. V., Kantemirov V. I., Kryuchkov V. N. Im-proving the process of commercial cultivation of the heat-water objects of aquaculture. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2019. 3(55). 258-264. (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2019-03-33.
Введение. Аквакультура в последнее десятилетие - одно из самых быстро развивающихся направлений производства пищевой промышленности. Продукция тепло-водной аквакультуры ежегодно увеличивается [12, 10]. Всё большую популярность приобретают на российском рынке несвойственные ранее виды, например, тиляпия, австралийские раки, гигантские пресноводные креветки и т.д., поскольку они обладают рядом ценных пищевых качеств и относятся к диетическим продуктам [6, 8, 9].
Выращивание рыбы в индустриальных рыбоводных хозяйствах имеет ряд преимуществ по сравнению с прудовым выращиванием. К примеру, возможно получение продукции при повышенных плотностях посадки, что снижает затраты площади и воды [2, 7, 11]. Вместе с этим популярные объекты аквакультуры, как правило, - это представители тропических и субтропических районов. Для стран с умеренным климатом наиболее подхо-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
дящими являются интенсивные технологии культивирования гидробионтов с управляемым режимом параметров среды, позволяющим снизить сроки выращивания товарной продукции и исключить климатические риски. Подобные технологии требуют капиталовложений, и поэтому их оптимизация остается актуальной задачей [11].
Создание автоматизированных систем управления позволяет оптимизировать процессы воспроизводства, условия выращивания и кормления гидробионтов, что в итоге положительно влияет на производственные показатели.
Материалы и методы. Нами предложено технологическое решение по регуляции содержания кислорода в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ) при выращивании тиляпии (рис. 1), поскольку данный показатель является критическим. При отключении оксигенератора концентрация кислорода быстро падает, что может привести к гибели гидробионтов.
Для получения исходных параметров для расчета характеристик автоматизированной системы регулирования проведены исследования изменения динамики кислорода в УЗВ на МИП «ЭКО-Тропик» (Астраханская область, Камызяксий район).
Рисунок 1 - Объект культивирования (тиляпия) Figure 1 - The object of cultivation (tilapia)
Измерения концентрации кислорода проводились оксиметром. Имитационное моделирование процессов произведено в программе Matlab Simulink. Построена замкнутая динамическая система для нахождения оптимальных настроек регуляторов. Для анализа целесообразности применения системы проведено сравнение переходных процессов каскадной и одноконтурной систем регулирования.
Результаты и обсуждение. Потребность в кислороде у тиляпий зависит от температуры воды, возраста и размера рыбы, физиологической активности. Так, стойкое увеличение потребности в кислороде наблюдается у рыб после их кормления, а также при снижении давления кислорода в воде. При насыщении кислородом ниже 25 % скорость роста тиляпии снижалась, а при 20 % насыщения, державшемся на протяжении двух-трех суток, наблюдалась гибель рыбы [13].
Для регулирования концентрации кислорода в бассейне замкнутой рыбоводной системы нами предложено использование каскадной автоматизированной системы регулирования (АСР), так как основной канал регулирования обладает значительной инерционностью, связанной с запаздыванием. Поскольку изменение содержания кислорода в воде бассейнов УЗВ зависит от изменения давления в оксигенераторе и от объемов поступления насыщенной им воды, мы выделили вспомогательный канал регулирования - расход воды на выходе из оксигенатора, благодаря чему предполагается получить более качественное регулирование.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
На рисунке 2 приведена предложенная структурная схема регулирования концентрации кислорода в бассейне рыбоводной установки.
Рисунок 2 - Схема каскадной системы регулирования концентрации кислорода в бассейне
Figure 2 - Diagram of a cascade system for regulating oxygen concentration in a pool
При увеличении расхода воды, измеренного в процентах хода регулирующего органа (х.р.о.%) на 50 %, нами были получены переходные характеристики по основному каналу - динамика изменения концентрации кислорода (рисунок 3). По вспомогательному каналу на рисунке 4 показана динамика изменения расхода аэрированной воды на выходе из оксигенатора.
Рисунок 3 - Переходный процесс по основному каналу регулирования при изменении положения х.р.о. на 50 %
Figure 3 - The transition process along the main channel of regulation when changing the position of h.r.o. 50 %
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
AF, мЗ/С 100
20
80
60
40
0
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Рисунок 4 - Переходный процесс по вспомогательному каналу регулирования при изменении положения х.р.о. на 50 %
Figure 4 - The transition process on the auxiliary control channel when changing
the position of the h.r.o. 50 %
По найденным переходным характеристикам были получены передаточные функции объекта методом Симою М.П. [1, 5], произведено сравнение полученных переходных процессов в программе МаШЬ Simulink и рассчитаны частотные характеристики. Методом расширенных частотных характеристик определены оптимальные настройки регуляторов [3, 4].
