Енергоощадна система управління виробництвом у промисловому пташнику

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 636.5252/58:62 503.51

05.09.16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Енергоощадна система управління виробництвом у промисловому пташнику

Болбот Ігор Михайлович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Лисенко Віталій Пилипович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри автоматизації сільськогосподарського виробництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Фурман Ілля Олександрович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій

кандидат технічних наук, доцент Квицинський Анатолій Олександрович, Національний аграрний університет, доцент кафедри електропостачання сільського господарства

Провідна установа - Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, с.м.т. Глеваха Васильківського району Київської області

Захист відбудеться “8” червня 2004 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус № 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус № 4, к. 41

Автореферат розісланий “7” травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лут М. Т.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Птахівництво - одна з перспективних галузей сільського господарства, що дає цінні продукти харчування - яйця та м'ясо. За останні роки птахівництво зробило значний крок вперед, валове виробництво продукції та її попит серед населення постійно зростає.

У той же час птахівництво є складним і взаємопов'язаним комплексом технологічних, біологічних, економічних та соціальних факторів. Зазначену особливість такого виробництва слід враховувати при забезпеченні його ощадливим енергопостачанням. Проблема енергозбереження набуває особливої актуальності, оскільки на сьогодні енергоємність продукції вітчизняних виробників перевищує відповідний рівень західних країн у 2,5-3 рази. Так неоптимальне управління температурою повітря в пташнику є причиною зменшення продуктивності птиці і призводить до витрати близько 2,5-3,0 МВт. год. енергії на 1000 яєць. При цьому у структурі прямих витрат енергоресурсів на виробництво продукції птахівництва частка опалення та вентиляції складає 75%. Для її зменшення слід запровадити комплекс різноманітних енергозберігаючих заходів, управління якими на основі комп'ютерно-інформаційної системи дозволить суттєво зменшити витрату енергоресурсів та збільшити прибуток птахівницького підприємства в цілому.

Головною запорукою ефективного виробництва яєць на промисловій основі є раціонально збалансоване у відповідності до цін на ринку використання ресурсів, пов'язаних з виробництвом, що дозволяє підприємству отримувати максимальний прибуток. Актуальність цього заходу пов'язана з динамікою цін на продукцію птахівництва та енергоносії, тому вести виробництво слід з позиції отримання максимального прибутку, коли враховуються технологічні особливості об'єкта управління, у тому числі й біологічні особливості птиці та кон'юнктура ринку.

Створення енергоощадної системи управління виробництвом (ЕСУВ) дозволить врахувати зазначені особливості об'єкта управління. Розробка і використання методів та алгоритмів визначення оптимальних параметрів управління виробництвом продукції птахівництва є актуальною науково-технічною проблемою. Вирішення цієї проблеми дасть змогу визначати економічно доцільні параметри температурного режиму в пташнику, що зменшить витрати енергетичних ресурсів, забезпечивши при цьому відповідну несучість птиці, і тим самим збільшить прибуток підприємства.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дослідження виконані у відповідності з планами науково-дослідної роботи Національного аграрного університету за темою “Розробка енергоощадних систем автоматичного управління технологічними процесами та виробництвами на сільськогосподарських підприємствах промислового типу” (номер державної реєстрації № 0103U006013).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у зменшенні енергетичних витрат і підвищенні продуктивності птиці при виробництві яєць шляхом використання законів тепло-масообміну, що протікають у пташнику, та дослідження впливу температурного режиму на біологічний об'єкт з урахуванням кон'юнктури ринку щодо вартості енергетичних ресурсів, кормів та продукції птахівництва.

Для досягнення зазначеної мети потрібно вирішити наступні задачі:

Проаналізувати вплив технологічних параметрів промислового пташника на продуктивність птиці та оцінити енергоємність процесу її утримання, сформулювати вимоги до енергоощадної системи.

Розробити математичну модель виробництва яєць у пташнику з урахуванням теплотехнічних та енергетичних параметрів пташника, біологічних особливостей птиці та кон'юнктури ринку.

Обгрунтувати метод визначення та уточнення параметрів математичної моделі виробництва яєць у пташнику.

Розробити метод локалізації датчиків температури, що дозволить відтворити температурне поле в місцях концентрації птиці.

Розробити і провести виробниче випробування енергоощадної системи управління виробництвом у промисловому пташнику та визначити показники її економічної ефективності.

