Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологий и технических средств молоковыведения 11
1.1 Анализ существующих технических средств и технологий молоковыведения 11
1.2 Анализ математических моделей процесса молоковыведения 28
1.3 Выбор элементов устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана 36
1.4 Научная гипотеза, цель и задачи исследования 45
2 Теоретическое обоснование параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана 48
2.1 Математическое описание биологической части объекта управления автоматизированной адаптивной системы управления доением коров 48
2.2 Разработка имитационной компьютерной модели БСУ 52
2.3 Теоретическое исследование параметров и режимов работы электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане 58
2.4 Математическое описание статических и динамических характеристик исполнительного органа устройства для управления вакуумом в доильном стакане 65
2.5 Разработка структурной схемы модели процесса доения коров 76
2.6 Теоретическое исследование изменения пропускной способности устройства для управления вакуумом в доильном стакане 79
2.7 Выводы
3.1 Программа экспериментальных исследований 85
3.2 Экспериментальная установка и методика градуировки мкостного преобразователя перемещения мембраны в электрический сигнал 86
3.3 Экспериментальная установка для определения статических характеристик электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане 89
3.4 Методика проведения компьютерных экспериментов 96
3.5 Методика лабораторных экспериментальных исследований 99
3.6 Методика производственной проверки устройства для управления вакуумом 100
3.7 Методика обработки экспериментальных данных 109
4. Результаты экспериментальных исследований 112
4.1 Результаты экспериментов по градуировке мкостного преобразователя перемещения мембраны в электрический сигнал 112
4.2. Результаты экспериментов по получению характеристик х = (p(G ) и UСвых = (p(G) 114
4.3. Результаты экспериментов по получению зависимости вакуума в молочной камере от частоты управляющего сигнала электромагнита P M = (p(f) 118
4.4 Результаты компьютерных экспериментов по идентификации процессов в БТС совместно с устройством для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана 120
4.5. Результаты производственной проверки устройства 123
4.6 Выводы 128
5 Экономическая эффективность использования устройства для управления вакуумом в доильном стакане 130
5.1 Расчет капитальных вложений 131
5.2 Определение годовых эксплуатационных затрат 133
5.3 Технико-экономическая оценка эффективности предложенного решения 136
5.4 Расчет чистого дисконтированного дохода 138
Заключение 143
Литература 146
- Выбор элементов устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана
- Теоретическое исследование параметров и режимов работы электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане
- Экспериментальная установка для определения статических характеристик электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане
- Результаты компьютерных экспериментов по идентификации процессов в БТС совместно с устройством для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Автоматизированные технологии и
установки все шире применяют в молочном животноводстве. Однако многолетнее
их использование практически не приводит к существенному повышению
экономической эффективности производства молока. Одной из причин является то,
что большую часть коров доят высокопроизводительными двухтактными
доильными аппаратами. Поскольку от 25 до 70 % коров в стаде имеют неравномерное развитие вымени, то отдельные доли вымени доятся с опасными передержками, что ведет к их заболеванию маститом, снижению качества молока и удоя по доле вплоть до ее атрофии. Использование более щадящих вымя, но менее производительных трхтактных доильных аппаратов проблему не решает. Поэтому разработка устройств, обеспечивающих высокопроизводительное, но щадящее вымя доение актуальна.
Степень разработанности темы. Исследованию физиологических процессов в вымени коровы посвящены работы Э.К. Вальдмана, И.Г. Велитока, И.Г. Гарькавого, Э.П. Кокориной и других физиологов. Совершенствованию конструкций доильных аппаратов посвящены исследования В.В. Кирсанова, В.Ф. Королева, И.Н. Краснова, Н.А. Петухова, В.Ф. Ужика, Ю.А. Цоя и др. В направлении разработки адаптивных технических средств молоковыведения известны исследования И.К. Винникова, О.Б. Забродиной, Л.П. Карташова, З.В. Макаровской, О.В. Ужик и ряда других отечественных и зарубежных ученых.
