CC BY
19
УДК 631.006.354
СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ЭФФЕКТИВНОГО ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПОТОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
В.В.Кирсанов
Предложены структурная модель синтеза интеллектуальной биотехнической системы (БТС), методы построения современных поточно-технологических линий (ПТЛ) в животноводстве и компьютерного проектирования технологических модулей ферм, проведена структурная типизация элементов, разработана обобщенная схема построения ПТЛ и модельная матрица конечных элементов для создания объединенной базы данных при проектировании животноводческих объектов.
Рассмотрены методы и примеры построения многофункциональной компо-нетной базы доильного оборудования с расширенным типажом установок для различных размеров молочных ферм.
Ключевые слова: Биотехническая система (БТС), поточно-технологическая линия (ПТЛ), обобщенная структурно-логическая схема, модельная матрица структурных элементов ПТЛ, индивидуальные и групповые конечные элементы, модульные единицы и сборные технологические модули ферм, типоразмер-ный ряд доильного оборудования, многофункциональные блоки, методы построения, компонентная база, устройства для группового и индивидуального учета молока.
Для развития важнейшей подотрасли сельского хозяйства - молочного животноводства необходима ее ускоренная машинно-технологическая модернизация, эффективное осуществление которой целесообразно на основе обобщения опыта и предложений по проектированию расширенного типоразмерно-го ряда ферм различной мощности, оснащению их современным технологическим оборудованием с последующим сервисным обслуживанием. Необходимо также уделить особое внимание вопросам подготовки инженерных кадров по механизации животноводства[1].
В стране растет число закредитованных хозяйств, порог безубыточного производства молока в которых приближается к 18-20 руб./л, незначительно выросло число крестьянских фермерских хозяйств. По-прежнему остается высокой доля личных подсобных хозяйств, производящих более половины всего объема молока в стране. По энергоемкости и затратам труда на единицу продукции показатели подотрасли превосходят аналогичные показатели экономически развитых стран в несколько раз. На этом фоне вступление России в ВТО может обернуться большими проблемами для сельхозтоваропроизводителей.
Доля отечественного конкурентноспособного технологического оборудования для животноводства (по данным Росагромаша) составляет всего лишь около 10% (остальное импорт). Поэтому необходимо в кратчайшие сроки сформировать Федеральный регистр машинных технологий, наладить производство современных комплектов высокопроизводительных машин и оборудования для животноводства и кормопроизводства, создать сеть инжиниринговых фирм по проектированию объектов животноводства и внедрению новой техники, переоснастить учебные кафедры сельхозвузов новыми машинами и оборудованием для механизации животноводства.
Для решения этих и других вопросов предлагается разработать:
- структурно-технологическую модель синтеза интеллектуальной биотехнической системы (БТС) в животноводстве;
-разработать новые методы и программные продукты для ускоренного адресного проектирования животноводческих ферм различной вместимости в вариантном исполнении;
- методы и модели построения расширенного типоразмерного ряда технологического оборудования и его компонетной базы с повышенными адаптивными свойствами.
Основу интеллектуальной БТС должна составлять машинно-центрическая модель, учитывающая решающее влияние машинно-технологического фактора в любых агротехнологиях и особенно в животноводстве.
Основные требования, предъявляемые к развитию «машинного фактора» на современном этапе - это дальнейшее повышение уровня автоматизации и информатизации, биобезопасность; создание новых типов исполнительных механизмов, обеспечивающих точные и щадящие индивидуально-групповые режимы обслуживания животных; автоматические системы контроля развития и физиологического состояния животных, качества получаемой продукции, гигиенического состояния оборудования с селективными линиями отбора аномальной продукции; энергоэффективный частотно-регулируемый привод рабочих органов и др.
В качестве экологических требований на первый план выступают вопросы рационального размещения, специализации и концентрации объектов животноводства; сокращение санитарных зон ферм за счет более полной экспресс-утилизации биоотходов, вредных выбросов, сокращения цикла и объемов накопительных емкостей, эффективной подготовки и внесения органо-минеральных удобрений. Целевыми индикаторами развития мощностей по производству продукции животноводства являются размеры территорий, численность населения, нагрузка на окружающую среду, состояние кормовой базы, наличие кадров, агроландшафтные характеристики, наличие перерабатывающих мощностей [4,5].
