CC BY
13
6. Khaskheli A.A. Influence of dietary manipulations and milking frequency on production of dairy cows. Online J. Anim. Feed Res. 2020. 10(4). pp. 115-119. DOI: 10.51227/ojafr.2020.25
7. Vtoryi V., Vtoryi S., Gordeev V., Khazanov V., Ilin R. Water consumption for cow watering under loose housing system. Engineering for rural development. Proc.19t Int. Sci. Conf. May 20-22, 2020. Jelgava, Latvia. 2020: 518-524. D0I:10.22616/ERDev.2020.19.TF118
8. Mylostyvyi R., Izhboldina O. Climate assessment in modern sustainable cattle barns using temperature-humidity index. In: New stages of development of modern science in Ukraine and EU countries: monograph (edited by authors. 5th ed.). Riga, Latvia: Baltija Publishing. 2019: 124-144. DOI: 10.30525/978-9934-588-15-0-134
9. RD-APK 1.10.01.01-18 Metodicheskie rekomendatsii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota [Management Directive for Agro-Industrial Complex RD-APK 1.10.01.01-18. Recommended Practice for Engineering Designing of Cattle Farms and Complexes]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2018: 166. (In Russian)
УДК 631.22
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
НАВОЗОУДАЛЕНИЯ
В.В. Гордеев, канд. техн. наук Т.И. Гордеева, канд. техн. наук
Т.Ю. Миронова В.Н. Миронов, канд. техн. наук
В.Е. Хазанов, канд. техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
В современной технологической линии навозоудаления почти каждое оборудование имеет свой пульт управления, что позволяет организовать их включение и выключение в автоматическом режиме. Необходимы комплексные решения, охватывающие все вопросы управления процессом как единой системой. Цель исследования - разработка математических моделей и структурной схемы технологического процесса навозоудаления как объекта управления для обеспечения заданных технико-экономических показателей процесса и повышения эффективности производства животноводческой продукции. На основе разработанной информационной модели и анализа литературных источников разработана структурная схема технологического процесса навозоудаления как объекта управления. Ее реализация позволит обеспечить своевременную уборку и удаление навоза из животноводческих помещений; учет расхода воды на уборку доильного зала, что в дальнейшем позволит прогнозировать влажность навоза, а при его разделении - количество твердой и жидкой фракции; максимальную автоматизацию процесса; отсутствие помех животным при кормлении и движении на дойку и обратно; безопасность для животных; надежность технологической линии; синхронизацию работы технологического оборудования. В отличие от существующих локальных систем создание единой системы
управления производственным процессом позволит решать задачи управления в комплексе и повысить эффективность производства.
Ключевые слова: навозоудаление, крупный рогатый скот, технологический процесс, модель, управление
Для цитирования: Гордеев В В., Миронова Т.Ю., Хазанов В.Е., Гордеева Т.И., Миронов В.Н. Структурная схема управления технологическим процессом навозоудаления // АгроЭкоИнженерия. 2021. № 2 (107). С.115-125
BLOCK DIAGRAM OF MANURE REMOVAL CONTROL
V.V. Gordeev, Cand. Sc. (Engineering); T.Yu. Mironova, V.E. Khazanov, Cand. Sc. (Engineering);
T.I. Gordeeva, Cand. Sc. (Engineering); V.N. Mironov, Cand. Sc. (Engineering);
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
In a modern technological line of manure removal, almost every piece of equipment has its own control panel that automatically switches them on and off. However, complex solutions are required that would cover all issues of process control as a single system. The study purpose was to develop mathematical models and a block diagram of the technological process of manure removal as a control object to ensure the specified technical and economic indicators of the process and increase the efficiency of livestock production. The block diagram was created by the developed information model and literature review results. Its implementation will ensure timely cleaning and removal of manure from livestock houses; keeping records of wash water consumption in the milking parlour for future predicting the manure moisture content, and in case of its separation - the amount of solid and liquid fractions; high automation of processes; no obstacles for animals during the feeding and travelling to and from the milking parlour; animal safety; technological line reliability; synchronisation of technological equipment operation. Unlike existing local control systems, the unified system will allow for comprehensive solving of the related problems and will improve production efficiency.