Об'єктом дослідження є процес забезпечення температурного режиму в промисловому пташнику при виробництві яєць.

Предметом дослідження є установлення взаємозв'язку між витратами енергоресурсів і температурним режимом у пташнику з урахуванням його впливу на несучість, споживання корму птицею та впливу кон'юнктури ринку на виробництво.

Методи досліджень. Дослідження системи проводилися з використанням методу найменших квадратів (МНК), чисельного методу пошуку екстремуму, методів математичної статистики та планування експерименту. У методі локалізації датчиків температури повітря проведена оцінка щільності розподілу випадкової величини - температури повітря. Теоретичні та експериментальні дослідження ЕСУВ у промисловому пташнику проводилися з використанням стандартного програмного забезпечення Mathcad 2000 professional, Advantech GENIE 3.01 та розробленого автором на мові програмування Visual Basic for Application.

Наукова новизна отриманих результатів

Теоретично та експериментально обгрунтовано шляхи визначення економічно доцільного значення температури повітря в пташнику з метою забезпечення максимального прибутку виробництва при мінімуму енерговитрат.

Вперше розроблено математичну модель процесу виробництва яєць у пташнику, яка враховує технологію виробництва, змінність витрат енергоресурсів на створення потрібного температурного режиму в пташнику, біологічні особливості та продуктивність птиці, кон'юнктуру ринку щодо вартості енергетичних ресурсів, кормів та продукції птахівництва, що дозволяє визначити економічно ефективне значення температури повітря, у пташнику.

Обґрунтовано та визначено необхідну кількість енергетичних ресурсів для забезпечення температури повітря в пташнику на базі законів тепло-масообміну, що протікають у пташнику та розробленої математичної моделі несучості птиці залежно від її віку і температури в пташнику.

Дістало подальший розвиток дослідження температурного поля пташника, що дозволить зменшити енергетичні витрати на забезпечення температурного режиму в пташнику і збільшити несучість птиці на основі розробленого методу локалізації датчиків для врахування температури в місцях концентрації птиці в пташнику.

Практичне значення отриманих результатів

Обгрунтовано спосіб визначення економічно ефективного значення температури повітря в пташнику з урахуванням технологічної, біологічної та економічної складових процесу виробництва яєць на промисловій основі з огляду на динаміку об'єкта управління.

Розроблено структуру енергоощадної системи управління виробництвом яєць у промисловому пташнику, технічна реалізація якої забезпечена на основі сучасних апаратних та програмних засобів.

Розроблено рекомендації, алгоритм та програмне забезпечення локалізації датчиків температури в пташнику, що дозволяє визначати температуру безпосередньо в місцях концентрації птиці.

Створена енергоощадна система управління виробництвом дозволяє збільшити прибуток виробництва яєць у промисловому пташнику за рахунок зменшення енергетичних витрат і підвищення несучості птиці, що підтверджено актом випробування системи в пташнику закритого акціонерного товариства “АГРОМАРС” с. Гаврилівка Вишгородського району Київської області.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком роботи автора. Здобувач особисто обгрунтував актуальність теми, основний зміст роботи. Основна частина теоретичних та експериментальних досліджень виконана автором самостійно. Теоретичні дослідження полягають у розробці математичної моделі процесу виробництва продукції птахівництва та методу локалізації датчиків температури повітря у пташнику. Експериментальні дослідження ЕСУВ у промисловому пташнику проводились з використанням розробленого автором програмного забезпечення мовою програмування Visual Basic for Application.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались та обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції “Автоматика та комп'ютерні технології в промисловості та АПК” (КДТУ, Кіровоград, 2002 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми електрифікації та автоматизації сільського господарства” (НАУ, Київ, 2002 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Механізація і енергетика сільського господарства” (НАУ, Київ, 2003 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес в сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, Глеваха, 2003 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 праць, в яких викладено основний зміст роботи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, списку літератури та додатків. Робота викладена на 166 сторінках машинописного тексту, включає 12 таблиць, 34 рисунки, 135 бібліографічних посилань (в тому числі 10 іноземними мовами), 4 додатки.



Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження з точки зору впровадження у птахівництві систем енергоощадного управління виробництвом. Визначено мету і основні завдання досліджень, розкрито наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі “Особливості температурного режиму в пташниках яєчного напряму” проведено аналіз літературних джерел, який показав, що проблемами моделювання процесів у пташнику, розробки систем управління технологічними параметрами та енергозбереження займаються І.І. Мартиненко, Н.Л. Гірник, М.О. Корчемний та інші. Математичне моделювання біотехнічних систем в сільському господарстві викладено в окремих працях Дж. Торнлі, В.А. Грабаурова.

З літературних джерел відомо, що продуктивність птиці протягом періоду її утримання змінюється у першу чергу з віком та під впливом температури. Окрім того з огляду на, кліматичні умови України, температура в приміщенні для птиці потребує регулювання. Це пов'язано з тим, що середні значення температури повітря навколишнього середовища виходять за межі зони їх оптимальних значень, припустимих для організму птиці.

Проведений аналіз порівняння біологічних особливостей різних порід, кросів птиці показав, що їх несучість і вага не тільки відрізняються, а й змінюються з віком. Збільшення кількості яєць, які отримують на сучасних птахофабриках, залежить не лише від генетичних показників, але й від сприятливих умов утримання птиці.

На продуктивність птиці у пташнику впливає велика кількість факторів, головним серед яких є температурний режим. Залежно від породи, птиця досягає максимальної несучості при певній температурі повітря. Температура в пташнику впливає також на масу яєць та їх якість, споживання птицею кількості корму, води та її самопочуття. При зниженні температури в приміщенні зменшується несучість птиці, збільшується витрата кормів на виробництво яєць. При підвищеній температурі несучість також знижується, птиця споживає більше води, і співвідношення між кормами і водою зростає.

Б.Х. Драганов у своїх працях показав, що температура в пташнику залежить від температури зовнішнього середовища, теплофізичних властивостей самого пташника. Тому на забезпечення оптимальної температури в пташнику слід витрачати різну кількість енергетичних ресурсів системами підтримання температурного режиму, які відрізняються енергоносіями та ККД.

У цьому розділі показано, що забезпечення пташника відповідним температурним режимом потребує значних енергетичних витрат - близько 2,5-3,0 МВт. год. на 1000 яєць. Близько 75% цих витрат пов'язані з опаленням і вентиляцією пташника. Визначення та підтримання оптимальної температури повітря, що гарантує максимальний вихід продукції, дозволить скоротити енергетичні витрати. Особливо це стосується зимового та перехідного періодів року, коли система повинна покривати дефіцит тепла у приміщенні пташника.

У другому розділі “Математична модель виробництва яєць на промисловій основі” наведено алгоритм побудови математичної моделі, яка використовується для оптимального управління виробництвом у промисловому пташнику. Як вже зазначалось, в останні роки спостерігається непропорційна зміна вартості продукції птахівництва, кормів та енергетичних ресурсів, що часто призводить до неефективного виробництва. Для визначення економічно оптимального рішення організаційно-економічні, біологічні та технологічні процеси поєднано в єдиний комплекс.

Оптимальне вирішення цієї проблеми здійснювалось на основі розробленої відповідної математичної моделі, яка враховує біологічні і теплофізичні процеси в пташнику, і в повній мірі відтворює динамічні властивості реального об'єкта. Така математична модель дозволяє накопичувати і враховувати інформацію про зміну температури зовнішнього середовища, кількість, масу, вік і продуктивність птиці, теплопровідність та розміри пташника, енергетичні витрати, вартість продукції, корму та енергетичних ресурсів.

Вона може бути представлена у вигляді багаторівневої конструкції. Для нашого випадку модель має один вхід та кілька виходів. Структура її зображена на рис.1.

На вхід системи надходить сигнал в - температура в пташнику, на яку впливає збурююча дія Из. Залежність в=f(Из, n, P) - це вплив зовнішньої температури, кількості та ваги птиці на температуру в пташнику. На кількість продукції w1(в, t, n) впливає температура в пташнику, вік та кількість птиці. Енергетичні витрати w2 залежать від температури в пташнику. Споживання корму птицею w3(в, n) залежить від температури в пташнику та кількості птиці. Збурюючі дії g1 , g2 та g3 визначаються вартістю продукції птахівництва, енергоносіїв і корму. На прибуток, який може бути отриманий від реалізації продукції, впливає кількість продукції та її вартість: y1=f(w1 ,g1). Енергетичні витрати залежать від обсягів енергоносіїв та їх вартості: y2=f(w2 ,g2). У свою чергу, витрати на корм залежать від кількості його споживання птицею та вартості y3=f(w3 ,g3).