К настоящему времени сформулированы зоотехнические и физиологические требования к машинному доению коров, имеются высокопроизводительные доильные аппараты, а также доильные аппараты с регулируемым режимом молоковыведения – изменением частоты и соотношения тактов пульсатора или режима доения, например, путем перехода при снижении интенсивности потока молока с двухтактного на трехтактный режим или на пониженный вакуум, предложены алгоритмы адаптивного молоковыведения. Для реализации последних имеются бесконтактные датчики интенсивности потока молока, современные доильные установки, оснащенные микроконтроллерами и системами идентификации животных. Однако исполнительного органа, способного изменять вакуум в отдельном доильном стакане в широких пределах без усложнения циркуляционной промывки, промышленность не выпускает. В результате анализа имеющихся технических решений за основу такого устройства был принят пневматический повторитель, параметры и режимы работы которого необходимо обосновать с учетом как технических, так и физиологических требований.
Цель работы. Обоснование параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана для доильного аппарата, реализующего молоковыведение, адекватное молокоотдаче по доле вымени коровы.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую и имитационную компьютерную модели процесса доения, включающие взаимосвязанные процессы молоковыведения и молокоотдачи по доле вымени.
-
Методом структурно-параметрической идентификации процесса доения получить статистические оценки параметров биологической составляющей процесса молокоотдачи и сформулировать требования к устройству для управления вакуумом в доильном стакане.
-
Теоретически и экспериментально обосновать параметры и режимы работы устройства с электромагнитным приводом для управления вакуумом в доильном стакане.
4. Провести производственную проверку макетного образца устройства с электромагнитным приводом для управления вакуумом в доильном стакане и подтвердить эффективность предложенных решений.
Объект исследования: процессы в биотехнической системе, включающей долю вымени коровы, и устройство для управления вакуумом в доильном стакане.
Предмет исследования: закономерности изменения параметров и режимов работы биотехнической системы, включающей долю вымени коровы и устройство для управления вакуумом в доильном стакане, в зависимости от конструкции устройства, а также управляющих и возмущающих воздействий.
Научная гипотеза: реализовать молоковыведение, адекватное молокоотдаче по доле вымени, можно с помощью устройства управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана в виде пневматического повторителя с электромагнитным приводом, изменяющим проводимость дросселя в виде узла «сопло-заслонка», если при обосновании параметров и режимов работы устройства учитывать вероятностные оценки параметров биологической составляющей процесса доения.
Рабочая гипотеза: адаптивный алгоритм управления доением в
соответствии с индивидуальными особенностями молокоотдачи по
соответствующей доле вымени коровы можно реализовать с помощью
управляемого микропроцессором устройства, изменяющего вакуум в подсосковом
пространстве доильного стакана в соответствии с интенсивностью потока молока,
если при обосновании параметров и режимов работы данного устройства
использовать математическую модель процесса доения с учетом вероятностных оценок его биологической составляющей.
Научную новизну работы составляют: математическая и компьютерная
имитационная модели адаптивного процесса доения доли вымени коровы,
представляющего собой совокупность взаимосвязанных процессов
молоковыведения и молокоотдачи; значения статистических оценок параметров биологической составляющей процесса доения, полученные путем структурно-параметрической идентификации по реальным кривым молоковыведения по долям вымени; математическая модель устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана с электромагнитным приводом, в виде системы дифференциальных уравнений, коэффициенты которых являются параметрами устройства; результаты экспериментальных исследований параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом на основе макетного образца устройства (патент РФ на полезную модель № 126564); способ и алгоритм адаптивного управления процессом доения коров, уточненный по результатам
обоснования параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом в доильном стакане с электромагнитным приводом (патент РФ № 2536456).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
разработке: устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве
доильного стакана с электромагнитным приводом; математической модели,
описывающей динамику устройства для управления вакуумом; методики
расчета параметров и режимов работы устройства; имитационной модели
процесса доения коров, учитывающей процессы в биологической
составляющей объекта управления и устройстве для управления вакуумом в доильном стакане, позволяющие проводить структурную идентификацию биологического объекта управления, моделировать процесс доения с использованием доильных аппаратов различного типа, настраивать параметры системы автоматизированного адаптивного доения коров.
Методы исследований. При экспериментальном исследовании
статических и динамических режимов устройства для управления вакуумом применены методы теории инженерного эксперимента, методы теории вероятности, а также методы теории систем автоматического управления, математическое и компьютерное моделирование с применением среды МВТУ 3.7 при исследовании биологической составляющей процесса доения.