Key words: manure removal, cattle, technological process, model, control
For citation: Gordeev V.V., Mironova T.Yu., Khazanov V.E., Gordeeva T.I., Mironov V.N. Block diagram of manure removal control. AgroEkoInzheneriya. 2021. No. 2(107): 115-125 (In Russian)
Введение
На сегодняшний день в России наметилась тенденция на увеличение производственной мощности
животноводческих предприятий за счет применения средств механизации, автоматизации и роботизации
производственных процессов.
Ведущие мировые компании в области механизации технологических процессов на животноводческих фермах выпускают комплексы оборудования для автоматизации основных технологических процессов. Например, DeLaval, GEA и др. выпускают доильные системы, в которых большинство технологических операций
процесса доения автоматизированы с полным учетом полученной продукции, определением ее качества, контролем здоровья животных и технического состояния технологического оборудования [1]
Так же выпускается и используется большое количество машин и оборудования для механизации и автоматизации отдельных технологических операций, в том числе таких, как уборка навоза в помещениях, его транспортировка, разделение на фракции и т.д. [2, 3]. Но, при этом механизмы для выполнения каждой операции имеют свои блоки управления, как правило не связанные между собой.
Одним из перспективных
направлений является внедрение
информационных технологий с
автоматизацией всего технологического процесса уборки, транспортировки и переработки навоза, исключение
малопроизводительного, неквалифицированного ручного труда и вообще человека из технологии.
Согласно РД-АПК 1.10.01.01-18 [4] система уборки навоза и транспортировка его за пределы помещения должна обеспечивать чистоту помещений для содержания животных, проходов и ограждений, быть удобной в эксплуатации и не требовать больших затрат труда на управление, ремонт и санитарно-профилактическую обработку.
Технологический процесс
навозоудаления состоит из следующих операций: уборка, сбор, промежуточное накопление и выгрузка навоза из помещений, транспортировка собранного навоза до мест переработки и хранения. К процессам навозоудаления можно отнести так же и процесс удаления навоза из доильного зала и с преддоильной площадки, т.к. здесь остается часть навоза коров,
которая по различным оценкам составляет 1,6-3,0% от среднесуточного выхода [5, 6]. В доильном зале удаление навоза осуществляется мытьем пола и загрязненных поверхностей.
В современной технологической линии навозоудаления почти каждое оборудование имеет свой пульт управления, что позволяет организовать включение и выключение каждого из них в автоматическом режиме. Комплексного решения, охватывающего все вопросы управления процессом как единой системой, пока не обнаружено.
В последнее время на фермах с беспривязно-боксовым способом
содержания животных широкое
распространение получает
гидромеханический способ навозоудаления: уборка навоза - скреперными установками различной конструкции в поперечный коллектор, выполненный из пластмассовой трубы, откуда навоз центробежным насосом смывается в промежуточный
навозоприемник [7, 8]. Транспортирование навоза из промежуточного навозоприемника в навозохранилище или цех разделения осуществляется другим насосом,
снабженным специальным устройством для перемешивания навозной массы [9]. На этапе удаления навоза из коровника в промежуточный навозоприёмник требуется обязательная синхронизация работы скреперной установки и нагнетающего поток насоса таким образом, чтобы промывка поперечного коллектора нагнетаемым потоком совпадала по времени с поступлением в него собранного скрепером навоза. Это позволяет избежать неоправданных затрат электроэнергии от работы насоса «вхолостую» при включении насоса одновременно со скреперами и возможных проблем при размыве накопившегося в коллекторе навоза если
включение насоса осуществляется после завершения уборки навоза из проходов.
Один из самых распространенных способов автоматизировать и
синхронизировать работу систем -установить временные датчики или таймеры включения омывающего насоса,
согласованные с включением скреперных систем [7, 10].
Срабатывание автоматической
системы можно запрограммировать не только по времени, но и по расстоянию. К примеру, у компании GEA Farm Technologies в комплекте со скреперным оборудованием идет микровключатель на приводной станции скрепера. Аналогичные системы под названием «скрепер boss» поставляет и компания DeLaval. Контроллер, основываясь на заданном расстоянии, всегда знает, в каком месте коровника располагается скрепер, и отслеживает его путь в процентном соотношении. Поэтому при прохождении определенного процента пути, к примеру, 92% от длины коровника, он подает сигнал для включения насоса на рециркуляцию навозной жижи [10]. Если в коровнике установлено оборудование производства разных стран или разных компаний, что бывает не редко, то система
работает в ручном режиме или ее необходимо дополнять автоматикой.
