CC BY
7ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 658.52.011.56
УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ
12 2 2 А.Н. Колотушкин , С.С. Юрочка , М.Ю. Васина , И.М. Довлатов
1 ООО «Интелпромцентр», г. Москва, Россия ФГБНУ «Федеральный Научный Агроинженерный Центр ВИМ», г. Москва, Россия
Аннотация. Во введении: рассмотрено влияние микроклимата на продуктивность молочного стада. Приведено влияние отдельных параметров микроклимата на продуктивность. Рассмотрены способы регулирования данных параметров, приведены основные принципы. В результатах и их обсуждениях приводятся функции, выполнение которых должно обеспечивать устройство автоматического регулирования качества воздуха на данном этапе. Проведено исследование по моделированию изменения скорости воздушного потока, так же разработана первичная структурная схема управления контроллера. Определено точное количество каналов регулирования схемы управления. Поставлены задачи для дальнейших исследований. Авторами определены подаваемые сигналы на исполнительные механизмы, разработана имитационная модель изменения скорости воздушного потока внутри помещения, представлена начальная схема управления, выраженная в структурном виде.
Ключевые слова: автоматический контроллер, освещение, чистота воздуха, микроклимат, животноводческое помещение, молочное стадо.
Введение. В современном молочном животноводстве актуальной проблемой является контроль оптимальных условий содержания животных. При высокой концентрации поголовья скота качество воздуха в помещениях превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) по таким параметрам как содержание в воздухе углекислого газа, сероводорода, аммиака, запылённости, концентрации патогенной микрофлоры. Дополнительно необходимо осуществлять контролировать таких параметров воздуха как температура, влажность, скорость воздушного потока. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что несоблюдение этих норм снижают продуктивность животных, что приводит к значительным финансовым потерям [1-4].
Ежегодно из помещений животноводческих ферм отрасли требуется удалить 166 млрд
3 3 3
м водяных паров, 39 млрд м углекислого газа, 1,8 млрд м аммиака, 700 тыс. м сероводорода, 82 тыс. т пыли, патогенную микрофлору [5].
Отклонение параметров микроклимата в зданиях от определенных предельных значений приводит к снижению удоев у коров на 10-20 %, уменьшению приростов живой массы на 20-30 %, увеличению падежа молодняка на 5-40 %, снижение продуктивности на 30-35 %, сокращению срока службы на 15-20 %, увеличение затрат на корма и рабочую силу на единицу продукции, уменьшение срока службы в три раза животноводческих зданий и рост затрат на ремонт технологического оборудования [6].
Необходимо внедрение прогрессивных цифровых и роботизированных технологий, которые динамично применяются в смежных областях [7, 8].
На основе санитарного обследования помещений, проводившихся в условиях ООО "АГРОФИРМА "ВАМИН-Минзаля" Мензелинского района Республики Татарстана при правильном микроклимате, который соответствовал зоогигиеническим нормам увеличивал молочную продуктивность во всех зонах коровника, а так же уровень гемоглобина повышается в среднем на 127 г/л [9].
Исследование, описанное в источнике [10] проводилось в 2016 году на изучение влияния параметров микроклимата на показатели молочной продуктивности коров. Ферма находилась в Дебёсского района Удмуртской Республики на базе СПК «Дружба». Были получены следующие результаты, при повышенной температуре внутри помещения коровника удой на корову в помещении №1 (экспериментальном) составил 5801 кг, что на 490 кг (9,2 %) больше, чем в помещении № 2 (контроль), массовая доля жира и белка в молоке составила 3,60 и 3,00 %, что в пределах нормы.
В источниках [11, 12] описываются требования на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении. Для контроля состояния параметров микроклимата в свинарнике предлагается использовать следующие датчики: датчик температуры наружного воздуха; датчики температуры воздуха в помещении; датчик концентрации озона О3 в помещении; датчик концентрации аммиака КНз в помещении; датчик содержания углекислого газа СО2 в воздухе; датчик влажности воздуха внутри помещения; датчик температуры воды в автопоилках; охладитель и осушитель воздуха в помещении (сухой контакт).
Исходя из практического опыта для животноводческих помещений и на основе источника [13] так же необходимо вести контроль содержания в воздухе сероводорода, скорости потока внутри помещения, запыленности, микробной обсемененности и освещенности.
