Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУ
ДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ 15
1.1 Влияние отходов деятельности животноводческих предприятий на
окружающую среду 15
, 1.2 Основные экологические требования, предъявляемые к животноводче-
ским предприятиям 21
-
Характеристика биогумуса как органического удобрения 30
-
Биология красного калифорнийского червя 37
-
Характеристика компоста как органического удобрения 38
-
Обзор существующих технологий, установок и систем управления
для производства органических удобрений 54
* 1.7 Постановка задачи исследования 77
Выводы по главе 1 85
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА КОМПОСТИРОВАНИЯ 87
2.1. Выбор способа представления модели объекта управления 87
2.2 Выбор и обоснование оптимального режима для производства
компоста с помощью биореактора 90
« 2.2.1 Формулировка критерия оптимальности для решения задачи выбо
ра оптимального режима для производства компоста 90
2.2.2 Влияние типа навоза, выступающего за основу для применяемого
субстрата, и типа органических добавок на длительность технологичес
кого цикла компостирования 92
* 2.2.3 Влияние температуры субстрата на длительность технологического
цикла компостирования 95
-
Влияние влажности субстрата на длительность технологического цикла компостирования 97
-
Влияние концентрации кислорода в биореакторе на длительность технологического цикла компостирования 100
2.2.6 Обеспечение однородности параметров процесса компостирования в
биореакторе 101
2.3 Разработка математической модели вентиляции субстрата 103
-
Постановка задачи моделирования системы вентиляции 103
-
Модель изменения потока воздуха системы вентиляции вдоль вертикальной оси биореактора 109
-
Математическая модель вентиляции субстрата для традиционной системы вентиляции и системы вентиляции с боковой подачей воздуха.... 113
2.4 Сравнительный анализ моделей вентиляции субстрата 114
I 2.4.1 Численное моделирование традиционной системы вентиляции 114
щ 2.4.2 Численное моделирование системы вентиляции с боковой подачей
воздуха 117
2.5 Оптимизация потока воздуха для системы вентиляции с боковой
подачей воздуха 120
2.5.1 Постановка задачи оптимизации функции расхода воздуха вдоль
оси биореактора для системы вентиляции с боковой подачей воздуха 120
2.5.2 Решение задачи оптимизации потока воздуха и анализ полученных
результатов * 126
* Выводы по главе 2 133
3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ 135
3.1 Формулировка критерия оптимальности для решения задачи нахождения
оптимальных режимных параметров процесса производства биогумуса.... 135
-
Определение оптимальной плотности заселения субстрата вермикульту-рой 136
-
Математическая модель изменения численности вермикультуры в течение технологического цикла вермикомпостирования 138
-
Постановка задачи определения изменения численности вермикультуры в течение технологического цикла 138
-
Математическая модель изменения численности вермикультуры
на стадии кокона 140
3.3.3 Математическая модель изменения численности вермикультуры
на стадии молодого червя 145
3.3.4 Математическая модель изменения численности вермикультуры
на стадии взрослого червя 148
3.4 Определение значения расхода воздуха, подаваемого в биореактор
для аэрации 152
3.5 Определение оптимальных режимов по температуре, влажности и
параметру рН субстрата для процесса вермикомпостирования 154
-
Постановка задачи определения оптимальных значений температуры, влажности и параметра рН субстрата 154
-
Описание плана эксперимента «проба пятидесяти червей» 155
-
Описание двухфакторного эксперимента с планом Шеффе 156
Выводы по главе 3 163
4 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОМПОСТИРОВА
НИЯ 165
4.1 Математическая модель процесса компостирования 165
t 4.1.1 Модель изменения температуры в биореакторе в процессе компости-
рования 165
-
Модель изменения концентрации кислорода при подаче воздуха из окружающей среды 169
-
Модель изменения температуры при подаче воздуха из окружающей среды 171
-
Учет влияния теплообмена содержимого биореактора с окружающей средой 172
4.1.5 Выбор переменных состояния и управления биореактором 173
