Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
Технико-экономический потенциал свиноводства 17
Новые подходы к крупномасштабному производству свинины 25
Анализ технологических процессов промышленного 32
свиноводства
Анализ зоотехнических данных по эффективности корма 35
различной влажности
Технологическое оборудование приготовления и раздачи жидких 40
кормов на свиноводческих комплексах КПС - 54
Психофизиологический аспект проблемы комплексного 47
представления информации оператору
Обзор современных компьютеризированных систем раздачи 51
кормов
Обзор систем создания микроклимата 58
Разработка математических и компьютерных моделей 74
биотехнической системы откорма свиней
Обобщенная модель влияния информатизации управления на 77
эффективность производства
Формулировка задачи оптимального управления откормом 80
свиней и выбор критериев эффективности
Синтез биотехнической модели откорма свиней с обоснованием 83
зависимости привесов от расхода кормов
Оптимизация дозы кормления по экономическим критериям 90
Выводы 94
Моделирование связанного, адаптивного и интегрированного
управления откормом свиней 96
3.1. Синтез взаимосвязанной математической модели выбора
параметров кормления и микроклимата при откорме свиней 99
Эффективность применения частотно-регулируемого привода в системе вентиляции свинарника-откормочника 100
Расчет затрат при содержании свиней при различных температурах 104
Разработка и анализ комплексной компьютерной модели влияния параметров кормления и микроклимата на откорм свиней 105
Выбор структуры и программно-математического обеспечения адаптивного управления откормом свиней 108
Возможности построения интегрированных систем в свиноводстве ; 120
Разработка структуры и алгоритма двухуровневой модели системы управления производственным участком 123 промышленного свинокомплекса
Примерная структура базы данных цеха откорма свинокомплекса 126
Разработка лабораторной модели двухуровневой системы управления участка откорма 129 Выводы 133
4. Совершенствование поточно-механизированных линий
приготовления и раздачи жидких кормов для действующих
свиноводческих комплексов 135
4.1 Разработка новых схем и режимов технологических процессов
приготовления и раздачи жидких кормов 135
4.1.1 Основные требования к параметрам технологических процессов
приготовления и раздачи жидких кормов 135
Экспресс-оценка влажности жидкого корма по величине осадка 140
Дискретно-непрерывный дозатор комбикорма 146 4.1.4.. Модернизация технологического оборудования раздачи жидких
кормов 152
Разработка микропроцессорной системы управления поточно-механизированной линии приготовления жидких кормов 159
Разработка микропроцессорной системы управления поточно-механизированной линии раздачи жидких кормов 169
Программно-информационное обеспечение диагностики технологического оборудования ПМЛ 177 Выводы 185 Методика и результаты экспериментальных исследований ручного и микропроцессорного управления поточно-механизированными линиями приготовления и раздачи жидких кормов в условиях действующего производства 187
Экспериментальные исследования параметров технологических процессов приготовления и раздачи жидких кормов при ручном и микропроцессорном управлении на действующих свиноводческих комплексах 188
Снижение остатков жидкого корма после кормления 189
Оценка эксплутационной надежности микропроцессорных систем управления 201 Выводы 209 Обобщение и оценка экономической эффективности результатов исследований 210
Методология разработки и внедрения информационно-управляющих систем в сельскохозяйственное производство 210
Внедрение результатов исследований в учебный процесс 214
Расчет экономической эффективности внедрения ПМЛ приготовления и раздачи кормов с микропроцессорным управлением на участке откорма типового свиноводческого 221 комплекса
Основные результаты и выводы 226
Список использованных источников 228
5
Приложение 1. Документы о внедрении и испытаниях. 268
Приложение 2. Авторские свидетельства и патенты. 282
Приложение 3. Фрагменты проектной документации. 310
Приложение 4. Математическая модель микроклимата в
свинарнике откормочнике 320
Введение к работе
Актуальность. Продовольственная проблема многие годы является и
продолжает оставаться одной из основных для России, Белоруссии и других
стран СНГ. Стратегия развития животноводства России в 21-м веке в качестве
магистрального направления развития отрасли рассматривает крупные
комплексно механизированные и автоматизированные фермы
[1,5,15,22,163,166,227,259,260].