Методами имитационного моделирования было исследовано качество переходных процессов в одноконтурной и каскадной АСР. На рисунке 5 приведено сравнение переходных процессов в двух АСР.
Интегральные критерии качества дают общую оценку времени регулирования и степени отклонения управляемой величины от установившегося значения в переходном процессе в совокупности, без нахождения того и другого в отдельности [1].
Время регулирования переходного процесса каскадной АСР не изменилось. Перерегулирование переходного процесса каскадной АСР в 2,4 раза меньше, чем у одноконтурной АСР. Квадратичный интегральный показатель переходного процесса каскадной АСР в 20 раз меньше, чем у одноконтурной АСР.
Заключение. Сравнение переходных процессов в каскадной и одноконтурной АСР показало преимущество выбора первого вида АСР. При использовании каскадной АСР значительно повышается качество регулирования по сравнению с одноконтурной,
м
Рисунок 5 - Сравнение переходных процессов двух АСР Figure 5 - Comparison of transients of two automatic regulation systems
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
что позволяет использовать данную автоматизированную систему управления для регулирования концентрации кислорода в бассейне при выращивании тиляпии как лимитирующего показателя водной среды.
Библиографический список
1. Автоматизация оптимальной идентификации передаточных функций динамических элементов сложных технологических объектов по кривым разгона/ А.Ю. Аликов, М.А. Ковалева, А.Л. Рутковский, Н.В. Тедеева // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2017. Т. 44. № 2. С. 97-106.
2. Инновационная биотехнология получения экологически чистой продукции аквабио-культуры в модульной установке замкнутого водоснабжения / Г.Г. Матишов, Е.Н. Пономарева, А.В. Казарникова, Л.П. Ильина, В.А. Григорьев и др. // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказского региона. Серия: Естественные науки. 2016. № 3. С. 41-48.
3. Марголис Б.И., Мешков И.С. Синтез настроек регуляторов в системах автоматического управления методом расширенных частотных характеристик// Вестник Костромского государственного университета. 2014. № 2. С. 31-33.
4. Марголис Б.И., Мешков И.С. Программа расчета настроек регуляторов методом расширенных частотных характеристик // Программные продукты и системы. 2018. № 3 (31). С. 636-639.
5. Метод повышения эффективности расчета динамических характеристик объекта управления / А.Л. Рутковский, М.А. Ковалева, А.Ю. Аликов, Н.В. Тедеева // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. 2017. № 2. С. 16-21.
6. Опыт выращивания товарной продукции тиляпии в прудах ТОО «Чиликское прудовое хозяйство» Алматинской области/ Д.К. Жаркенов, К.Б. Исбеков, С.Ж. Асылбекова, С.К. Койшыбаева, Н.С. Бадрызлова, Е.В. Федоров // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. 2017. № 2. С. 86-95.
7. Хрусталев Е.И., Молчанова К.А., Пекарскайте В.В. Оценка эффективности выращивания угря в установке замкнутого водоиспользования // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. 2017. №5 (19). С. 59-63.
8. Dietary supplementation of microbial phytase improves growth and protein efficiency ratio of freshwater prawn (Macrobrachium rosenbergii)/ S. Biradar, H. Murthy Shivananda, P. Patil, E.G. Jayaraj, N.K. B. Tammegowda // Aquaculture International. 2017. 25(2). P. 567-575.
9. Effects of water flow rates on growth and welfare of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) reared in a recirculating aquaculture system/ K.A. Obirikorang, N.W. Agbo, C. Obirikorang, S.E.Ahiave, P.V. Skov // Aquaculture International. 2019. 27(2). P. 449-462.
10. Food from the ocean; towards a research agenda for sustainable use of our oceans' natural resources / L. van Hoof, G. Fabi, V. Johansen, D. Lisbjerg, G. Kraus // Marine Policy. 2019. 105. P. 44-51.
11. Estimating production costs of preadult redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus, reared in a commercial nursery system: a stochastic bioeconomic approach / L. Núñez-Amao, J. Naranjo-Páramo, A. Hernández-Llamas, M. Vargas-Mendieta, H. Villarreal // Journal of the World Aquaculture Society. 2019. 50(1). P. 172-185.
12. Ottinger M. Clauss K., Kuenzer C. Opportunities and challenges for the estimation of aquaculture production based on earth observation data// Remote Sensing . 2018. 10(7). Р. 24.
13. Nile tilapia fingerling cultivated in a low-salinity biofloc system at different stocking densities/ P.C.M. Lima, J.L. Abreu, A.E.M. Silva, A.O. Galvez, L.O. Brito // Spanish Journal of Agricultural Research. 2018. 16(4). e0612. 9 p.