^ 4.1.6 Зависимость коэффициентов системы уравнений движения от пере
менных состояния объекта 175
4.1.7 Выбор оптимальной стратегии управления процессом компостирова
ния 177
4.2 Постановка и решение задачи дискретного управления процессом
компостирования 184
-
Постановка и решение задачи дискретного управления на мезо-фильной стадии 184
-
Постановка и решение задачи дискретного управления на термофильной стадии процесса компостирования 187
-
Постановка и решение задачи дискретного управления на стадии
остывания процесса 198
Выводы по главе 4 204
5 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА
* БИОГУМУСА 205
5.1 Выбор управляемых параметров процесса производства биогумуса ...205
-
Влияние управляющих воздействий на температуру в биореакторе .. 205
-
Влияние управляющих воздействий на изменение влажности субстрата в биореакторе 208
^ 5.1.3 Изменение параметра pH субстрата 210
-
Влияние управляющих воздействий на изменение параметра рН субстрата в биореакторе 211
-
Выбор математического аппарата для разработки системы управления процессом производства биогумуса 213
-
Выбор и обоснование метода управления объектом 218
-
Постановка задачи дискретного управления процессом производства биогумуса 221
5.3.1 Решение задачи дискретного управления температурой в биоре-
* акторе 221
-
Решение задачи дискретного управления влажностью в биореакторе 225
-
Решение задачи дискретного управления параметром рН в биореакторе 228
-
Разработка алгоритма параметрической идентификации моделей
k управления объектом исследования 231
t 5.3.5 Решение задачи дискретного управления процессом производ
ства биогумуса 237
Выводы по главе 5 247
6 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ АВТО
МАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 248
6.1 Постановка задачи реализации эффективной АСУ процессами произ
водства органических компостов 248
* 6.2 Описание биореакторов - установок для производства органических
компостов 252
-
Комплекс технических средств, основанный на локальных средствах автоматики 260
-
Техническая реализация системы управления процессом производства органических удобрений на базе микропроцессорного контроллера 262
Выводы по главе 6 270
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 272
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 275
ПРИЛОЖЕНИЯ 304
\
Введение к работе
Концепция интенсификации сельскохозяйственного производства в практической реализации слабо учитывала комплекс экологических проблем, возникших в современном земледелии.
Возрастание антропогенных нагрузок вызвало снижение плодородия почв. В целом по Российской Федерации за последние 30 лет содержание гумуса в почве уменьшилось на 0.4 % [209].
Мировой и отечественный опыт ведения сельского хозяйства свидетельствует, что на повышение плодородия почв положительно влияют удобрения, особенно органические. На долю органических удобрений в общем балансе питательных веществ в земледелии в целом по России приходится до 40 %. Однако, работы по восполнению органического вещества в почве проводится некомплексно и в недостаточном объеме. Содержание гумуса в почве восполняется лишь на 50 % [209].
Во многих странах широкое распространение получила технология переработки органического сырья при помощи заселения его земляными или навозными червями с целью получения органического удобрения. Подобная технология вермикультивирования названа академиком М.С. Гиляровым «методом зоологического компостирования» [209].
Органические отходы при размножении в них червей быстро теряют неприятный запах и через короткий промежуток времени превращаются в высококачественное органическое удобрение биогумус. Переработка червями по сравнению с традиционным компостированием повышает коэффициент гумификации органического сырья в 1.5-2 раза. Прошедшее интенсивную ферментацию органическое удобрение содержит большое количество экологически активных веществ, ускоряющих прорастание семян, улучшающих прорастание рассады, повышающих устойчивость растений к заболева- ниям. Биогумус способствует получению ранней и экологически чистой продукции [256].