Цель исследования - разработка математических моделей и структурной схемы технологического процесса навозоудаления как объекта управления, позволяющих автоматизировать
выполнение процесса с обеспечением заданных технико-экономических
показателей.
Материалы и методы
Единая система управления технологическим процессом
навозоудаления должна обладать определённой структурой и схемой обширных функциональных связей. Нами разработана информационная модель управления технологическим процессом навозоудаления при беспривязном способе содержания КРС (рис. 1), где на основании информации о количестве побочной продукции (навоз), о работе исполнительных механизмов, количестве израсходованной воды и др. производится оценка и анализ состояния всего технологического процесса, разрабатываются варианты для получения оптимального решения.
1Н,1ск^П; 1М-фактические значения параметров измерительных устройств: насоса для
размыва навоза
и его транспортировки в навозохранилище, скреперной установки, уборки навоза в доильном зале (подгонщика), устройства для мытья пола (фактическое значение расхода воды на мытьё
пола)
Рис. 1. Информационная модель управления процессом навозоудаления
Результаты и обсуждение
На основе анализа информационной модели и литературных источников разработана структурная схема
технологического процесса навозоудаления
как объекта управления (рис. 2). Связь отдельных структурных блоков (объектов), с указанными на них машинами и оборудованием, осуществляется по средствам радиоканала.
I Сигнал о |
I процессе
I
I ' Г 1_ _Доения__|
Удаление из доильного зала
Удаление из коровника
Контроллер
. П
Модуль ввода/вывода
Резервуар воды
здь
Насос
Таймер
Датчик температуры
I
Контроллер
Расходомер *
Устройство для мытья пола
Модуль ввода/вывода
ТЕ
Таймер
Скреперная установка
i
Насос Таймер
T~vc /LHlnDl
\ 4QH
Промежуточное накопление
Датчик уровня
Навозохранилище
VH Qu. хр. tu/V
--------------- Хранение ■
поток информации; * , * перемещение навоза, воды; -4■■■ рециклинг
Рис. 2. Структурная схема технологического процесса навозоудаления,
как объекта управления
Работает система следующим образом. Очистка преддоильной площадки доильного зала от экскрементов производится после сигнала об окончании доения. Для этого используется подгонщик коров со скребком. Далее доильная и
ДЗ 1
Vb =0,001' S„n , м3
преддоильная площадка моется водой с использованием автоматических смывных систем или вручную высоконапорными установками. Объем воды для мытья пола преддоильной площадки и доильного зала можно рассчитать по формуле:
(1)
где 8п - площадь пола преддоильной площадки и доильного зала, требующая уборки, м ;
п - количество воды расходуемой на регулярную уборку пола, л/м . Согласно нормативным данным [4] - 5 л/м .
Уборка навоза из навозных проходов замерзания. Периодичность их включения
в зданиях для содержания животных зависит от температуры в коровнике. производится стационарными скреперными Далее навоз из навозного канала
установками по установленной программе центробежным насосом мощной струёй
в навозный канал. В случае наступления жидкой фракции смывается в
морозов, осуществляется периодическое промежуточный навозоприемник, объем
движение скреперов для защиты от которого можно рассчитать по формуле:
п
V = ЁГ, -(Э, + П)+ уд3 ■ к + Увп, м3 (2)
1=1
где Г - количество животных в каждой половозрастной группе, гол.;
Эi - суточный выход экскрементов в каждой половозрастной группе, кг/гол.; П - суточный расход подстилки в каждой половозрастной группе животных, кг/гол.;
N ^
Vвдз Пз - количество воды на одну уборку доильного зала, м ; к - количество моек доильного зала в сутки; V" - количество воды на мойку поилок в сутки, м .