Данная модель представляет собой комплекс современных агрозоотребо-ваний к проектированию адаптивных машинных технологических линий и их
компонентов, реализация которых обеспечит: повышение производительности труда на 30-40%, продуктивности животных на 20-25%, качества производимой продукции, экологической безопасности и энергоэффективности производства; снижение уровня заболеваемости животных.
Модели построения современных поточно-технологических линий в животноводстве (ПТЛ) должны базироваться на принципе конвергенции био-техно-эко-инфо-ко-технологий, методов конечно-элементного анализа, технологий векторно-матричного и блочно-модульного построения. С использованием этих методов была проведена структурная типизация и формализация объектов ПТЛ в животноводстве.
Разработана обобщенная структурно-логическя модель ПТЛ [4], включающая блоки циклического обслуживания животных (БЦОЖ), учитывающие суточную кратность потока и ритм работы ПТЛ (робот, доильный зал и др.); схемы замещения, учитывающие согласование и управление постоянными и случайными потоками (блок Ар); блоки логического допуска к технологии (БЛД), конвергентные соответствующим блокам в информатике (И, ИЛИ, ИНАЧЕ); накопительные (начальные Ан и конечные Ак) и регулирующие емкости; контрольно-измерительные, интегрально-дифференци-рующие, функционально-преобразующие блоки (ФБ) и трансмиссионные звенья, а также энергетические блоки - движители (Эб), блоки экологического контроля (Эк) и информационно- управляющие системы.
На основе обобщенной схемы создана модельная матрица типовой базы данных конечных элементов при построении модульных единиц животноводческих ферм [2].
Получены схемы замещения одно - и многопоточных ПТЛ, обеспечивающие гармонизацию объемно-планировочных решений, алгоритмизацию проектирования, формирование вариантных моделей оптимизации технологических потоков, суточных заданий, ритмов и производительности ПТЛ. Примерная модель структурной типизации и расчета параметров ПТЛ в животноводстве может выглядеть так:
[AH]...M-[AP]-H-[AJ; {БЛД}- {БЦОЖ} -Ю-Ю;
АН;к = f (Qc, Т3, Кр, D); (1)
^W^min;
S= S1+S2 +S3+...Si+...+ S„ min;
Wn = f(Qc, T3, Kp) max; где: W^Qc, Тз, Кр, D - параметры функционирования ПТЛ: производительность, объем работы, заданное время разового обслуживания животных и др.;
Si... Sn - элементы траекторий и перемещений материальных потоков. Проведенный выше анализ позволяет перейти к рассмотрению методов построения и компьютерного проектирования технологических модулей молочных
ферм, основу построения которых составляют модульные единицы технологического типа МЕ1 (коровник, телятник и т.д.), МЕ2 (доильно-молочный блок и др.) и сборные технологические модули Т-Н-Ш-образной формы и др.
Модульные единицы обеих типов включают индивидуальные и групповые конечные элементы (КЭи, КЭг: боксы, поилки, накопители животных и др.). Создается библиотека «проволочных» каркасов поперечных сечений модульных единиц и методом «выталкивания» с определенным шагом создается объемная - модель. Групповые конечные элементы (КЕг) генерируются из индивидуальных конечных элементов, которые импортируются из соответствующей базы данных (БД).
Строительные конструкции моделируются стержневыми и пластинчатыми элементами, проводится расчет силовых (ветровых, снеговых) и тепловых нагрузок, осуществляется альтернативный выбор строительных материалов из БД [3]. Предлагаемая модель содержит логические соотношения между модульными единицами (МЕ) и может выглядеть следующим образом:
МЕи = I КЕИ Л X КЕГ;
МЕсб=1(МЕ1)ЛХ(МЕ2);
МЕсбт = МЕ1 Л МЕ2; (2)
МЕсбн = МЕсбт ЛМЕь
МЕсбш = МЕсбн ЛМЕсбт
где: КЕиг - индивидуальные и групповые конечные элементы (КЕ);
МЕсбт'н'ш - сборные технологические модули Т-Н-Ш-образной формы. - оператор логического сложения.
Реализация предлагаемых методов и моделей обеспечит создание специализированных программных продуктов (баз данных и компьютерных программ) для адресного ускоренного (в 3-4 раза) технологического и «строительного» проектирования животноводческих объектов в вариантном исполнении.