Reference
1. Avtomatizaciya optimal'noj identifikacii peredatochnyh funkcij dinamicheskih ]lementov slozhnyh tehnologicheskih ob'ektov po krivym razgona/ A. Yu. Alikov, M. A. Kovaleva, A. L. Rutkovskij, N. V. Tedeeva // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2017. T. 44. № 2. Р. 97-106.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
2. Innovacionnaya biotehnologiya polucheniya ]kologicheski chistoj produkcii akvabiokul'tury v modul'noj ustanovke zamknutogo vodosnabzheniya / G. G. Matishov, E. N. Ponomareva, A. V. Ka-zarnikova, L. P. Il'ina, V. A. Grigor'ev i dr. // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij Severo-Kavkazskogo regiona. Seriya: Estestvennye nauki. 2016. № 3. Р. 41-48.
3. Margolis B. I., Meshkov I. S. Sintez nastroek regulyatorov v sistemah avtomaticheskogo upravleniya metodom rasshirennyh chastotnyh harakteristik// Vestnik Kostromskogo gosudarstven-nogo universiteta. 2014. № 2. Р. 31-33.
4. Margolis B. I., Meshkov I. S. Programma rascheta nastroek regulyatorov metodom ras-shirennyh chastotnyh harakteristik // Programmnye produkty i sistemy. 2018. № 3 (31). Р. 636-639.
5. Metod povysheniya ]ffektivnosti rascheta dinamicheskih harakteristik ob'ekta upravleniya / A. L. Rutkovskij, M. A. Kovaleva, A. Yu. Alikov, N. V. Tedeeva // Vestnik Voronezhskogo gosudar-stvennogo universiteta. Seriya: Sistemnyj analiz i informacionnye tehnologii. 2017. № 2. Р. 16-21.
6. Opyt vyraschivaniya tovarnoj produkcii tilyapii v prudah TOO "Chilikskoe prudovoe ho-zyajstvo" Almatinskoj oblasti/ D. K. Zharkenov, K. B. Isbekov, S. Zh. Asylbekova, S. K. Kojshybae-va, N. S. Badryzlova, E. V. Fedorov // Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Rybnoe hozyajstvo. 2017. № 2. Р. 86-95.
7. Hrustalev E. I., Molchanova K. A., Pekarskajte V. V. Ocenka jeffektivnosti vyraschivaniya ugrya v ustanovke zamknutogo vodoispol'zovaniya // Tehnologii pischevoj i pererabatyvayuschej promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya. 2017. №5 (19). S. 59-63.
8. Dietary supplementation of microbial phytase improves growth and protein efficiency ratio of freshwater prawn (Macrobrachium rosenbergii)/ S. Biradar, H. Murthy Shivananda, P. Patil, E.G. Jayaraj, N.K. B. Tammegowda // Aquaculture International. 2017. 25(2). P. 567-575.
9. Effects of water flow rates on growth and welfare of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) reared in a recirculating aquaculture system/ K.A. Obirikorang, N.W. Agbo, C. Obirikorang, S.E.Ahiave, P.V. Skov // Aquaculture International. 2019. 27(2). P. 449-462.
10. Food from the ocean; towards a research agenda for sustainable use of our oceans' natural resources / L. van Hoof, G. Fabi, V. Johansen, D. Lisbjerg, G. Kraus // Marine Policy. 2019. 105. P. 44-51.
11. Estimating production costs of preadult redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus, reared in a commercial nursery system: a stochastic bioeconomic approach / L. Núñez-Amao, J. Naranjo-Páramo, A. Hernández-Llamas, M. Vargas-Mendieta, H. Villarreal // Journal of the World Aquaculture Society. 2019. 50(1). P. 172-185.
12. Ottinger M. Clauss K., Kuenzer C. Opportunities and challenges for the estimation of aquaculture production based on earth observation data// Remote Sensing . 2018. 10(7). Р. 24.
13. Nile tilapia fingerling cultivated in a low-salinity biofloc system at different stocking densities/ P.C.M. Lima, J.L. Abreu, A.E.M. Silva, A.O. Galvez, L.O. Brito // Spanish Journal of Agricultural Research. 2018. 16(4). e0612. 9 p.
Информация об авторах Васильева Екатерина Геннадьевна, доцент кафедры «Гидробиология и общая экология» Астраханского государственного технического университета (РФ 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16), кандидат биологических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7637-5421 katerina.84@mail.ru Мельник Ирина Викторовна, доцент кафедры «Гидробиология и общая экология» Астраханского государственного технического университета (РФ 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16), кандидат биологических наук, доцент ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6925-6835 irina-1melnik@mail.ru Кантемиров Владимир Ильич, доцент кафедры «Автоматизация и управление» Астраханского государственного технического университета (РФ 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16), кандидат технических наук, доцент ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6139-3459 kvi.200@rambler.ru Крючков Виктор Николаевич, профессор кафедры «Гидробиология и общая экология» Астраханского государственного технического университета (РФ 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16), доктор биологических наук, профессор ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8749-6069 kvn394@rambler.ru
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