Чтобы избежать неоправданных скреперной установки зависит от длины затрат электроэнергии от работы насоса навозного прохода, скорости движения «вхолостую», при включении насоса скребков, длины и диаметра труб в системе одновременно со скреперами, необходима флеш-флюм, характеристик насоса и синхронизация их работы. Время задержки рассчитывается по формуле [7]: на включение насоса после начала работы
Т = Тс - Тн, мин. (3)
где Тс - время, за которое скребок проходит расстояние от начала навозного/кормонавозного прохода до окна сброса навоза в поперечный коллектор, мин.;
Тн - время, за которое навозная жижа проходит один круг в системе флеш-флюм, мин. Рабочее время скрепера рассчитывается по формуле:
Тс = — , мин. (4)
где - рабочая длина навозного прохода, м; Ус - скорость движения скребков, м/мин. Рабочее время насоса рассчитывается по формуле:
= wrßi + , мин (5)
Н 4 QH 4QH W
где Ь н ! - длина размывного трубопровода, м; - диаметр размывной трубы, м; <2н - производительность насоса, м /мин; Ьн 2 - длина основного трубопровода, м; Б2 - диаметр основной трубы, м;
Тогда, время задержки на включение насоса для размыва навоза можно записать следующим образом:
С {1н 1ПРI 1н 2 пЩ ^=1С Ан 1 Д^! | ¿н 2 7ГР|\
Ус V 4<2н 4<2н ) Ус V 4<2н 4<2н ) , ( )
Следующий этап навозоудаления - перекачка навоза из промежуточного навозоприемника в навозохранилище. Работа перекачивающего насоса в автоматическом режиме осуществляется посредством датчиков верхнего и нижнего уровня. Датчик верхнего уровня служит для автоматического включения насоса перекачки навоза из промежуточного навозоприемника в навозохранилище, а нижнего уровня - для автоматического выключения с целью сохранения остаточного количества для создания нагнетающего потока при перемешивании навозной массы.
При комплексном подходе на ферме может использоваться один насос, который при работе скреперов нагнетает массу из промежуточного навозоприёмника в навозный канал, он же по другому трубопроводу может и откачивать ее в навозохранилище. Но для обеспечения надежности работы системы лучше использовать разные насосы на нагнетание и на перекачку в хранилище.
Количество перекаченного в хранилище навоза за сутки можно определить по формуле:
Он. Хр=Р% м3/сут; (7)
где Р - производительность насоса, м3/час,
^ - время работы насоса, час./сут.
Требуемый объём навозохранилища зависит от продолжительности накопления навоза и определяется по формуле:
Ун= Он. хр^н/КГ; (8)
где ^ - количество дней накопления, сут.;
кI - коэффициент заполнения с учётом количества атмосферных осадков.
Разработанная структурная схема технологического процесса навозоудаления как объекта управления обеспечивает:
- своевременную уборку и удаление навоза из животноводческих помещений;
- учет расхода воды на уборку доильного зала, что в дальнейшем позволит прогнозировать влажность навоза, а при его разделении - количество твердой и жидкой фракции;
- учет количества навоза, перекачанного из коровника в навозохранилище;
- максимальную автоматизацию процесса;
- отсутствие помех животным при кормлении и движении на дойку и обратно;
- безопасность для животных;
- надежность технологической линии;
- соблюдение технологии навозоудаления;
- контроль токов и напряжений (на схеме не указано);
- учет потребленной электроэнергии (на схеме не указано);
- доступный архив с представлением информации за весь период эксплуатации системы.
Выводы
Применение информационных
технологий на основе разработанной структурной схемы позволяет
оптимизировать технологические
параметры и режимы работы оборудования,
осуществлять контроль параметров процесса уборки, удаления и переработки навозоудаления в режиме реального времени, вести учет расхода ресурсов (воды и электроэнергии) и получаемой продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Филиппова Е.Е. Автоматизированное и роботизированное доение: сравнительный анализ // Молочная промышленность. 2020. № 7. С. 61-63.
2. Мишуров Н.П. Роботизированные системы для удаления навоза из животноводческих помещений // Техника и технологии в животноводстве. 2013. №4 (12). С. 122-126.
3. Гриднев П.И., Карпов В.П., Гриднева Т.Т. Автоматизированная скреперная установка для уборки навоза при беспривязном содержании животных // Техника и оборудование для села. 2010. № 8. С. 18-19.
4. РД-АПК 1.10.01.01-18. Методические рекомендации по технологическому проектированию ферм и комплексов крупного рогатого скота. М. ФГБНУ «Росинформа-гротех». 2018. 166 с.