Положения выносимые на защиту: математическая и компьютерная имитационная модели адаптивного процесса доения, представляющего собой совокупность взаимосвязанных процессов молоковыведения и молокоотдачи по доле вымени коровы; значения статистических оценок параметров биологической составляющей процесса доения, полученные путем структурно-параметрической идентификации по реальным кривым молоковыведения; математическая модель устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана с электромагнитным приводом, в виде системы дифференциальных уравнений, коэффициенты которых являются параметрами устройства; результаты экспериментальных исследований параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом в доильном стакане с электромагнитным приводом; способ и алгоритм адаптивного управления процессом доения коров, уточненный по результатам обоснования параметров и режимов работы устройства для управления вакуумом в доильном стакане с электромагнитным приводом (патент РФ № 2536456).
Степень достоверности и апробация результатов исследований подтверждаются достаточным объемом статистических данных, корректным применением основных законов электротехники, механики и пневматики в сочетании с методами теории автоматического управления, а также экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных цифровых технических средств измерений. Сформулированные в диссертационной работе научные положения и выводы получены на основе анализа и систематизации предшествующих и собственных исследований. Результаты исследований, представленные в работе, подтверждены данными теоретического анализа, расчета и обоснования технических параметров.
Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-
практических конференциях в Азово-Черноморском инженерном институте – филиала ФГБОУ ВО «Донской ГАУ» в г. Зернограде; в ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ, в ФГБНУ СКНИИМЭСХ, в УО БГАТУ (Беларусь, Минск).
Разработанное устройство прошло производственную проверку в ФГУП «Экспериментальное» Россельхозакадемии. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Азово-Черноморского инженерного института – ФГБОУ ВО «Донской ГАУ» в г. Зернограде, а проектно-конструкторская документация на устройство принята для использования ОАО «Азовский оптико-механический завод».
Публикации. Результаты исследований отражены в 2 статьях, в изданиях рекомендуемых ВАК, 9 печатных работах в сборниках научных трудов, получены также 1 патент на полезную модель и 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 111 наименований и 29 листов приложения. Основное содержание работы изложено на 145 страницах компьютерного текста, включая 61 рисунок и 11 таблиц.
Выбор элементов устройства для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана
К недостаткам этой группы устройств, следует отнести громоздкость конструкции, сложность промывки, управление молоковыведением в целом по вымени.
Интересна группа разработок, в которых в конце доения двухтактное доение сменяется более «щадящим» трехтактным доением – двухрежимные доильные аппараты. В частности, в Польше запатентован такой доильный аппарат [104]. Российским аналогом является аппарат, созданный на базе трехтактного доильного аппарата и обеспечивающий в процессе интенсивного молоковыведения (Q 10-12 г/с) переход на двухтактный режим работы с непрерывным отсосом молока из вымени. При снижении интенсивности молоковыведения (Q 6,5 г/с) аппарат переходит на более безопасный и «щадящий» трехтактный режим работы, а когда интенсивность в целом по вымени молоковыведения падает до 3,5 г/с, он отключается [73, 74].
Недостатком работы данных устройств является возможность работы только в двух режимах вакуума в целом по вымени без учета индивидуальных особенностей развития долей вымени. Необходимо учитывать, что при длительном режиме пониженного вакуума происходит недодаивание коровы.
Анализ научно-технической литературы позволил установить, что также ведтся разработка средств для реализации почетвертного доения. Так, например, под руководством профессора В.Н. Шулятьева во ФГБОУ ВО Вятская ГСХА был разработан сигнализатор молокоотдачи [43], позволяющий производить почетвертной контроль молокоотдачи при доении коров и предупреждать оператора об окончании доения. Недостатком данной системы является неполная автоматизация, поскольку в процессе доения оператору машинного доения приходится обслуживать несколько животных, и в случае, если сработает несколько сигналов одновременно, возможно появление «передоя» долей вымени коров.