Температура повітря в пташнику повинна постійно бути оптимальною, що забезпечить максимізацію прибутку. Прибуток визначається як:

> max,(1)

де t0, t1 - початковий та кінцевий моменти часу інтервалу, за який визначається прибуток;

,(2)



де g1 - вартість одного яйця, грн;

,(3)

де g2 - вартість 1 кг умовного палива, грн;

,(4)

де g3 - вартість 1 кг корму, грн.

Як вже зазначалось, на несучість впливає не лише температура навколишнього середовища, а й вік птиці. Оскільки існують її різні породи і кроси, то математична модель несучості не може бути універсальною, а повинна враховувати біологічні особливості птиці.

Таким чином, виникає потреба побудови такої математичної моделі, параметри якої могли б адаптуватися до реального об'єкта. Реалізувати зазначене можливо шляхом використання адаптивного алгоритму уточнення параметрів моделі на кожному кроці одержання інформації про об'єкт.

Застосуємо адаптивний алгоритм визначення та уточнення параметрів математичної моделі на кожному кроці одержання інформації про об'єкт, в основі якого лежить метод найменших квадратів. Аналіз матеріалів М. Енсмінгера, К. Торнбера і Р. Джонса дозволяє зробити висновок, що несучість птиці від температури визначається у вигляді такої залежності:

, штук/доб,(5)

де а1, а2, а3, а4 - коефіцієнти моделі;

Рівняння (5), як правило, задовільно описує процес лише поблизу тієї області значень змінних і збурень, для якої вони одержані. Рівняння слід коригувати шляхом перераховування коефіцієнтів аi , після того, як буде отримана нова інформація про об'єкт.

У матричному вигляді систему умовних рівнянь (5) можна записати як:

y = X?z,(6)

де X - матриця розміру mn,

z - невідомий m - мірний вектор коефіцієнтів аі,

у - відомий п - мірний вектор вимірювань уі.

Якщо п=m i визначник матриці Х не дорівнює нулю, вектор а визначається:

z =X-1y.(7)

Якщо пm, оберненої матриці не існує i не існує єдиного розв'язку рівняння (6). Ми повинні відшукати найкращу в деякому сенсі апроксимацію. У цьому випадку одним з шляхів знаходження невідомих параметрів аі є використання МНК, тобто визначення коефіцієнтів регресії аі шляхом розв'язку системи рівнянь, одержаної з врахуванням (6). Найкраща апроксимація забезпечується оберненням матриці Х.

На основі статистичних даних знайдемо невідомі параметри а1, а2, а3, а4. Функція (5) є нелінійною по а2 i а4. Задамося довільними початковими значеннями а10, а20, а30, а40:

a1 = a10 + z1; a2 = a20 + z2; a3 = a30 + z3; a4 = a40 + z4.(8)

Підставимо ці вирази в рівняння (6), розкладемо функції уk за ступенями z1, z2, z3, z4 і обмежимося першими ступенями поправок:

(9)

Де

;;(10)

;.

Систему умовних рівнянь (9) зводимо до нормальної системи (6), де матриці у та Х на основі інформації матеріалів М. Енсмінгера, К. Торнбера і Р. Джонса, мають вигляд:

;(11)

.(12)

Як зазначалось раніше, розв'язок системи умовних рівнянь (6) має вигляд (7). Розв'язавши систему (7) за умов врахування виразів (11), (12), знайдемо, z1, z2, z3, z4:

.(13)

Підставимо коефіцієнти z1, z2, z3, z4 в рівняння (8). Тим самим знайдемо а1, а2, а3, а4. Позначимо їх через а10 , а20 , а30 , а40, робимо другу ітерацію, розв'язавши систему (7) при (11) та (12), отримаємо нове наближення невідомих а1, а2, а3, а4.

Питання про збіжність послідовних наближень повинно розглядатися для кожної моделі окремо. Зважаючи на те, що дослідження збіжності достатньо складне, як правило, обмежуються з'ясуванням практичної збіжності, тобто процес наближення продовжується до того часу, поки вектор у не буде в межах заданої точності від уі (наприклад 5 %):

.(14)

Кінцевим результатом є одержання коефіцієнтів математичної моделі несучості від температури: а1 = -90,93183, а2 = 0,0588453, а3 = 91,3916, а4 = 0,0578152. Знаючи ці коефіцієнти, підставляємо їх в рівняння (5) і одержуємо математичну модель несучості від температури в пташнику (див. рис. 2).