Промежуточным этапом перехода от навоза к биогумусу является процесс компостирования, являющийся часто вполне самостоятельным процессом. Компостирование - это управляемый процесс, который использует микробную деятельность, чтобы преобразовать органическое сырье так, чтобы конечный продукт находился в полутвердом состоянии, в количестве меньшем, по сравнению с начальным количеством отходов, и был избавлен от резких неприятных запахов. Готовый компост имеет более богатую микрофлору, чем плодородные производительные почвы и во много раз выше, чем загрязненные почвы. Поэтому, компостирование требует гораздо меньшее количество времени, чем естественное обезвреживание токсичных материалов.
Колонии микрофлоры в почве (и плодородной и загрязненной) суще ственно изменяются из года в год. В большинстве случаев, внесение компо- I ста значительно увеличивает микробные поселения и их деятельность.. « Так как микробы - первичные агенты для удаления органических за- грязнений в почве, то увеличивая микробную плотность может ускорить переработку органических отходов.
Технологические процессы производства компоста и биогумуса отличается низким уровнем механизации и автоматизации, что с одной стороны, приводит к значительной доле ручного труда, а с другой стороны - ставит в зависимость от умений, навыков, опыта обслуживающего персонала, его психо-физического состояния точность ведения процесса, и, как следствие, качество продукции.
Проблеме повышения эффективности биотехнологических процессов на основе новых технологических приемов, синтеза систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и адаптивного управления посвящены научные исследования ученых Балакирева B.C., Бирюкова В.В., Гордеева Л.С, Лапшенкова Г.И., Лубенцова В.Ф., Матвеева B.E., Меньшутиной Н.В., Уткина В.И., Цирлина A.M., Шубладзе A.M., Юсунбекова Н.Р. и других. Однако, отсутствие системного подхода к исследованию и методологических подходов к созданию и управлению САУ процессом производства органических удобрений снижают эффективность решений задач по автоматизации процессов производства органических компо-стов и делают указанную проблему весьма актуальной.
Целью настоящей работы является разработка методологических основ автоматизированного управления процессами производства органических удобрений.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи: систематизация и сравнительный анализ оборудования и АСУ процессами производства органических компостов; структурная идентификация объекта исследования и разработка математической модели процесса производства органических компостов; поставка и решение задачи оптимального управления многостадийными процессами производства компоста и биогумуса; - техническая реализация модернизированной системы управления процес сом производства органических компостов.
Проведенный в диссертации анализ современного состояния технологических схем и оборудования для производства органических удобрений показал, что все установки имеют общие недостатки, а именно - большой объем ручного труда, сезонность работы, отсутствие оптимальных систем управления. Поэтому в работе большое внимание уделено созданию эффективной установки для производства биогумуса и компоста.
В диссертации рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации процесса производства органических компостов, сформулированы критерии, которым должна удовлетворять система автоматического управления данным процессом. Проведенный с этих позиций критический анализ промышленных систем автоматизации процессов производства орга- нических компостов, а также существующих технических решений в этой области указал на отсутствие отвечающей всем требованиям системы автоматического управления. В связи с этим поставленные задачи решаются применительно к разработанным нами биореакторам - установкам для производства компоста и биогумуса.
Проведенные исследования показали, что для разработки алгоритмов управления процессом производства органических компостов целесообразно применение математической теории оптимальных процессов. В соответствии с технологическим регламентом выбраны и обоснованы критерии оптимальности для различных стадий процесса, на основе которых определены законы изменения управляющих сигналов.
Экспериментально уточнены технологические особенности процессов производства органических компостов, в частности, получены математические модели процесса производства компоста и процесса производства биогумуса (трехпараметрическая оптимизация).
Особое внимание уделено вопросам, связанным с технической реализацией разрабатываемой системы управления. Разработано два варианта комплекса технических средств, в первом из которых предпочтение отдается отечественным средствам автоматики (так называемый - бюджетный вариант САУ), а во втором - предпочтение отдается зарубежным средствам автоматики (экспортный вариант САУ). Приведено описание системы автоматического управления установкой для производства органических удобрений и используемого электрооборудования, дается общее представление о работе отдельных элементов и устройств, а также всей системы автоматического управления в целом.