Известны работы В.М. Радоманского из Тамбовского государственного технического университета, разрабатывающего средства почетвертного доения, способствующие снижению заболеваемости коров маститами за счт изменения конструкции доильного стакана [92]. Ведутся разработки технологий для почетвертного доения и западными производителями доильной техники, здесь заслуживают внимания разработки GEA Farm Technologies [29] и Milkline [58]. В частности разработка GEA Farm Technologies доильный аппарат IQ производит индивидуальное отведение молока от каждой доли вымени, тем самым предотвращая перекрестное заражение молока. Однако, несмотря на почетвертной сбор молока, он не обеспечивает регулирование вакуума или контроль интенсивности молоковыведения по долям вымени. Milkline предлагают систему почетвертного доения P4C, в которую входят динамичный сепаратор потока с четырьмя встроенными ячейками для измерения электропроводимости; дефлектор, исключающий турбулентные потоки молока; электронный пульсатор Servo Pulse P4C с четырьмя независимыми каналами пульсации, что позволяет выбирать различные виды доения (передние – задние; левые – правые); контроллер MilproP4C, соединенный с Servo Pulse P4C и Milpro Dynamic P4C и управляющий функциями процесса доения. P4C обладает рядом преимуществ, в том числе обеспечивает, значительную степень автоматизации процесса доения, однако данный доильный аппарат обеспечивает лишь индивидуальную стимуляцию долей вымени, не обеспечивая регулирование вакуума под соском. Анализ научно-технической литературы и патентные исследования позволили установить, что наличие значительного числа разнообразных конструкций подтверждает тот факт, что пока нет доильного аппарата с управляемым режимом работы, обеспечивающего безопасное адекватное молокоотдаче молоковыведение по отдельным долям вымени.
Перспективным направлением в области совершенствования средств автоматизации молоковыведения, как показывает анализ литературных источников, является разработка адаптивных систем, осуществляющих управление в системе с неполной информацией об управляемом объекте, изменяющееся по мере накопления такой информации [16, 19, 20]. Таким объектом с неопределенностью можно считать биотехнический объект управления, содержащий доильный аппарат – детерминированную составляющую, и корову – биологическую составляющую, информацию о которой управляющему устройству следует уточнять в процессе самого доения. Создание адаптивной системы управления процессом доения возможно, поскольку физиологами процесс молокоотдачи хорошо изучен.
Для формулирования основных требований к адаптивной системе автоматизированного управления доением рассмотрим современные представления физиологов о процессе доения.
Молочная железа – это основная часть вымени животного, состоящего из четырех долей с самостоятельными системами молокообразования и молоковыводящих каналов, заканчивающихся соском. Доли молочной железы сгруппированы в переднюю и заднюю пары. Соединительных каналов между долями вымени нет, следовательно, переход молока из одной доли в другую невозможен. Молоко из доли молочной железы выводят через ее сосок. У большинства коров задние доли более развиты, чем передние и на них приходится 55-60% общего удоя [6]. Молочная железа имеет альвеолярно-трубчатое строение. Альвеолы представляют собой мешочкообразные окончания разветвлнных выводных протоков, впадающих в молочные каналы [3]. Альвеолярная ткань представляет собой губчатую структуру, занимающую большую часть объма доли вымени коровы. Структура альвеолярной ткани (описанная А.В. Немиловым, И.Д. Рихтером, Ю.Т. Техвером [3]) с внутренней стороны выстлана железистыми клетками, имеющими различную форму – от цилиндрической до плоской в зависимости от заполнения альвеол молоком.
В процессе молокообразования происходят фильтрация определенных питательных веществ, поступающих из кровеносной системы, и синтез компонентов молока в результате клеточного обмена в альвеолах. При фильтрации питательные вещества крови проходят через клеточную мембрану и скапливаются в клетке [6]. При накоплении молока железистые клетки увеличиваются в размерах и выводят свое содержимое в альвеолы. Далее расположенные снаружи миоэпитеальные клетки звздообразной формы, сокращаясь под действием нервной системы, выводят молоко из альвеолярной области в проточные камеры внутри вымени [3].
Далее отсюда молоко поступает в цистернальную область, которая отделена от соска мышечной розеткой, предотвращающей проникновение бактерий внутрь вымени при доении коровы, и в сосковый проток, который заканчивается сфинктером, имеющим важные защитные функции и препятствующим проникновению грязи и инфекции в сосок. Согласно исследованиям, проведнным М.И. Придорогиным, причиной тугодойности коров могут служить чрезмерно развитые мышцы в сфинктере соска [3].