5. Damasceno F.A., Monge J.L., Nascimento J.A.C., Andrade R.R., Barbari M., Saraz J.A.O., Ferraz G.A.S. Estimate of manure present in compost dairy barn systems for sizing of manure storage // Agronomy Research. 2020. Vol. 18, Special Issue 2, pp. 1213-1219. DOI: 10.15159/AR.20.105.
6. РД-АПК 1.10.15.02-17. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. М. ФГБНУ «Росинформагротех». 2017. 173 с.
7. Гордеев В.В., Ланцова Е.О. Алгоритм управления системой навозоудаления при беспривязном способе содержания коров // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 93. С. 173-177.
8. Пехов А.В. Навозоудаление в современных хозяйствах // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. 2019. №15. С. 174-176.
9. Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Результаты мониторинга технико-технологических решений современных ферм по производству молока // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 156-163.
10. Харитонова Д. Грязное дело - под строгий контроль // Агропрофи, 2013. № 4 (43) Май-июнь [Электронный ресурс] Режим доступа: http://agro-profi.m/2013/08/21/грязное-дело-под-строгий-контроль (дата обращения 20.03.2020).
REFERENCES
1. Filippova E.E. Avtomatizirovannoe i robotizirovannoe doenie: sravnitel'nyi analiz [Automated and robotic milking: comparative analysis]. Molochnaya promyshlennost'. 2020. No. 7: 61-63 (In Russian)
2. Mishurov N.P. Robotizirovannye sistemy dlya udaleniya navoza iz zhivotnovodcheskikh pomeshchenii [Robotic systems for manure removal from livestock buildings]. Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2013. No. 4 (12): 122-126 (In Russian)
3. Gridnev P.I., Karpov V.P., Gridneva T.T. Avtomatizirovannaya skrepernaya ustanovka dlya uborki navoza pri besprivyaznom soderzhanii zhivotnykh [Automated scraper for manure removal under loose housing of animals]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2010. No. 8: 18-19 (In Russian)
4. Metodicheskie rekomendatsii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota RD-APK 1.10.01.01-18 [Management Directive for Agro-Industrial Complex RD-APK 1.10.01.01-18. Recommended Practice for Engineering Designing of Cattle Farms and Complexes]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2018: 166. (In Russian)
5. Damasceno F.A., Monge J.L., Nascimento J.A.C., Andrade R.R., Barbari M., Saraz J.A.O., Ferraz G.A.S. Estimate of manure present in compost dairy barn systems for sizing of manure . Agronomy Research. 2020. Vol. 18, Special Issue 2: 1213-1219. DOI: 10.15159/AR.20.105.
6. Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu sistem udaleniya i podgotovki k ispol'zovaniyu navoza i pomyota RD-APK 1.10.15.02-17 [Management Directive for Agro-Industrial Complex1.10.15.02-17. Recommended Practice for Engineering Designing of Systems for Animal and Poultry Manure Removal and Pre-application Treatment]. Moscow: Rosinformagrotekh, 2017: 173.
7. Gordeev V.V., Lantsova E.O. Algoritm upravleniya sistemoi navozoudaleniya pri besprivyaznom sposobe soderzhaniya korov [Control algorithm for manure removal system in loose cow housing]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. No. 93: 173-177 (In Russian)
8. Pekhov A.V. Navozoudalenie v sovremennykh khozyaistvakh [Manure removal in modern farms]. Nauchno-obrazovatel'nyi potentsial molodezhi v reshenii aktual'nykh problem XXI veka. 2019. No. 15: 174-176 (In Russian)
9. Gordeev V.V., Khazanov V.E. Rezul'taty monitoringa tekhniko-tekhnologicheskikh reshenii sovremennykh ferm po proizvodstvu moloka [Monitoring results of technical and technological solutions of state-of-the-art dairy farms]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaproduktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. No. 86:156-163 (In Russian)
10. Kharitonova D. Gryaznoe delo - pod strogii kontrol' [Dirty Business should be under strict control]. Agroprofi, 2013. No. 4 (43). Available at: http://agro-profi.ru/2013/08/21/gryaznoe-delo-pod-strogii-kontrol' (accessed 20.03.2020) (In Russian)