В настоящее время далеко не все комплексы и фермы промышленного типа по производству свинины работают эффективно, что объясняется слабой кормовой базой, низким уровнем кормления животных во многих хозяйствах, необеспеченностью кадрами, слабой их квалификацией, недостатками в техническом оснащении отрасли животноводства[8,240,246]. В принципе, в промышленные свиноводческие комплексы, были заложены передовые идеи: межпородное скрещивание, поточное производство, жидкое кормление и др [268,278,287]. Но потенциал этих идей используется далеко не полностью, в силу недостатков в организации производства, начиная с нижнего уровня -непосредственного управления технологическими процессами. Поточно-механизированные линии (ПМЛ) приготовления и раздачи кормов, создания параметров микроклимата многократно повысили производительность труда операторов комплекса. Но поточный характер производства вошел в противоречие с функциональной недостаточностью и низкой надежностью средств управления, привел к стрессовой нагрузке на операторов комплексов, обусловил высокую цену аварии технологического оборудования или ошибки управления. В силу несовершенства систем управления не соблюдаются нормы кормления и параметры микроклимата, на интуитивном уровне осуществляется организация движения поголовья. Так результаты исследований действующих комплексов показывают, что поголовье свиноматок в 1,5..2 раза выше проектного, при сокращенных сроках выбраковки, погрешность дозирования кормов составляют 20..40%, внутренняя температура и воздухообмен в
производственных помещениях не учитывает половозрастные характеристики свиней, их массу и количество и т.д.[22,211,212] Даже экологические проблемы зачастую связаны с несоблюдением параметров гидросмыва, что приводит к 2..3 кратному увеличению выхода жидких стоков[ 17,26].
Систематические исследования по совершенствованию технологического
оборудования и систем управления технологическими процессами
промышленного свиноводства в России, Белоруссии и других сіранах СНГ
начаты с 70-х годов прошлого столетия. Под руководством академиков РАСХН
Морозова Н.М. и Сыроватка В.И. в ВНИИМЖе проводятся исследования по
оптимизации комплектов технических средств и моделированию
технологических процессов при производстве свинины, включая производство
комбикормов [196,197,198,251,252]. Под руководством академика РАСХН
Бородина И.Ф. и д.с.-х.наук Мурусидзе Д.Н. (МГАУ) разрабатываются
принципиально новые энергосберегающие технологии и установки для
создания микроклимата [11,12,201,243]. Исследования Кирсанова
В.В.(МГАУ)[154,155,156], Коновалова В. В. (Пензенская СХА)[165], и
Некрашевича В.Ф.(Рязанская СХА)[156,158,159,194] направлены на создание
новых конкурентоспособных средств механизации животноводства.
Совершенствованию существующих и разработке новых технологий и
технических средств для промышленного свиноводства, включая средства
приготовления и раздачи кормов посвящены исследования Калюги В.В.,
Черника Г.В., Хоцко Л.Г. (СЗ НИИМЭСХ) [146-149,284,287], Гутмана В.Н.
(БелНИМСХ) [123-125]. Зоотехнические исследования по влиянию параметров
основных технологических процессов кормления и микроклимата на
воспроизводство и откорм свиней проведены Кабановым В.Д. (МГАВМиБ
имени К.И. Скрябина) [144,145] и Плященко СИ. (БГАТУ, БелНИИЖ) [230],
Махаевым Е.А.(ВИЖ)[187,188]. Проблемы моделирования и
совершенствования систем управления технологическими процессами приготовления и раздачи кормов, в том числе на базе микропроцессорной
техники, оценке влияния погрешности дозирования кормов на прирост массы свиней и экономическую оценку откорма отражены в комплексных исследованиях Крауспа В.Р., Мусина A.M. и Славина P.M. (ВИЭСХ) [172-175, 202-207,247,248]. На формирование идеологии точных технологий в животноводстве направлены работы Кормановского Л.П. (ВИЭСХ) и Михайленко И.М. (АФИ)[166-168]. В рамках федеральной целевой подпрограммы « Развитие животноводства в режиме импортозамещения на внутреннем рынке разрабатываются предложения по реконструкции действующих и строительства новых свинокомплексов на базе новейших технологий [142,143236-239].