Наиболее часто решением по контролю параметров микроклимата является вентиляция [14]. Авторами Наливайко А.П. и Боярской Н.П. к подобным системам предлагается предъявлять следующие требования [5]:
1) создание в различные периоды года необходимого воздухообмена на единицу живой массы животных;
2) равномерное распределение и циркуляция воздуха внутри помещения. Чтобы не было мест застоя и скопления влажного загрязненного воздуха;
3) поддержание оптимального температурного режима в помещениях;
4) удаление излишней влаги (главным образом в зимний и осеннее -весенний периоды), вредных веществ (пыль, газы и неприятные запахи);
5) обеспечение равномерного поступления теплого воздуха зимой;
6) максимальное охлаждение воздуха летом в зонах расположения животных.
Так же в рассматриваемой работе [5] описывается, что для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях, на вентиляцию расходуется около 2 млрд кВт-ч электроэнергии в год, на обогрев помещений дополнительно идет 1,8 млрд кВт-ч, 0,6 млн м природного газа, 1,3 млн т жидкого и 1,7 млн т твердого топлива.
Авторами данной работы предлагается уйти от системы вентиляции для экономии энергопотребления в рамках № 261-ФЗ об энергосбережении и энергоэффективности ред. 29 июля 2017 года.
Материалы и методы исследования
В результате проведенного анализа по влиянию микроклимата и предлагаемых систем управления разработана структурная схема управления микроклиматом (на примере коровника), описаны сигналы, которые подает контроллер на исполнительные механизмы.
В рамках работы предлагается обеспечить автоматизированное оптимальное содержание животных, путем контроля параметров микроклимата, а именно качество воздуха (мг/м3 (аммиак), % (углекислый газ), % (относительная влажность), °С (температура), м/с (скорость движения), мг/м3 (пыльность), мг/м3 (сероводород)) и освещенности (лк).
Результаты и их обсуждения
Разрабатываемое устройство объединяет климатическое оборудование (рис. 1) и конструктивно обособленные устройства в «одно целое».
1-Светильник; 2-Вентилятор с распылительной форсункой; 3- Нагревательный элемент; 4-Створка; 5-Вытяжная вентиляция Рисунок 1 - Имитационная модель коровника
Функции, выполнение которых должно обеспечивать устройство автоматического регулирования качества воздуха на данном этапе.
Опрос датчиков, а именно датчик влажности, датчик температуры, датчик газа, освещенности.
В случае отклонения полученных значений от нормативных показателей, указанных в источнике [11] контроллер (рис.2), подает сигналы на исполнительные механизмы:
- изменение наклона вентиляторов в двух осях (ХYZ);
- увеличение уменьшение количества оборотов в минуту лопастей вентилятора (всех или части);
- включение/отключение вентиляторов (всех или части);
- включение/отключение форсунок (всех или части);
- открытие/закрытие створок (окон, козырька);
- включение/отключение искусственного освещения;
- включение/отключение нагревательного элемента (осушителя). Устройство должно обеспечивать следующие значения:
- Относительная влажность внутри помещения 40-75 %;
- Искусственное освещение 50-75 лк;
- Содержание пыли до 5 мг/м ;
- Концентрация углекислого газа до 0,25 %;
- Содержание аммиака до 20 мг/м ;
- Допустимая скорость воздуха 1 м/с.
Авторами проведено исследование по моделированию изменения скорости воздушного потока (рис. 3) и разработана первичная структурная схема управления контроллера (рис. 4) на основе источника [15]. В дальнейших исследованиях схема управления будет иметь 7 каналов регулирования.
7 6
Рисунок 2 - Контроллер* Рисунок 3 - Имитационная модель изменения
скорости воздушного потока *1 - Датчик температуры и влажности; 2 - Датчик освещенности; 3 - Датчик газов; 4 - Плата; 5 - Часы реального времени; 6 - Передатчик; 7 - Преобразователь напряжения
ЗУ - задающее устройство; УУ - устройство управления; ИМ - исполнительный механизм; ОУ - объект управления; УОС - устройство обратной связи; у(1), уос(1) - задающее воздействие и сигнал обратной связи; е(1) - сигнал ошибки; /(I) - возмущающее воздействие; х(1) - управляемый сигнал. Структурная схема состоит из трех замкнутых каналов регулирования: 1 - управление вентиляторами и форсунками; 2 - управление створками и осушителями; 3 -
управление освещением Рисунок 4 - Структурная схема управления контроллера
В дальнейшие исследования будет входить:
1. Параметрическое моделирование освещенности внутри животноводческого помещения.
2. Параметрическое моделирование движения воздушных масс внутри
животноводческого помещения.
4. Имитационная модель, позволяющая прогнозировать расположение конструктивно обособленных устройств внутри животноводческого помещения.