Для оснащения животноводческим ферм должен быть создан соответствующий типоразмерный ряд комплектов технологического оборудования. Основу построения такого ряда должны составлять универсальные многофункциональные блоки, модули и подсистемы. Границы базовых модификаций определяют технологические модули, обслуживаемые одним оператором и другие признаки. Технология «точного» проектирования предполагает адресную альтернативную комплектацию оборудования с адаптацией к размеру фермы, технологии содержания и продуктивности животных, базирующуюся на блоч-но-модульной концепции, методологии конечно-элементного анализа и синтеза сложных биотехнических систем [5].
Типоразмеры и «шаги» оборудования должны иметь зоны перекрываемо-сти рядов для выбора альтернативных технологических решений, а элементная база должна состоять из унифицированных многофункциональных блоков нового поколения в вариантном исполнении.
Л
л
+ А/
■л
10
•2-2 I = I
25
(3),
•3 -3 I = I
] ]/
f 100 г/ + 70
¿г
где: к - индекс типоразмерного ряда (1, 2, 3,4), у - размер установки, А1к - шаг типоразмерного ряда.
Примерный типоразмерный ряд доильного оборудования с различной степенью автоматизации представлен на рис.1.
Рис.1. Схема построения расширенного типоразмерного ряда доильного оборудования
Для создания высокотехнологичного конкурентноспособного доильного оборудования целесообразно разработать и освоить:
-универсальный доильный аппарат-манипулятор с массажно-додаи-вающим устройством, обеспечивающим автоматизированное стимулирующее доение в щадящем режиме с максимальной скоростью молоковыведения до 7 кг/мин при сохранении стабильного вауумметрического давления доения в пределах 36-40 кПа и возможностью агрегатирования с разными типами доильных установок (в стадии разработки);
-индивидуальный счетчик-датчик потока молока объемно-весового типа, обеспечивающий точное измерение количества молока при пропускной способности не менее 7 л/мин, выполняющий функции потокомера и пробоотборника в вариантном исполнении для линейных и станочных доильных установок (в стадии разработки);
-многофункциональное устройство для группового учета и транспортирования молока, обеспечивающее точное измерение его количества, поступающего не менее чем от 3-4-х доильных аппаратов, с подачей отделенного от воздуха молока (на высоту до 3-х метров) в транспортный молокопровод (разработано и внедряется в УДМ-200);
-молокопровод с новой технологической схемой, обеспечивающий движение молоковоздушной смеси в разделенном режиме и сохранение качества молока на всем протяжении от доильного аппарата до молокосборника (разработан и внедряется в УДМ-200);
-молокоприемник-воздухоотделитель, обеспечивающий вывод молока из-под вакуума, подачу и измерение его количества в напорном или безнапорном (в установках фермерского класса) режимах (разработан и внедряется в УДМ-200, УДЕ «Елочка», УДВ 10... 50);
-устройство промывки с пневмомеханическим опорожнителем для фермерских установок или автоматом промывки с электронным управлением для «больших» установок, обеспечивающее эффективную очистку молокопрово-дящих путей и доильных аппаратов с подогревом моющего раствора и инжек-цией воздуха в вариантном исполнении (разработано и внедряется в УДВ 10...50, УДМ-200, УДЕ «Елочка») [6].
Перспективные исследования и разработки: -доильный аппарат с независимым вакуумметрическим давлением доения от вакуума транспортирования молока, обеспечивающий щадящий режим доения, исключение обратного тока молока и обмен микрофлорой между долями вымени, осторожное транспортирование молока без смешивания с воздухом;
-подвесная часть доильного аппарата бесколлекторного типа с индивидуальным учетом молока по каждой доле вымени, маститным индикатором и автономным управлением доильных стаканов с проведением операций преддо-ильной подготовки сосков вымени и последоильной промывки стаканов для создания роботизированного доильного аппарата (установки);
-энергоресурсосберегающая система гидромеханической очистки моло-копроводов доильных установок с подвижными пыжами, снабженными активными рабочими органами;
-современные компьютерные программы, аппаратура для идентификации животных, зооветучета и управления молочной фермой.
