ГлавнаяНовостиАвтоматизированные высокоточные интенсивные технологии в молочном скотоводстве

Научно-технический прогресс в АПК России формирует стратегию машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства. Особенно это важно на современном этапе рыночных отношений и конкуренции за рынок сбыта. В настоящее время наблюдается тенденция вытеснения отечественной продукции молока, мяса , а также сельскохозяйственной техники и автоматизированных машинных технологий с рынков России. В этих условиях все больше возрастает роль науки в формировании стратегии механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства на отечественном оборудовании. И здесь встает главный вопрос – кто будет разрабатывать и производить высокоэффективную технику XXI века? Только в недрах институтов РАСХН, владеющих передовыми технологиями производства сельскохозяйственной продукции могут зародится техника и технологии будущего.

Высокоточное ведение производства, в том числе животноводства – терминология, указывающая на стремление повышения точности, на уменьшение количества ошибок, промахов, на необходимость учета большого числа факторов. В конечном счете высокоточное ведение производства и, в частности, молочного животноводства возможно при внедрении научно-технического прогресса в отрасль. При этом важно строго (и точно!) выполнять предписания, требования, показатели, которые дают биологи, технологи (зоотехники, ветеринары): рацион кормления; правила осеменения и воспроизводства; температурно-влажностные и другие условия содержания; освещение, облучение и продолжительность светового дня; прогулки, рационы, продолжительность двигательной активности; режимы доения, поения; получение заданного (высокого) качества молока.
Интенсификация — понятие филологическое, инженерное, технологическое, производственное. Но по своей сути оно тождественно (пропорционально) управленческим понятиям: повышению эффективности технологий, росту экономической эффективности производства, т.е. когда меньшими затратами средств (меньшим количеством работников, животных; меньшими затратами энергии и исходных материалов) производится большее количество готовой продукции заданного качества. Интенсификация — это процесс, который характеризуется динамикой во времени, и он может присутствовать в производстве длительно и рассматриваться на многолетнем интервале.

Интенсификацию производства можно оценивать и в денежном выражении, если использовать показатель удельных прямых издержек производства или себестоимости (С) на тонну молока:

Milk13F3

Молочная ферма является сложным объектом (СО) управления, который характеризуется следующими чертами:

  • отсутствием полного математического описания объекта; математической модели нет, но для построения автоматизированной системы управле-ния она в том или ином виде необходима; поэтому автоматизированные ком-пьютерные системы управления сложным объектом могут быть информационные, информационно-соответствующие и управляющие. Такая терминология определяет степень автоматизации (компьютеризации) управления;
  • стохастичность поведения СО по причине случайных помех, его зашумленности и наличия биологического объекта (БО), который имеет вероятностный характер поведения;
  • «нетерпимость» к управлению, вызванная поведением коллектива людей в системе управления СО, который имеет свои цели, зачастую не совпадающие с общей целью управления фермой;
  • нестационарность СО, вызванная дрейфом его характеристик и эволюций во времени (старением, изменением структуры);
  • невоспроизводимостью экспериментов. В разные моменты времени СО по разному реагирует на управляющее воздействие.

В связи с названными особенностями СО управление ведется с опережением и по намеченному направлению изменения объекта. Предварительно дается пробное, а затем основное управляющее воздействие. Или предельно сокращается цикл управления в расчете на то, что СО за короткое время не успеет сильно изменить свои характеристики.