Несмотря на имеющиеся трудности, комплексы остаются основой промышленного производства животноводческой продукции [229,235]. В Белоруссии, в лучшие годы, около 70% общего производства свинины давали промышленные свинокомплексы. Затраты кормов и труда на них были в 2..3 раза меньше чем на обычных колхозных фермах. Нынешнее состояние комплексов блестящим не назовешь, но причины этого не однозначны. Многофакторный анализ результатов деятельности комплексов показывает, что наиболее значительное влияние на себестоимость продукции оказывают среднесуточные привесы (коэффициент корреляции равен - 0, 88), удельный расход кормов (коэффициент корреляции равен 0,82) и заполненность производственных помещений (коэффициент корреляции равен 0,78) [31]. Сама идея крупномасштабного производства свинины перспективна, об этом свидетельствует и передовой зарубежный опыт, но реализация имеющегося потенциала требует некоторых принципиальных уточнений и серьезных подходов (усилий) по ее реализации.
Действующие свиноводческие комплексы России, Белоруссии, других стран СНГ, построенные в конце прошлого века, и вновь создаваемые нуждаются в оборудовании и высокоточных системах управления основными технологическими процессами: приготовления и раздачи кормов, обеспечения
микроклимата. Существующие системы управления поточно-
механизированными линиями (ПМЛ), основанные на базе релейно-контактной техники, обладают низкой надежностью и функциональной недостаточностью. При ручном управлении отклонения параметров технологических процессов от нормируемых значений достигают 30..50 %. При этом распределенность и неполная наблюдаемость технологических процессов на промышленных комплексах приводит к аварийным отказам оборудования и невыполнению зоотехнических требований. А также, к снижению привесов, значительному перерасходу и прямым потерям кормов, тепловой и электрической энергии, повышению себестоимости и снижению конкурентоспособности продукции.
Формирование оптимальных условий кормления и содержания свиней, осуществление энерго- и ресурсосберегающих режимов, улучшение условий и повышение престижности труда работников комплексов выдвигают перед наукой проблему создания высокоточных и надежных технологий производства с идентификацией характеристик животных и возможностью адаптации на условия конкретного свиноводческого комплекса. Научно обоснованная модернизация промышленного свиноводства позволит с минимальными затратами достичь значительного технологического эффекта за счет повышения продуктивности свиней и снижения потерь кормов и энергоресурсов. При этом необходимо максимально использовать достижения промышленной мехатроники с учетом специфических особенностей биотехнических объектов. Учет биологии и динамики роста животных, функциональная диагностика технологического оборудования и снятие стрессовой нагрузки оператора комплекса требует перехода от примитивных к сложным многофакторным алгоритмам управления ПМЛ. Однако при этом возникает необходимость соизмерения дополнительных затрат и возможного эффекта от нововведений.
Целью работы является повышение эффективности производства свинины путем совершенствования поточно-механизированных линий с микропроцессорным управлением для откорма свиней.
Для достижения этой цели определены следующие задачи исследования.
Анализ отечественных и зарубежных тенденций совершенствования технологий и технических средств содержания и кормления животных в условиях промышленного свиноводства.
Развитие теоретических положений и разработка математических и имитационных моделей оценки технологического эффекта при точных параметрах откорма свиней.
Синтез и моделирование связанных и адаптивных систем управления ПМЛ в свиноводстве основанных на новых информационных технологиях и позволяющих повысить эффективность производства.
Совершенствование и разработка новых программно-технических средств микропроцессорных систем точного управления ПМЛ приготовления, и дифференцированной раздачи жидких кормов на свиноводческих комплексах с использованием принципов поточного дозирования и функциональной диагностики распределенного технологического оборудования.