Теоретическое исследование параметров и режимов работы электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане
Параметры k 1…k12, T2, T4, T5 T2, T4, T5 – коэффициенты усиления и постоянные времени зависят от физиологических особенностей доли вымени коровы (размер соска, форма и размеры сфинктера, объем цистерны, эластичность тканей, особенности разноса окситоцина кровью, особенности нервной системы и др.) – носят вероятностный характер. Аналитические выражения коэффициентов модели получены в работе [17] и представлены в приложениях 4 и 5, но напрямую можно аналитически получить лишь весьма приближенные их оценки для конкретной доли вымени. Однако при наличии адекватного математического описания с помощью известных методов идентификации по переходным характеристикам объекта и достаточной выборки можно получить их статистические оценки. Поскольку имеется описание процессов в вымени в виде дифференциальных уравнений (2.1), то можно составить структурную схему БСУ, а на ее основе, воспользовавшись одной из современных информационных технологий с возможностью моделирования процессов, получить имитационную компьютерную модель. В случае подтверждения адекватности такой модели можно получить статистические оценки параметров БСУ известным методом структурно-параметрической идентификации [18]. Структурная схема БСУ, построенная по системе уравнений (2.1) и описывающая процессы в доле вымени при доении, приведена на рисунке 2.2. Она имеет вид параллельного соединения в основном апериодических регуляторов переменных состояния, имеет множество обратных связей и отражает влияние каждой переменной на формирование молокоотдачи в БСУ.
В качестве входных переменных физиологических систем организма можно представить управляющие воздействия, формируемые как самим организмом животного в процессе доения (давление в альвеолярной ткани – ра), так и техническими звеньями (рМВ, рН, SН), реализующими целевую функцию БСУ, получение молока. Выходной величиной является интенсивность потока молока по доле вымени G1.
Анализ системы уравнений (2.1) показывает, что при доении аппаратом отсасывающего типа при постоянной глубине вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана рМВ, при неизменной частоте пульсаций в межстенной камере доильного стакана, можно полагать, что для конкретной доли вымени рН = const и SН= const. Тогда очевидно, что кривая молоковыведения представляет собой не что иное, как кривую молокоотдачи, то есть зависимость G1(t)=pa(t). Следовательно, симулируя реальные кривые молоковыведения путем подбора коэффициентов имитационной компьютерной модели можно получить значения параметров для данной доли вымени. А промоделировав кривые молокоотдачи для долей вымени репрезентативной выборки коров, получить статистические оценки параметров БСУ.
Для выполнения поставленной задачи – разработки структурной имитационной компьютерной модели БСУ во взаимодействии с доильным аппаратом отсасывающего типа – применен пакет прикладного программного комплекса "Моделирование в технических устройствах" (ПК "МВТУ 3.7"), который обеспечивает исследование переходных и установившихся процессов в системах любой физической сущности, сложности и практически в любых режимах работы. При исследовании процессов на основе ПК "МВТУ" на экране компьютера получают графики переходных процессов в любой точке сложной системы, а сама модель представляет собой структурную схему, состоящую из функциональных блоков. Преобразованную структурную схему (рисунок 2.3 а) модели вводят в компьютер с помощью библиотек, содержащих 165 типовых блоков, сгруппированных в 11 каталогов, исследование с помощью компьютерного эксперимента производится по обобщенным параметрам.
Полученная по структурной схеме БСУ имитационная модель процесса молокоотдачи на основе ПК "МВТУ" приведена на рисунке 2.3 б.