рисунок 1

При управлении СО могут быть выделены три группы задач (рис. 1).
Контур 1 текущего автоматического (или автоматизированного) управле-ния, в который входят системы управления поточными линиями и биологическими объектами. Для решения текущих задач управления техноло-гическим процессом эффективно использовать микропроцессоры.
Контур 1 компенсирует высокочастотные сигналы возмущающих воздействий, которые как случайные процессы характеризуются корреляционной функцией и математическим ожиданием в реальном времени. В молочном скотоводстве это – регулирование температуры помещений , регулирование подачи доз корма и др. ; основные частоты возмущений при текущем управлении лежат в пределах 1-3600 1/ч. Частотные оценки рассчитывают по корреляционной функции и спектральной плотности.
Контур 2 оперативного управления решает задачи оптимизации суточно-го планирования технологических операций и осуществления направленных воздействий на технологический процесс. При управлении по этому контуру решаются задачи расчета и корректировки рационов; планирования отелов; осеменений; проведения профилактических мероприятий по уходу за животными, техникой; оптимизации режимов работы технологического оборудования; оптимизации параметров микроклимата и др. Управление по этому контуру осуществляется путем расчета на ЭВМ наилучших значений управляющих воздействий («Советов») и их реализации через специалистов фермы путем изменения заданий автоматическим системам в контуре 1 и выдачи их значений в виде документов и регистрации в ЭВМ исполнения.
Контур 3 обеспечивает расчет на ЭВМ среднегодовых технологических показателей и их оптимизацию путем определения (расчета) величин текущих, оперативных и годовых управляющих воздействий. Необходимость в управлении с годовым циклом возникает в том случае, когда управляемый параметр за многолетний интервал времени не остается постоянным и его изменение долж-но происходить по определенной траектории. При этом неизбежны случайные отклонения параметра под действием возмущений, носящих характер случай-ных величин или процессов.

Структурный синтез АСУТП. Рассматривается ряд вариантов, сочетаю-щих в себе различные схемы исполнения защит, систем регулирования, оптимизирующих блоков, систем оперативного управления и оптимизации структуры технологического процесса. Для каждого элемента и подсистемы определя-ют приведенные затраты на механизированный и автоматизированный способы управления.
Для каждого сравниваемого варианта АСУТП, имеющего техническую и производственную целесообразность, рассчитывается эффективность по эле-ментам и подсистемам как разность приведенных затрат и ущербных коэффи-циентов и суммарная эффективность.

Рисунок 2
где запись – приведенные затраты на механизированные и автоматизированные защиты (З) от нежелательных и аварийных режимов оборудования, машин, материала; регулирование (р) и технологических параметров; централизованное (цу), оперативное (оу) и годовое (гу) управления; гаммы1,2…5 – коэффициенты ущербов в разных звеньях управления ( гамма(м) – в механизированном, гамма(а) – в автоматизированном объектах).

По критерию К(опт.АСУТП) оптимизируется система управления путем перебора всех целесообразных вариантов технического исполнения. Вариант, у которого К(опт.АСУТП)=max будет оптимальным, и он принимается к разработке.

Величину Зм определяют по известной методике, а За можно найти по формуле:

Рисунок 3
где Ск – затраты на корм, руб.; Сз – зарплата обслуживающего персонала; Дельта(Сж) – ежегодные расходы на формирование продуктивного стада фермы, руб.; Ст, Сэ – затраты на топливо, энергию; Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (Ен =0,12); Км, Кж, Ка – капитальные на механизированную ферму (базовый вариант, с которым идет сравнение), на промышленное стадо, на автоматизацию, руб.; Этта – процент повышения продуктивности животных за счет раздоя при индивидуальном нормировании кормов с авансированием на восходящей части лактационной кривой; Лямбда – общий процент заболеваний животных в промышленном стаде; Сигма – средняя доля потери годовой продуктивности в связи с заболеванием животных (0,1 – 0,25); Кси – доля сокращения ущерба в результате ранней диагностики заболеваний (0,3 – 0,5); v – повышение продуктивности животных в ре-зультате поддерживания биологических ритмов и соблюдения распорядка дня (оперативная служба может обеспечить v=2 – l0%); П(t) – функция повышения продуктивности стада в результате целенаправленного ведения зоотехнической и племенной работы; G – средний годовой удой на ферме, ц; m – число животных на ферме; М– стоимость мяса, сдаваемого государству при выбраковке животных, руб.; [ Тn;Ц(Р) ] – функция ценности телят (n – число телят, Ц(Р) – их ценность от показателя Р племенных качеств); Н – ценность реализованного навоза, руб.; Этта(м) – коэффициент перевода получаемого молока в нормализованное с учетом жирности и качества.

Для анализа влияния разных факторов на экономическую эффективность автоматизации фермы, необходимо знать пределы изменения величин, входящих в За.