Розглянемо статистичні дані залежності несучості птиці від віку, що наведені в матеріалах Р.М. Славина. Застосуємо адаптивний алгоритм уточнення параметрів моделі на кожному кроці одержання інформації про об'єкт для нелінійної функції відносно невідомих параметрів моделі. Аналіз матеріалів дає можливість стверджувати, що отримані статистичні дані можуть бути описані таким виразом:

(17)

де с1 , с2 , … , с8 - шукані параметри моделі.

Знайдені значення коефіцієнтів с1 , с2 , … , с8 підставляємо у рівняння (17) і одержимо математичну модель несучості від віку птиці, яка наведена на рис.3.

Отримавши yт та yв будуємо математичну модель несучості від віку птиці та температури в пташнику, яка наведена на рис. 4:

,(18)

де max(ут) - максимальне значення несучості птиці, шт

За умов зміни температури у приміщенні змінюється не лише несучість птиці, а й витрата кормів на виробництво яєць.

Для опису кількості споживання корму птицею залежно від температури використано матеріали К.Торнбера і Р.Джонса та рівняння (19). За допомогою адаптивного методу відшукаємо значення коефіцієнтів рівняння:

, кг/доб,(19)

де v1 = 0,162444, v2 = 0,0122108, v3 = 0,0056582, v4 = 0,1567735 - коефіцієнти рівняння.

Запропонована математична модель енергетичних витрат, пов'язаних з підтриманням відповідного температурного режиму, базується на розрахунку теплового балансу пташника. Енергетичні витрати на забезпечення оптимальної температури опт у пташнику визначаються енергомісткістю пташника - сумою його теплових втрат.

Сумарні теплові втрати, у свою чергу, залежать від розмірів та конструктивних особливостей пташника:

, кВт ,(20)

де - сумарні теплові втрати, кВт; - втрати теплоти через огородження пташника, кВт; - витрати теплоти на опалення та вентиляцію приміщення, кВт; - витрати теплоти на випаровування, кВт; - теплота, яка виділяється внутрішніми джерелами, кВт.

Енергетичні витрати для підтриманням необхідної температури у пташнику в кілограмах умовного палива за добу визначаються:

, кг ,(21)

де - нижня теплота згорання палива, Дж/кг; = (1,1...1,2) - коефіцієнт запасу на виробничі втрати теплоти; 3,6 - коефіцієнт переводу Вт в кДж/год; - к.к.д. котельної установки, = 0.6 - 0.7.

На рис. 5 наведено кількість спожитого умовного палива в кілограмах за добу для підтриманням відповідної температури у пташнику.

Існують також енергетичні витрати, які пов'язані з утриманням птиці. Це освітлення приміщення, роздача корму та напоювання птиці, збирання яєць, видалення посліду. Вони не пов'язані з температурним режимом безпосередньо, але кошти, які витрачаються на ці операції, впливають на визначення прибутку.

Сумарне значення енергетичних витрат, що пов'язані з утриманням птиці:

, кВт(22)

Ні - енергетичні витрати процесів, що пов'язані з утриманням птиці.

Загальне значення енергетичних витрат, які пов'язані з виробництвом:

W2 = Нт + Ну , (23)

Математична модель процесу виробництва промислового яйця для каналу “Температура - несучість птиці” з урахуванням несучості, віку та кількості птиці, конструктивних особливостей пташника, витрат енергії, корму за добу та їх вартості матиме вигляд:

(24)

Наведена математична модель дозволяє визначати оптимальну температуру в пташнику, що максимізує прибуток.

У третьому розділі “Розроблення енергоощадної системи управління виробництвом в промисловому пташнику” розглядається система управління виробництвом, що реагує на зміну зовнішніх кліматичних (температура, вологість), економічних (ціни на продукцію виробництва, корми та енергоносії) факторів та параметрів промислового пташника (як біологічної, так і технологічної складової).