Проведение экспериментальных исследований и испытаний в условиях действующих комплексов качества функционирования усовершенствованного технологического оборудования и разработанных программно-технических средств и алгоритмов с оценкой потерь производства от неэффективного управления.
Разработка рекомендаций по внедрению и подготовке специалистов по разработке и эксплуатации ПМЛ с микропроцессорным управлением в свиноводстве.
Объект исследования. Биотехническая система «животное-техника-оператор» в условиях промышленного свиноводческого комплекса.
Предмет исследования. Методы и модели получения технологического эффекта микропроцессорного управления ПМЛ при откорме свиней на промышленных комплексах.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Решения поставленных задач базируются на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии свиноводства, сельскохозяйственной механики, теорий информации и вероятностей, информационных технологий, автоматизированного и адаптивного управления, математической статистики, оптимизации, а также математического моделирования, алгоритмизации и программирования на базе современных средств микропроцессорной и компьютерной техники. Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью и адекватностью разработанных математических моделей, а также результатами государственных испытаний и промышленной эксплуатацией созданных микропроцессорных систем управления ПМЛ приготовления и раздачи кормов на действующих свиноводческих комплексах.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых знаний:
разработана математическая модель прогноза суточной прибавки массы свиней на откорме, позволяющая оценивать влияние погрешности дозирования и оптимизировать выбор величины доз кормления;
созданы новые модели и алгоритмы связанного и адаптивного управления поточными технологическими процессами кормления и обеспечения микроклимата при откорме свиней, а также разработаны численные имитационные модели оценки эффективности такого управления;
конструктивно-технологические модели и поточные технологические линии с микропроцессорным управлением для приготовления и раздачи жидких кормов на свиноводческих комплексах.
Новизна технических решений подтверждена 9 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность работы заключается в создании научно-методических основ и практических методов совершенствования технологического оборудования и разработки микропроцессорных систем управления поточными технологическими линиями откорма свиней. Разработанные ПМЛ приготовления и раздачи жидких кормов с микропроцессорным управлением прошли Государственные испытания и внедрены на ряде промышленных свиноводческих комплексов. Многолетняя промышленная эксплуатация ПМЛ подтвердила экономическую эффективность и социальную значимость модернизации действующих поточных производств на основе микропроцессорных технологий. Создана и внедрена в учебный процесс агроинженернрго университета научно-учебная, методическая и техническая база подготовки специалистов по новым информационным технологиям управления ПМЛ в свиноводстве.
Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены на свиноводческих комплексах «Белая Русь» и «Борисовский» Минской области, а также используются в учебном процессе ФГОУ ВПО МГАУ и Белорусском государственном аграрном техническом университете.
Разработаны и внедрены рекомендации по внедрению микропроцессорных систем управления поточными технологическими процессами на промышленных комплексах.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на международных научно-практических конференциях: «Моделирование сельскохозяйственных процессов и машин» (Минск, 1994, 1996, 2002); «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Углич, 1997, 2002, 2006, Минск 2000, 2003); «Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК» (Минск, 1997); «Современные проблемы сельскохозяйственной механики» (Минск, 1999); «Наука -производству» (Гродно, 2001); «Создание и применение высокоэффективных наукоемких ресурсосберегающих технологий, машин и комплексов» (Могилев,
2001); «Вузовская наука, промышленность, международное сотрудничество» (Минск, 2002); «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2003, 2004); «Advanced technologies for energy producing and effective utilization» (Latvia, Jelgava, 2004); «Информационные технологии в промышленности» (Минск, 2005); «Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве» (Минск, 2004, 2005); «Актуальные проблемы агроинженерной науки» (Москва, 2005, 2006); «Современные технологии образования — фундамент будущего» (Минск, 2002); «Высшее техническое образование: проблемы и пути развития» (Минск, 2004); «Инновационное образование в техническом университете» (Казань, 2004); «Промышленные контроллеры от А до Я» (Москва, 2006, 2007); «Идентификация систем и задачи управления SICPRO '07» (Москва, 2007), а также на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГАУ (Москва, 2006, 2007).