Высшим уровнем развития доильной техники являются доильные роботы, анализ конструкций которых показал, что особого внимания заслуживает создание адаптивной к манипулятору подвесной части доильного аппарата. При этом общая концепция создания отечественного доильного робота должна предусматривать:
- разработку (использование) робота-манипулятора с независимым подключением доильных стаканов;
- разработку многофункционального доильного стакана, обеспечивающего санитарную обработку сосков, отбор и анализ качества первых струек молока, стимуляцию рефлекса молокоотдачи, эффективное выполнение процесса доения;
- селективный почетвертной молокоприемник с отбором аномального молока;
- датчики и приборы контроля потоков, цветности, электропроводности, соматических клеток и др. показателей по каждой четверти вымени;
- создание механизма навигации доильных стаканов лазерного типа, совместимого с соответствующим механизмом стимуляции рефлекса молокоотда-чи;
- автономный съемник, обеспечивающий индивидуальное отключение и снятие доильных стаканов;
- система промывки и дезинфекции доильных стаканов после каждого доения и общая система периодической промывки молокопроводящих путей установки;
- система управления.
Концепция создания многофункциональной компонетной базы должна учитывать ее структурную оптимизацию на основе внутри и межструктурной унификации технологических модулей (подструктур), расширения их функциональных возможностей (дополнительные опции), селективности технологических продукционных потоков и животных, масштабируемости основных параметров для использования в установках различной производительности, адаптивного управления с согласованием детерминированных и случайных потоков (буферная функция), щадящего воздействием на биообъекты и получаемую продукцию (молоко).
Синтез новых многофункциональных блоков (МФБ) должен обеспечивать логическое сложение выполняемых отдельными звеньями функций с построением соответствующих схем замещения для выполнение основных и дополнительных операций (опций).
В качестве примеров можно привести модернизацию линейных доильных установок 1 -го и 2-го типов, в которых используются многофункциональные блоки для группового учета, транспортирования молока, промывки оборудования, что позволило повысить надежность работы установок, реализовать новые технологические схемы, создание которых ранее было затруднено, а также расширить типаж оборудования, обеспечив при этом количественную оптимизацию компонентной базы.
В качестве дополнительных технологических эффектов получены: стабильные режимы доения и транспортирования молока (в установке УДМ-200 путь молока до молочного танка сокращен в 1,5-2 раза), повышение качества молока за счет снижения на него гидромеханического воздействия и др. [5]. Аналогичным образом целесообразно создание других МФБ для доения, инди-
видуального учета молока и др. При разработке нового МФБ - уни-версального устройства для индивидуального учета молока и управления ра-ботой доильных аппаратов наряду с выполнением основных функций: объемного измерения индивидуальных надоев молока, контроля потока и отбора проб молока для оценки его качества, также оказались возможными синергетические эффекты, повышающие функциональные возможности отдельно взятых устройств, что указывает на наличие у МФБ мультипликативных признаков
[7].
Так при совместном применении поплавкового узла и датчиков виртуальных объемов электродного типа, наряду с основными функциями оказались возможными программно-алгоритмическое измерение плотности поступающей молоковоздушной смеси и реализация более точного весового способа измерения надоя, оценка электропроводности молока и селективный отбор аномального молока в отдельную емкость (три дополнительных опции).
Еще один пример - это многофункциональное устройство «Фематроник-С», используемое в доильных установках с молокопроводом УДМ-100-200, в котором реализован программно-алгоритмический способ измерения количества и потока молока на основе его импульсной модуляции без разрыва сплошности измеряемой среды [8].
Преимуществами данного способа и устройства является совмещение функций блока управления молочным насосом и счетчика молока без изменения конструкции приемно-выводного устройства молокоприемника, что делает этот способ весьма привлекательным.
Другим направлением развития схем МФБ является их масштабируемость и энергосбережение - возможность повторного использования в других типоразмерах установок с частичным или полным сохранением конструкции при непрерывном или дискретном изменении основного параметра (пропускной способности). Это может быть применение регулируемого привода молочных и вакуумных насосов, адаптивное управление доильным конвейером, производительностью приточного вентилятора и другие.
Учитывая вышеизложенное, эффективность создания и применения МФБ можно выразить коэффициентами мультипликативности (Км), структурного замещения (Кз), масштабируемости (К^) и энергоэффективности (Кэ), определяемые в соответсвии с (4):
^ _ 71 ¿3 +•" Гдоп
к,= ^ ;
^мфб
К„= ^; (4),
где: rtf,; Tifdon ~ соответственно, число замещаемых функций отдельных функциональных блоков (ФБ) и число созданных дополнительных опций;
А[цфб — соответственно, число замещаемых ФБ и созданных МФБ; КпфбшК^Фб ~ соответственн°5 количество повторяемых ФБ в различных типоразмерах оборудования и общее количество ФБ; Эфб,Эмф0 — соответственно суммарное энергопотребление существующих
ФБ и вновь созданных МФБ.