5. Методика оценки эффективности энергосберегающих мероприятий для животноводческого помещения.
6. Режимы и конструкционные параметры устройств для обеспечения оптимального микроклимата.
7. Программное обеспечение самостоятельно принимающее решение в реальном времени на основе собираемых данных по влиянию параметров микроклимата на удой животного.
8. Испытания контроллера.
Выводы
На основании рассмотренных литературных источников были выявлено основные параметры микроклимата, влияющие на продуктивность молочного стада. Внедрение в фермерские хозяйства подобных систем позволит повысить продуктивность. Авторами определены подаваемые сигналы на исполнительные механизмы, разработана имитационная модель изменения скорости воздушного потока внутри помещения, представлена начальная схема управления, выраженная в структурном виде.
Список использованных источников:
1. Бастрон А.В., Сибирина Т.Ф., Полубояринов Н.А., Фролова Т.М. Система микроклимата коровника на базе установки ТХУ-50-2-0 // Эпоха науки. 2016. № 8. С. 159165.
2. Dovlatov, I., Yuferev, L., Pavkin, D. Efficiency Optimization of Indoor Air Disinfection by Radiation Exposure for Poultry Breeding // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. 1072, с. 177-189.
3. Довлатов И.М., Юферев Л.Ю. Увеличение живой массы разводимой птицы при очистке воздуха комбинированным рециркулятором // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67. № 3 (40). С. 124-131.
4. Довлатов И.М., Рудзик Э.С. Улучшение микроклимата в сельскохозяйственном помещении за счет обеззараживания воздуха ультрафиолетовым излучением // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 47-52.
5. Наливайко А. П Система регулирования микроклимата на фермах и комплексах КРС // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. 2017. № 6. С. 177-180.
6. Мартынова Е.Н., Ястребова Е.А. Физиологическое состояние коров в зависимости от микроклимата помещений // Достижения науки и техники АПК. 2013. № 8. С. 53-56.
7. Van EsH. And Woodard J.D. Innovation in Agriculture and Food Systems in the Digital Age // The global innovation index, 2017, рр.97-104.
8. Schwartz M. Internet of Things with ESP8266. - Packt Publishing, 2016, 226 р.
9. Софронов В.Г., Данилова Н.И., Шамилов Н.М., Кузнецова Е.Л. Влияние микроклимата на организм и молочную продуктивность дойных коров // Фермер. Поволжье. 2016. № 10 (52). С. 82-85.
10. Кудрин М.Р., Шувалова Л.А., Пономарева Я.Л. Производство молока в аномально жарких погодных условиях // Известия Горского государственного аграрного
университета. 2016. Т. 53. № 4. С. 128-132.
11. Тихомиров Д.А., Баклачян Р.А., Добровольский Ю.Н. Функциональная схема и исходные требования на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении // Агротехника и энергообеспечение. 2021. № 1 (30). С. 7-17.
12. Tikhomirov, Dmitry; Izmailov, Andrey; Lobachevsky, Yakov; Tikhomirov, Anatoly V. Energy Consumption Optimization in Agriculture and Development Perspectives // International journal of energy optimization and engineering (2020) Vol. 9. Issue 4. P. 1-19. DOI: 10.4018/IJEOE.2020100101
13. Приказ Министерства сельского хозяйства от 13 декабря 2016 г. № 551 "Об утверждении Ветеринарных правил содержания крупного рогатого скота в целях его воспроизводства, выращивания и реализации".
14. Иванов Ю. Г., Кирсанов В. В., Юрочка С. С. Исследования параметров микроклимата в зоостанции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева //Доклады ТСХА: Сборник статей. Вып. 291. Ч. V/М.: Издательство РГАУ-МСХА. - 2019. - С. 115.
15. Довлатов И.М., Прошкин Ю.А. Блок автоматики устройства автоматического обеззараживания воздуха и контроля времени освещения в птичниках // Агротехника и энергообеспечение. - 2019. - № 2 (23). - С. 82-90.
List of sources used:
1. Bastron A.V., Sibirina T. F., Poluboyarinov N. A., Frolova T. M. The cowshed microclimate system based on the TCU installation-50-2-0 // The age of science. 2016. No. 8. pp. 159-165.
2. Dovlatov, I., Yuferev, L., Pavkin, D. Efficiency Optimization of Indoor Air Disinfection by Radiation Exposure for Poultry Breeding / / Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. 1072, pp. 177-189.