Публикации. По материалам исследований опубликованы 105 научных работ объемом 40,2/31,8 п.л., в том числе 12 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Получено 9 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Она изложена на 333 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 24 таблицы и включает библиографический список из 322 наименований, в том числе 32 иностранных.
На защиту выносятся основные положения диссертации:
математическая модели прогноза суточной прибавки массы свиней на откорме и результатов оценки влияния погрешности дозирования, а также выбора оптимальных доз кормления;
новые модели и алгоритмы связанного и адаптивного управления поточными технологическими процессами кормления и обеспечения
микроклимата при откорме свиней, а также численные имитационные модели оценки эффективности такого управления;
конструктивно-технологические модели и поточные технологические линии с микропроцессорным управлением для приготовления и раздачи жидких кормов на свиноводческих комплексах;
научно-учебная, методическая и техническая базы подготовки специалистов по микропроцессорным технологиям управления в свиноводстве.
В первой главе раскрыта проблема недоиспользования потенциала технологий, заложенных в промышленное свиноводство. При практически одинаковых оборудовании, кормах и породах животных действующие свиноводческие комплексы показывают существенно разные результаты. Одной из главных причин этого является несоблюдение технологических режимов. Сделан обзор новейших достижений в области применения микропроцессорной техники в управлении поточными технологическими процессами в свиноводстве. В заключение главы поставлены задачи исследования.
Во второй главе дана общая постановка задачи управления процессом откорма свиней и приведена биотехническая модель привесов свиней с обоснованием их зависимости от расхода к ормов и их энергосодержания, а также дана оценка влияния погрешности дозирования поточно-механизированных линий приготовления и раздачи кормов на привесы свиней. Подобными задачами занимались Калюга В.В., Краусп В.Р., Мусин A.M., Славин P.M. и др. исследователи. Отличие предложенной модели от известных, носящих регрессионный характер, заключается в применении параметров, имеющих биологическую интерпретацию, благодаря чему структура модели устойчива к данным различных зоотехнических опытов. Показано, что наличие случайных отклонений доз кормления при работе ПМЛ от нормируемых значений приводит к потерям привесов, а выбор нормируемых значений определяется критериями откорма.
Третья глава посвящена синтезу и моделированию связанных и адаптивных систем управления поточно-механизированными линиями кормления и микроклимата при откорме свиней. Путем численного моделирования на ЭВМ показана эффективность выбора параметров и режимов работы ПМЛ с учетом динамики массы и количества животных, а также влияния уровня кормления и условий содержания на границы термонейтральной зоны свиней. Предложен алгоритм адаптивного откорма свиней, позволяющий осуществлять управление откормом свиней с учетом ежесуточной динамики прироста массы свиней и настройкой на условия конкретного комплекса.
В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки с системных позиций усовершенствованных поточных линий приготовления и раздачи жидких кормов для свиноводческих комплексов с учетом синергизма нового микропроцессорного управления и действующего технологического оборудования. Переход к непрерывно-дискретному дозированию комбикормов, повышение равномерности подачи сухих комбикормов и воды в смеситель с оперативным контролем влажности жидкой смеси, поточное дозирование жидких кормов при их параллельной раздаче в нескольких секторах и использование функциональной диагностики оборудования позволили в 1,5..2 раза сократить время раздачи кормов в производственных зданиях и существенно повысить надежность выполнения технологических процессов.
В пятой главе приведены методики и результаты экспериментальных исследований параметров усовершенствованных поточных линий приготовления и раздачи жидких кормов с микропроцессорным управлением в условиях действующих свиноводческих комплексов. Одной из актуальных задач является оценка погрешности ручного управления технологическими процессами кормления свиней в условиях действующего производства. Для решения этой задачи предложено и экспериментально подтверждено
использования информационной составляющей микропроцессорной системы управления.
Шестая глава посвящена обобщению и оценке внедрения результатов диссертационной работы в производство и учебный процесс агроинженерных вузов.
В заключение работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.
Похожие диссертации на Поточно-механизированные линии с микропроцессорным управлением для откорма свиней