Рассмотренные выше примеры не ограничивают всего многообразия возможных композиционных схем построения многофункциональной компонентной базы доильного оборудования, а также другого технологического оборудования животноводческих ферм, поскольку предлагаемые методы являются универсальными и их целесообразно использовать при решении других задач. Реализация этих и других вопросов позволит повысить технический уровень отечественного доильного оборудования, преодолеть технологическое отставание и уменьшить импортозависимость отрасли, поднять рентабельность и увеличить производство молока на фермах различных размеров и форм собственности.
Литература:
1. Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года / В.И. Фисинин и др. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009.-80 с.
2. Ерохин, М.Н.Структурно-технологическое моделирование процессов и функциональных систем в молочном скотоводстве / М.Н.Ерохин, В.В.Кирсанов, Ю.А.Цой // Научн. тр. / ГНУ ВНИИМЖ- 2007. - Т.17, ч.1.
3. Замрий, А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций. - М.: Изд-во АПМ, 2006.
4. Кирсанов, В.В.Моделирование построения типоразмерного ряда молочных ферм / В.В.Кирсанов, Р.Ф. Филонов // Техника и оборудование для села. - 2010. - №9. - с.38-41.
5. Кормановский, Л.П. Опыт реконструкции и технологической модернизации молочных ферм / Л.П.Кормановский, Ю.А.Цой. - М.: ФГНУ «Росинформагротех»,2010.-192с.
6. Кирсанов, В.В. Основные направления совершенствования доильного оборудования для доения коров в стойлах и доильных залах // Материалы 12-й международной научно-практической коференции «Научно-технический прогресс в животноводстве». - 2009.-Т.20,ч.2.
7. Кирсанов, В.В. Способы повышения точности порционных молокомеров / В.В.Кирсанов, И.Ю.Игнаткин // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - 2008. - №4. - С.30-32.
8. Патент РФ 219126. Способ измерения количества жидкости в потоке / Ю.А.Цой, А.И.Зеленцов, В.В.Кирсанов, В.В.Челноков В.В. - Б.И. 2002.№31.
Кирсанов Владимир Вячеславович, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Го-
рячкина»
Тел. (499)-1247551 E-mail: r.msau@msau.ru
Proposed structural model of intellectual synthesis biotehniche-ray system (BPS),modern methods of construction of flow-process lines (PTL) in animal and computerprojection of Bani-process modules farms, conducted a structur-al typology of elements,developed a generalized scheme of the PTL and the model matrix offinite elements to create a unified database for designing vanii-breeding sites. The methods and measures, the construction of a multifunction-al base separates the milking of equipment with advanced type systems fordifferent sizes of dairy farms. Keywords: Biotechnical system (BTS), thread-processing line (PTL), the generalized structural logic, the model matrix of the structural elements of the PTL, individual and group finite elements, the modular units and prefabricated trusses technological modules, standard series of Doyle-tion equipment, multi-units, methods of construction, component-component base unit for group and individual records of milk.
УДК 631.223.2.01:69
НАПРАВЛЕНИЯ АДАПТИВНОГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СТРОИТЕЛЬСТВА В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
B.Романюк
C.Винницки
Современное развитие техники и технологий в животноводстве обусловлено генетическим прогрессом, требованиями по обеспечению комфорта содержания животных и защиты внешней среды, и тоже качества животноводческой продукции.
Ключевые слова: техника, технология, животноводство, адаптивное развитие.
Решения по строительству и оснащению животноводческих построек и комплексов по производству молока, мяса и яиц должны соответствовать требованиям адаптивного развития хозяйства. Основные требованиями, которые необходимо учитывать являются:
- ограничения, связанные с защитой окружающей (внешней) среды и прежде всего снижение эмиссии газов С02, ЫЫН3, СН4, ЫОх, H2S, предупреждение загрязнения грунтовых вод, почвы и воздуха и уменьшение шумом;
- ограничения, связанные с обеспечением безопасности производства, комфорта животных и качества животноводческих продуктов;