Для решения поставленных в работе научных задач были использованы методы теории автоматического управления, статистического анализа данных, математического и имитационного моделирования и современные комплексы программ. Полученные данные проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях. 1 Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате теории автоматического управления, имеющего под собой достаточно жесткую математическую основу. Справедливость выводов относительно предложенной системы управления и алгоритмов управления подтверждена математическим моделированием и численным определением параметров модели объекта и алгоритмов идентификации с помощью экспериментальных данных промышленных процессов компостирования и вер-микомпостирования.
Диссертация выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов (АПП) ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ).
Результаты работы реализованы в биореакторе - установке для при готовления компоста; биореакторе - установке для приготовления биогуму- » са; системе автоматического управления процессами производства органиче- * ских компостов, прошедших испытания на ООО ОПХ «Пивоваренный яч- мень» (Липецкая обл), ФГУ «Краснодарский экспериментальный центр биологической защиты растений», ГП Плодосовхоз «Джубгинский» и принятых в эксплуатацию. Акты проведения испытаний приведены в приложении.
Основными статьями экономической эффективности эксплуатируемых систем являются: - сокращение длительности переработки партий исходного сырья за счет поддержания оптимальных технологических параметров процесса (до 15 %); v - повышение качества органических удобрений за счет эффективного исполь- зования действующего оборудования, технологических режимов и определенной оценки хода технологического процесса; увеличение объемов производства за счет возможности круглогодичного производства органических удобрений (до 30 %); сокращение количества обслуживающего персонала.
Годовой экономический эффект от внедрения установки для производства органических компостов превышает 200 000 рублей.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: получена математическая модель системы вентиляции с переменным расходом воздуха вдоль вертикальной оси реактора в процессе компостирования, обеспечивающая минимальный градиент температуры и влажности субстрата; получена математическая модель процесса производства органических компостов, структурно состоящая из математической модели процесса производства органического компоста и процесса производства биогумуса; поставлены и решены задачи оптимального управления многостадийными процессами производства компоста и биогумуса; научно обоснована реализация дискретных управлений для процесса производства компоста и биогумуса.
Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении комплекса технических решений по автоматизации технологических процессов производства органических компостов, а именно: в разработке технологических установок для производства органических компостов; в разработке комплекса алгоритмов и программно-технического комплекса для имитационного моделирования процесса производства органических компостов и синтезе оптимального управления данным процессом.
На защиту выносятся: математическая модель процесса производства органических компостов; функциональная зависимость количества воздуха, подаваемого в реактор для вентиляции в процессе компостирования вдоль вертикальной оси реактора, обеспечивающая минимальный градиент температуры и влажности субстрата; методологический подход к выбору оптимального управления процессом производства органических компостов; алгоритмы оптимального управления процессом производства органических компостов; технические решения, принятые при реализации автоматизированных систем производства компоста и биогумуса.
В диссертационном исследовании решена крупная научно-техническая проблема создания теоретико-прикладных основ построения автоматизированных комплексов по производству органических компостов, имеющая важное народно-хозяйственное значение.
По результатам исследований опубликованы 2 монографии, 31 статья, из них 22 - в научных журналах, рекомендованных для публикаций ВАК, получено 2 патента Российской Федерации.
Результаты исследований докладывались на международных и все российских научных конференциях, а также обсуждались на заседаниях ка федры автоматизации производственных процессов ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» и департамента сельскохо- * зяйственной инженерии Королевского ветеринарного и сельскохозяйствен- v ного университета Г.Копенгаген (Дания)
В процессе выполнения настоящего исследования под научным руководством автора защищена в 2006 году диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук А.Л. Московец.
Автор выражает признательность своему научному консультанту профессору М.П.Асмаеву и всему коллективу кафедры АПП КубГТУ за доброжелательность и участие в обсуждении вопросов, возникших в ходе выполнения предлагаемого исследования.