ЕСУВ розроблена на основі сучасної комп'ютерної техніки, адаптується до зміни параметрів об'єкта управління в часі, що дозволяє побудувати оптимальну стратегію управління та визначити оптимальні параметри температурного режиму. Працює система наступним чином: з відділу виробництва надходить інформація про стан цін на продукцію, корми та енергетичні ресурси. Враховується інформація, що надходить від пташника (стан температури в пташнику та зовні), інформація про конструктивні властивості пташника та біологічні показники птиці на поточний момент часу, що попередньо закладається оператором в машину. У процесі функціонування система здійснює уточнення моделі, на базі якої визначається найкраща стратегія управління, перераховується оптимальне значення температури для того чи іншого пташника та надається інформація для автоматичної системи управління технологічним процесом (АСУТП) про необхідність підтримання температури на певному рівні з подальшим її контролем.

Зазначене дозволяє здійснити пошук оптимального температурного режиму в пташнику, коли забезпечене мінімальне споживання кормів птицею, мінімізуються витрати енергетичних ресурсів на підтримання температурного режиму в пташнику. При цьому птиця не зменшить свої продуктивні можливості і прибуток буде максимізований. Структурна схема якісних зв'язків блоків ЕСУВ зображена на рис. 6.

Пташник (особливо при напільному утриманні) заповнюється птицею не повністю, тому середня температура для нього в цілому не відповідає середній температурі зон знаходження птиці. Використання традиційних систем автоматичного управління температурою передбачає розташування датчиків температури у місцях, які характеризуються середнім значенням температури для пташника в цілому. Це призводить до перевитрат енергії на (8..12) %. Окрім того, тепловиділення птиці також створює у пташнику локальні зони підвищених та знижених температур, що слід враховувати при створенні оптимальних систем управління температурою.

Таким чином, створення оптимальної системи управління температурою в пташнику можливе лише за умов визначення зони перебування птиці (при напільному утриманні птиця переміщується, що ускладнює цю задачу), та забезпечення цих зон оптимальним значенням температури. Для вирішення цієї проблеми пропонується алгоритм визначення місця перебування птиці та локалізації датчиків температури в системі управління виробництвом.

Наші дослідження показали, що середнє значення температури в зоні перебування птиці змінюється в часі, розміри самої зони також змінюються. Вищезазначене підтверджує доцільність створення системи визначення зони перебування птиці та локалізації датчиків, покази яких враховуються для розрахунку середнього значення температури.

Тепловиділення птиці впливає на створення локальних зон у пташнику з підвищеними та зниженими температурами, що сприяє визначенню місця розташування птиці. Під час проведення експерименту датчики температури були встановлені на висоті 0,5 м від підлоги. Враховуючи різні за значенням коливання температури в пташнику, для визначення місця розташування птиці слід розрахувати різницю між значеннями результатів вимірювання S в момент часу xi+1 та xi:

S= - (25)

де - значення температури повітря в момент часу xi; - значення температури повітря в момент часу xi+1 ; - час опитування датчиків.

Як показали дослідження ряду авторів, зміна температури повітря в пташнику відноситься до випадкового процесу. Птиця при утриманні на підлозі вільно пересувається по пташнику, створюючи зони різних значень температур.

Оцінка щільності розподілу випадкової величини для нашого випадку різниці температури повітря для двох зон наведена на рис. 7.

Показано, що різниця температур до 0,8 оС свідчить про знаходження птиці, а значення, що перевищує цей показник, - на відсутність птиці в місці розташування датчика.

Введемо коефіцієнт оцінки різниці температурного режиму за проміжок часу h:

(26)

Від значення коефіцієнта Kd залежить врахування показників датчика температури. Цим алгоритмом ми виділяємо локальні температурні зони.

Середнє значення температури в зоні розташування птиці визначається як:

(27)

де m - кількість показів датчиків, які використовуються для визначення середнього значення температури; n - загальна кількість датчиків.

Кількість датчиків температури, що враховується при визначенні середнього значення температури, визначається кількістю локальних зон, а місця розташування датчиків - координатами локальних зон.

Реалізація багаторівневої системи управління виробництвом базується на створенні локальних систем управління технологічним процесом, об'єднаних в обчислювальну мережу виробництва. Такі системи складаються з ЕОМ та допоміжних технічних пристроїв.

Реалізація математичної моделі виробництва промислового яйця розроблена мовою програмування Visual Basic for Application. Програмне забезпечення системи реалізовано з використанням засобів взаємодії з оператором SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition System) на базі пакету GENIE 3.01 (Advantech). Структуру програмного забезпечення організовано у модульному вигляді. Зазначене дозволило легко вносити зміни до структури та змісту програмного забезпечення.