При моделировании имеется возможность изменять следующие исходные параметры: начальные значения давлений в цистерне, соске и альвеолярной ткани; давление и площадь воздействия со стороны технических средств; постоянные времени цистерны и соска вымени коровы; постоянные времени процессов воздействия резины доильного стакана на сосок вымени; сопротивление проток альвеолярной ткани доли вымени; коэффициенты, учитывающие особенности сфинктера соска доли вымени; коэффициенты усиления отдельных звеньев системы; время моделирования. По окончании моделирования на экране получаем переходные характеристики изменения координат состояния объекта – давлений и расходов на выходе модели и на выходе любого из ее блоков. На рисунке 2.3.в в качестве примера приведен результат моделирования молокоотдачи по доле вымени при следующих значениях исходных данных: длительность моделирования 360 с; Sн = 0,15; Pм =48 кПа; Рн = 48 кПа; Ра = 110 кПа; k12=0,52; T8 = 4,2 с; T7 = 9 с; T6 = 0,72 с; T4 = 0,27 с; k2 = 6,2; k3 = 0,97; k4 = 0,94; k5 = 0,85; T5 = 3 с; k11 = 0,6; k10 = 0,15; k9 = 0,17; T3 = 4 с; k13 = 0,24; k14 = 5,3; k15= 2,5; k16 = 0,64; блок «Действие окситоцина» задан следующими дискретными параметрами: длительность – 0, 10, 20, 30, 40, 50, 250, 270, 300 с; Y – 0, 6, 9, 4, 14, 16, 12, 12, 8, 0 мг. Анализ полученных кривых молокоотдачи показал, что, изменяя параметры модели, можно менять вид кривой молокоотдачи (рисунок 2.4), и практически промоделировать любую из возможных реальных кривых молокоотдачи коровы.
Экспериментальная установка для определения статических характеристик электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане
Установка для получения градуировочной характеристики емкостного преобразователя Uc=f(x) и Ur=f(x) представляет собой вертикальную стойку с делительной шкалой (рисунок 3.2). На стойке закреплены два кронштейна, один из которых подвижный и имеет шкалу Нониуса с ценой деления 0,05 мм (погрешность 0,025 мм), другой неподвижный. На кронштейнах закреплны обкладки емкостного преобразователя, изготовленные из листа меди (толщиной 0,1 мм) диаметром 33 мм и расположенные соосно. За счт конструкции стойки предусмотрена возможность регулирования расстояния между обкладками емкостного преобразователя. Для защиты емкостного преобразователя от внешних электромагнитных помех служит экран с заземляющим проводом. Соединение емкостного преобразователя с добавочным резистором, выполнено экранированным коаксиальным кабелем. Для связи мкостного преобразователя с осциллографом АКТАКОМ АСК 4166 использован разъм BNC с экранированной витой парой. Осциллограф подключн к ПЭВМ посредством USB-интерфейса. Прикладное программное обеспечение осциллографа позволяет в реальном времени записывать выходной сигнал емкостного преобразователя, а также осуществлять спектральный анализ полученных данных.
При подключении генератора высоких частот к мкостному преобразователю посредством разъмов BNC и каналов А и В осциллографа осуществляется запись в память ПЭВМ сигналов напряжения с емкостного датчика и добавочного сопротивления (рисунок 3.2.). Соединены гнзда осциллографа и вертикальной стойки 3 посредством экранированной витой пары со штекерами BNC.
После соединения компонентов данной экспериментальной установки, необходимо проверить правильность подключения всех узлов. После подключения устройств: ПЭВМ, генератора высоких частот и осциллографа к сети, необходимо установить на генераторе высоких частот частоту 3 МГц с синусоидальной формой выходного сигнала, присоединить выводы генератора высоких частот 1 к выводам емкостного преобразователя 2, расположенного на стойке 3. Запускаем на ПЭВМ программное обеспечение осциллографа АКТАКОМ АСК 4166, после чего выставляем требуемое расстояние между обкладками посредством делительной шкалы и шкалы Нониуса. Далее начинается фиксация и запись сигналов UC (напряжение на емкости), Ur (напряжение на добавочном резисторе). Посредством программного обеспечения производится сохранение сигналов с добавочного резистора и емкостного преобразователя в формате AUL. Эксперименты выполнялись в трехкратной повторности с использованием рандомизации. 3.3 Экспериментальная установка для определения статических характеристик электромагнитного привода устройства для управления вакуумом в доильном стакане Для исследований статических и динамических характеристик был создан макетный образец устройства на базе коллектора трехтактного доильного аппарата (рисунок 3.4).
Проверка теоретических положений, описывающих зависимости перемещения мембраны от интенсивности молоковыведения x = (G), напряжения на выходе емкостного преобразователя от интенсивности молоковыведения UСвых = (G) и вакуумметрического давления в молочной камере от частоты управляющего сигнала электромагнитного привода узла сопло-заслонка P M=(p(f) устройства, проводилась на экспериментальной установке, принципиальная схема которой представлена на рисунке 3.5, а вид общий - на рисунке 3.6.