Отчисления на амортизацию и текущий ремонт составляют постоянную долю от капитальных затрат на механизацию, строительную часть и автоматизацию и находятся по справочным изданиям.

Затраты на корм Ск зависят от вида корма, затрат на его производство, норм выдачи и других факторов. При автоматизации Ск могут возрастать или снижаться пропорционально коэффициенту Бетта . Возрастание может происходить в результате интенсификации кормления животных, увеличения норм выдачи, например при раздое; уменьшение вследствие снижения потерь, устранения перерасхода корма и других факторов. Так, при индивидуальном нормировании основных и концентрированных кормов коровам в зависимости от их продуктивности удается уменьшить затраты корма на 5 – 18%, при Бетта=0,05–0,18.
Зарплата обслуживающего персонала Сз – при разных видах и уровнях автоматизации по сравнению с механизированным производством может расти или снижаться, пропорционально коэффициенту ±Епсилон . Снижение затрат живого труда при автоматизации одновременно приводит к общему росту Сз за счет повышения квалификации персонала, появление новых служб эксплуатации автоматики и расширения аппарата управления фермой. Ориентировочно 0,1 <Епсилон < 0,2.

Ежегодные расходы на формирование продуктивного стада фермы Дельта(Сж) зависят от эффективности ведения зоотехнической и ветеринарной
работы, совершенства технологии содержания животных, породы и других факторов. Чем больше срок эксплуатации (использования) животных, тем меньше величина Дельта(Сж). При автоматизации срок службы животных, как правило, повышается, но могут встретиться случаи, когда на автоматическом ком-плексе выгодно идти на сокращение этого срока. При механизированном производстве Дельта(Сж)=0.2 — 0.3Кж (срок службы tж=3–5лет; Kж – капитальные вложения фермы). В результате автоматизации Дельта(Сж) будет изменяться пропорционально а, ориентировочно лежащего в пределах – 0,3 < а < +0,05; затраты на топливо и электрическую энергию Ст, Сэ – при автоматизации животноводческого комплекса снижаются на 5 – 15% (Кэ=Кт=0,05–0,15). Если объект проектируется для работы в автоматическом режиме, общие затраты за счет создания для животных более благоприятного микроклимата возрастают примерно в той же пропорции.

Управлять сложным объектом, каким является автоматизированная ферма с высокоточной техникой, следует по общему показателю.
Особенность системы состоит в том, что о технологическом процессе судят по обобщенному показателю – функционалу |Р(t)|. Система управления выполняется в соответствии с рисунком. Контроль за технологическим процессом осуществляется по текущему значению функционала ||Р(t)||. Это уменьшает «информационную нагрузку» и позволяет решать следующие задачи: выявлять и во время локализовать нарушения технологического процесса, вызы-вающие нежелательное изменение функционала; по значению ||Р(t)|| в промежутке времени (to – Дельта1, to) прогнозировать значение процесса Y(t)=[P(t), S(t)] на отрезке времени (to, to + Дельта2), где Y(t) – вектор «выходов» процесса; S (t) – вектор состояний; Дельта1 – период предыстории; Дельта2 – период упреждения (прогноза).

На основании контроля параметров Y(t) и S(t) в блоке 1 вычисляется те-кущее значение |Р(t)|, которое передается в блок 2 для сравнения с заданным значением. Если |Р(t)| находится в допустимых пределах (А <= Р <= В), то блок 3 сигнализирует об этом.

Рисунок 4
Рис.2. Блок-схема управления технологическим процессом по обобщенному показателю в режиме «совета».
Рисунок 5
Рис.3. Области функционирования процесса по обобщенному показателю.

Если Р < А (уменьшение функционала), в блоке 4 анализируется причина и выдается «cовет» по ее устранению. Аналогично при Р > В в блоке 5 выявляется причина увеличения P(t) и вырабатывается «совет» по снижению величины функционала. Полученные «советы» реализуют управляющий блок 6.
На рисунке показаны области нормального функционирования ТП и отклонений в большую В и меньшую А стороны. На оси абсцисс показаны моменты времени t1, t2, t3 … tn, tn+1, в которые производится вычисление |Р(t)|.

Практическая реализация автоматизированных технологий осуществлена на следующих объектах.