3. Dovlatov I. M., Yuferev, L. Y. Increase in live weight of birds bred in the purification of air combined recirculator // Electrotechnology and electrical equipment in agriculture. 2020. T. 67. № 3 (40). P. 124-131.
4. Dovlatov I. M., Ruzic E. S. Improvement of microclimate in the agriculture room by means of air disinfection by ultraviolet radiation // Innovations in agriculture. 2018. No. 3 (28). pp. 47-52.
5. Nalyvaiko A. P Sistema regulirovaniya mikroklimata na fermakh i kompleksakh KRS [The system of microclimate regulation on farms and complexes of cattle]. 2017. No. 6. pp. 177180.
6. Martynova E. N., Yastrebova E. A. Physiological state of cows depending on the indoor microclimate // Achievements of science and technology of the agroindustrial Complex. 2013. No. 8. pp. 53-56.
7. Van EsH. And Woodard J.D. Innovation in Agriculture and Food Systems in the Digital Age // The global innovation index, 2017, pp. 97-104.
8. Schwartz M. Internet of Things with ESP8266. - Packt Publishing, 2016, 226 p.
9. Sofronov V. G., Danilova N. I., Shamilov N. M., Kuznetsova E. L. Influence of microclimate on the organism and milk productivity of dairy cows. Volga region. 2016. No. 10 (52). pp. 82-85.
10. Kudrin M. R., Shuvalova L. A., Ponomareva Ya. L. Production of milk in abnormally hot weather conditions / / Izvestiya Gorskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. Vol. 53. No. 4. pp. 128-132.
11. Tikhomirov D. A., Baklachyan R. A., Dobrovolsky Yu. N. Functional scheme and initial requirements for a set of automatic microclimate control in a livestock room / / Agrotechnika i energoobespechenie. 2021. No. 1 (30). pp. 7-17.
12. Tikhomirov, Dmitry; Izmailov, Andrey; Lobachevsky, Yakov; Tikhomirov, Anatoly V. Energy Consumption Optimization in Agriculture and Development Perspectives // International journal of energy optimization and engineering (2020) Vol. 9. Issue 4. P. 1-19. DOI: 10.4018/IJEOE.2020100101.
13. Order of the Ministry of Agriculture of December 13, 2016 No. 551 " On approval of Veterinary Rules for keeping cattle for the purpose of their reproduction, cultivation and sale".
14. Ivanov YU. G., Kirsanov V. V., YUrochka S. S. Issledovaniya parametrov mikroklimata v zoostancii RGAU-MSKHA imeni K.A. Timiryazeva //Doklady TSKHA: Sbornik statej. Vyp. 291. CH. V/M.: Izdatel'stvo RGAU-MSKHA. - 2019. - S. 115.
15. Dovlatov I. M., Proshkin Yu. A. Block of automation of the device for automatic air disinfection and control of lighting time in poultry houses / / Agrotechnika i energoobespechenie. -2019. - № 2 (23). - Pp. 82-90.
Колотушкин Антон Николаевич, главный специалист ООО «Интелпромцентр», Москва, Россия. zoopik1397@gmail.com Юрочка Сергей Сергеевич, м.н.с., ФГБНУ ФНАЦВИМ, Москва, Россия,
yurochkasr@gmail. com Васина Марина Юрьевна, специалист, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
marina-vases @ mail. ru Довлатов Игорь Мамедяревич, к.т.н., н.с. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
dovlatovim @ mail. ru
DEVICE FOR AUTOMATIC AIR QUALITY CONTROL IN LIVESTOCK PREMISES
Abstract. The influence of the microclimate on the productivity of the dairy herd is considered in the introduction. The influence of individual parameters of the microclimate on productivity is given. The methods of regulating these parameters are considered, and the basic principles are given. The results and their discussions describe the functions that an automatic air quality control device should perform at this stage. A study on modeling changes in the air flow velocity was carried out, as well as the primary block diagram of the controller control have been developed. The exact number of control circuit control channels is determined. Tasks for further research are set. The authors have determined the signals applied to the actuators, a simulation model of changes in the air flow velocity inside the room have been developed, and the initial control scheme, expressed in a structural form, have been presented.
Keywords. automatic controller, lighting, air cleanliness, microclimate, livestock room, dairy herd.
A.N. Kolotushkin1, S.S. Jurochka2, M.Yu. Vasina2, I.M. Dovlatov2 *OOO «Intelpromtsentr», g. Moskva, Rossija FGBNU «Federal'nyj Nauchnyj Agroinzhenernyj Tsentr VIM», g. Moskva, Rossija