Для создания вакуума необходимого уровня в системе использовалась вакуумная система агрегата индивидуального доения АИД-2, технические характеристики которого приведены в таблице 3.1.
Интенсивность потока молока контролировали оптоэлектронным датчиком расхода молока (интенсивности молоковыведения) 9. Вакуумный баллон 2 служит вакуумным ресивером для стабилизации вакуумметрического давления (далее «вакуум») всей системы. Посредством регулирующего клапана 3 устанавливается необходимый согласно эксперименту вакуум в системе. Регулируемый дроссель 5 10 позволяет менять сечение жиклра в управляющей камере устройства, а посредством изменения проводимости вентиля 17 устанавливалась заданная интенсивность потока молока (расход молока) в системе.
Для определения величины удельного расхода использовали блок питания с таймером 20 и запирающий электромагнитный клапан 16.
После установления необходимого вакуума в системе на блоке питания 20 нажимают кнопку «ПУСК», которая посредством установленного магнитного пускателя подат напряжение 12 В на запирающий электромагнитный клапан 16. Он открывает молокопровод для движения молока из мкости 12 через молочную камеру устройства 7 в мкость 5. Далее через 50 секунд срабатывает реле времени, которое отключает запирающий клапан 16, тем самым перекрывая поток жидкости в системе. Затем посредством измерительной мкости и электронных весов определяется объм и масса жидкости, и вычисляется удельный е расход.
Посредством подачи прямоугольного периодического сигнала на электромагнит 8 привода узла «сопло-заслонка» устройства для управления вакуумом в доильном стакане происходит дросселирование воздуха атмосферного давления в управляющую камеру устройства 7, тем самым обеспечивая изменение вакуума в управляющей и соответственно в молочной камерах устройства 7.
Для контроля уровня давления в молочной камере устройства 7 установлен датчик (датчик-преобразователь) давления 13 измерительный фирмы РОСМА РПД-В, который подключается к измерительной системе осциллографа посредством добавочного сопротивления, внедрнного в токовую петлю, имеющего следующие характеристики: - питающее напряжение 12… 36 В; - выходной сигнал 4… 20 мА; - минимальный верхний предел давления - 0 МПа; - максимальный верхний предел давления - 0,1 МПа; - степень защиты IP65; - резьба соединения М20х 1,5. Для контроля сигнала датчика давления к токовой петле подключается мультиметр 19. Для записи в реальном времени сигналов с емкостного преобразователя 19 напряжений Uc и Un сигнала с добавочного резистора датчика вакуумметрического давления 13 Up и сигнала с датчика интенсивности расхода молока 9 в зависимости от целей эксперимента выводы датчиков подключали на каналы А и В осциллографа АКТАКОМ 4166 14.
Осциллограф АКТАКОМ АСК 4166 позволяет кроме записи сигнала производить его спектральный анализ посредством ПЭВМ 21, а также импортировать данные в MS Excel для хранения и последующей обработки. Технические характеристики осциллографа АКТАКОМ АСК 4166 представлены в таблице 3.2.
Результаты компьютерных экспериментов по идентификации процессов в БТС совместно с устройством для управления вакуумом в подсосковом пространстве доильного стакана
Расчт экономической эффективности выполнен для варианта применения предлагаемого устройства управления вакуумом в доильном стакане в составе системы автоматизированного управления доением, осуществляющей молоковыведение по четырем долям вымени.
За базовую установку принята доильная установка УДА-16 типа «Ёлочка» с компьютерной системой управления процессом доения с распознаванием коров по индивидуальному датчику. Расчт экономической эффективности от внедрения разработанного устройства проведн с учтом рекомендаций [50, 87, 90].
Основными показателями экономической оценки использования результатов научных исследований служат прирост производства продукции, улучшение е качества, получаемый в хозяйстве годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода или прибыли.