Автоматизированная система управления животноводством и растение-водством в Истринском опытном хозяйстве ВИЭСХ (г. Истра, Московской области, Истринское опытное хозяйство ВИЭСХ). На центральной усадьбе в административном здании установлен диспетчерский пульт, радиостанции связи с подразделениями хозяйства и специалистами; созданы система регистрации поручений и их исполнений; система зоотехнического учета и управления животноводством; информационная система планирования и учета в растениеводстве. Система в целом АСУТП – Истра включает регистратор массы кормов, регистратор массы животных (проходные электронные весы); счетчики надоя молока; измерители жирности молока; измерители белка в молоке; комплекс приборов для оценки качества кормов.

Автоматизированная система управления технологическими процессами на крупной молочной ферме 1000 голов с конвейерной системой содержания (пос. Холязино, Б-Мурашкинского района, Горьковской области, 1984г.) Выполнена компьютерная информационно-управляющая система полнорационного индивидуального кормления коров на движущемся конвейере и конвейерного доения на доильной установке «Карусель» на 40 станков. Применены: созданная ВИЭСХ система распознавания номеров коров; автоматическая система регистрации индивидуальных удоев; автоматическая система дозирования и выдачи в кормушку конвейера индивидуальной дозы кормовой смеси; автоматизированная система зоотехнического учета. Эксплуатация АСУТП в течение 3-х лет подтвердила теоретические расчеты и перспективность конвейерных систем кормления и доения коров.

Автоматизированная информационно-советующая и управляющая система на высокоудойной молочной ферме «Никифорово» (АО Красный Луч, Щелковского района, Московской области, 1987-93гг). Осуществлена и испытана АСУТП типа АИСУ-400, в которую входят подсистемы: распознавания номеров коров на технологических установках; автоматизации доения с регистрацией индивидуальных удоев на 2-х доильных установках «Тандем»; индивидуальной автоматической выдачи концкормов в автокормушках, установ-ленных в боксах; регистрации веса и осмотра коров на электронных проходных весах; расширенного зооветеринарного учета на компьютерах типа IBM. Эксплуатация системы в течение 4-х лет подтвердила теоретические положения и высокую эффективность компьютерной системы.

Автоматизированная система управления технологическими процессами молочной фермы привязного содержания с автопривязью и с индивидуальным кормлением концкормом. (пос. Китово, Шуйского района, Ивановской области).

Осуществлена система с распознаванием номеров животных в стойлах на привязи. Мобильная антенна системы распознавания закреплена на рельсовом раздатчике, который имеет кормушку приманку и движется вдоль ряда стойл. Животные после прогулки или прихода с пастбища распознаются в стойлах и при доении записывается их удой и при раздаче концкормов выдается индивидуальная доза корма. Этот новый вид АСУТП прошел испытания на ферме «Петрилово» в 1995-98гг. В телятнике этой фермы ведется автоматическое взвешивание привесов молодняка на электронных весах АПВС-1000 ВИЭСХ. Испытания подтвердили теоретические положения по построению и расчету параметров АСУТП и электронных весов.

Заключение.

Разработка теории построения автоматизированных высокоточных интенсивных технологий животноводства и практическая реализация теоретических положений на ряде ферм позволили создать научно-техническую базу для создания и широкого внедрения конкурентоспособных отечественных автоматизированных ферм в 2004-2010гг. на уровне мировых достижений в этой области. Это и должно быть признано в качестве основной стратегии машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства и птицеводства.


Литература.
1. Краусп В. Р. Комплексная автоматизация в промышленном животноводстве. Москва, Машиностроение, 1980.
2. Краусп В. Р. Кибернетика, информационные технологии и энергосбережение в электрифицированном сельскохозяйственном производстве. Энер-госбережение в сельском хозяйстве. Труды 2-й Международной научно-технической конф. Т.1. М.: ВИЭСХ, 2000.
3. Краусп В.Р. Становление научных основ автоматизированного управления электрифицированным сельскохозяйственным производством // Научные труды ВИЭСХ. Т.87. М.: ВИЭСХ, 2000.

Эта запись защищена паролем. Введите пароль, чтобы посмотреть комментарии.