Чистый дисконтированный доход (ЧДД) определялся превышением суммарных результатов над суммарными затратами, приведнными к начальному шагу (году, кварталу) и рассчитывался по формуле ЧДД = Ъ{Д,-И,)-,+ Е у, (5.1) где Дг - дополнительный доход на шаге расчта?, руб.; И( - эксплуатационные затраты на шаге расчта t без учта капиталовложений, руб.; t - горизонт расчта, лет; Ер - норма дисконта капитала; Е р = 1Е-1, (5.2) где г - уровень инфляции, о.е.; 131 5.1 Расчет капитальных вложений Расчет капитальных вложений проведен на технические средства, какие используются системе управления автоматизированной адаптивной системы доения и доильной установки УДА-16 «Ёлочка» [62]. Капиталовложения в исходном варианте Кисх = пуст (ЦДУ + ЦСтА)-К, (5.3) где ЦДУ - цена доильной установки УДА 16 «Ёлочка», руб.; Пуст - количество доильных установок в доильно-молочном блоке; К - коэффициент корректировки, учитывающий торговые наложения, транспортные расходы и расходы на монтаж. Если машине требуется монтаж, то К=1,1... 1,3. КВбазовые = 3000000 1,1 = 3300000 руб. Капиталовложения предложенного варианта КВпредложенные = КВбазовые + Сп . к . . (5.4) Стоимость проектируемой системы Спк = Цо +Мн +Нр+Пн, (5.5) где Ц0 - цена оборудования, руб.; Мн - затраты на монтаж и наладку, руб.; Нр - накладные расходы, руб.; Пн - плановые накопления, руб. Расчет стоимости оборудования, которое входит в проектируемую систему автоматизированного адаптивного доения и доильной установки УДА-16 «Ёлочка», приведен в таблице 5.1.
Эксплуатационные затраты включают все расходы по применению технического решения и определяются в исходном и проектируемом вариантах по формуле Иэ=Зпж +А + ТР +СЭ +ПР, (5.9) где Зпл - заработная плата обслуживающего персонала, руб.; А - амортизационные начисления, руб.; Тр - отчисления на техническое обслуживание и ремонт, руб.; Сэ - годовые затраты на потребленную электроэнергию, руб.; Яр - прочие прямые затраты, руб. Заработанная плата обслуживающего персонала ЗП = 3осн + 3„ + Здоп + Зс1с, (5.10) где 3осн - основная заработная плата, руб.; Зн - размер премии из фонда заработной платы, руб.; Здоп - дополнительная заработная плата, руб.; Зс/С - отчисление на все виды страхований, руб.; 3осн.=Тгод.-тср, (5.11) где Тгод - годовая трудоемкость обслуживания ЭО, чел.ч.; тср - тарифная ставка электромонтера 5 разряда за 1 час работы по ЕТС, руб. [49], 5501-1,268 г, = = 39,54 руб., Ъразряда 25,2-7 где 5501 - размер минимальной месячной ставки второй квалификационной группы первого квалификационного уровня, руб.; 1,268 - тарифный коэффициент ЕТС, соответствующий 5 разряду; 25,2 - среднее количество рабочих дней в месяце для шестидневной рабочей недели; 134 7 - продолжительность в часах рабочего дня при шестидневной рабочей недели. Условными единицами учтены аппараты управления, контроля и защиты: ЗТисх =87,51 чел.-ч. ЗТпр. =87,58 чел.-ч. 3 = 87,51 39,54 = 3460,15 руб. 3JH = 87,58 39,54 = 3462,91 руб. Отчисления на все виды страхований Зс/с рассчитывают в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы Зс/С. = 3осн. ссп адоп аотч, (5.12) где 3осн - основная заработная плата, руб.; ап - коэффициент, учитывающий премии по фонду оплаты труда, принимается в размере 1,2… 1,4; адоп - коэффициент, учитывающий размеры дополнительной оплаты труда, принимается в размере 1,12… 1,16; аотч - коэффициент, учитывающий отчисления на все виды страхования, принимается 1,3 (В соответствии с положениями ст.58.2 закона №212-ФЗ (а так же - ст.33.1 закона №167-ФЗ) 22% - ПФР, 2,9% - ФСС РФ, 5,1%. -ФФОМС) 3 = 3460,15 1,2 1,12 1,3 = 6046 руб. 3Z. = 3462,91 1,2 1,12 1,3 = 6051 руб. Амортизационные отчисления