ЕСУВ є складна техніко-біологічно-економічна система, що поєднує в собі три взаємозв'язані підсистеми: біологічну (птиця), технологічну (технологія утримання птиці, виробниче приміщення), економічну (цінові показники). Отримано критерії оптимізації системи та її підсистем, які відображають техніко-економічні аспекти функціонування. Критерієм оптимального управління обрано максимальний прибуток. Функції системи управління полягають у визначенні оптимального значення температурного режиму і реалізації управляючих дій без втручання оператора або у вигляді рекомендацій оператору, які він повинен прийняти або відхилити за результатами власного аналізу.

Таким чином на ЕСУВ покладено вирішення завдань пов'язаних з визначенням оптимальних параметрів температурного режиму, координацією роботи підсистем. Вона також узгоджена з функціональною структурою комп'ютерно-інтегрованої системи управління технологічним процесом. Система основана на базі ПЕОМ, яка надає інформацію іншій ПЕОМ чи контролеру, що управляє технологічним процесом об'єднаних у мережу Ethernet. За допомогою ПЕОМ обслуговуючий персонал відстежує хід технологічного процесу й оперативно змінює управління, переглядає архівні дані, друкує звіти. Адміністрація птахофабрики має можливість відстежувувати стан технологічного процесу, поточні витрати, архівні дані аварійних ситуацій та зміну температури в процесі функціонування.

У четвертому розділі “Впровадження та експериментальне випробування енергоощадної системи” наведено методику та результати випробування системи. Випробування відбулося на птахофабриці закритого акціонерного товариства “АГРОМАРС” с. Гаврилівка Вишгородського району Київської області, де вирощують м'ясну породу птиці “КОББ - 500”. Циклічність процесу виробництва продукції птахівництва тут забезпечується утриманням племінної птиці (батьківського стада).

Система була встановлена і випробовувалась у пташнику з напільним утриманням птиці розміром 84х14 м на 4,85 тис. бролерів породи “КОББ - 500” батьківського стада, вік яких складав 380 днів. Перед випробовуванням системи було отримано дані про біологічні особливості цієї породи птиці: несучість, споживання корму, зміна ваги.

Аналіз проведених теоретичних та експериментальних досліджень дозволив визначити значне відхилення характеристик температурного режиму від оптимальних значень. Так результати експерименту показали, що середня температура в пташнику змінювалась в межах 19,5 - 21,5 оС. Оптимальною температурою в пташнику слід вважати за нашими розрахунками температуру 17,5 оС.

Окрім того були проведені розрахунки оптимальної температури для пташника на 30 тис. голів птиці з клітковим утриманням, в якому утримують несучу породу птиці “Білорусь - 9”. Результати цих досліджень наведено на рис. 8.

Нова система ефективніше функціонує в зимовий та перехідні періоди року, що складає близько 150 днів на рік. Діаграма зекономлених коштів за місяцями в перехідний та зимовий періоди наведена на рис. 9.

За попередніми розрахунками вартість основних фондів на створення ЕСУВ становить близько 15 тис. грн. З кожним наступним пташником, де буде запроваджена система, вартість основних фондів зростатиме на 5 тис. грн. Строк окупності системи складає 1-3,5 року з клітковим утриманням та 2-3 роки з напільним утриманням батьківського стада.



Висновки

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічного завдання, яке полягає у розробці енергоощадної системи управління виробництвом яєць на промисловій основі, що дає змогу визначити економічно доцільні параметри температурного режиму в пташнику, зменшити витрати енергетичних ресурсів та підвищити несучість птиці і тим самим збільшити прибуток підприємства.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити такі висновки:

За результатами аналізу літературних джерел встановлено, що в умовах України середні значення температур повітря виходять за межі зони оптимально допустимих для організму птиці, а тому для отримання максимальної продуктивності слід підтримувати оптимальну температуру в пташнику. На опалення та вентиляцію витрачається 75% енергоресурсів. Підтримання неоптимальних значень температури повітря в пташнику призводить до зменшення продуктивності птиці та витрати 2,5-3,0 МВт. год. енергії на 1000 яєць.

Розроблена математична модель процесу виробництва яєць на промисловій основі враховує технологію виробництва, витрату енергоресурсів на створення необхідного температурного режиму в пташнику, біологічні особливості та продуктивність птиці, кон'юнктуру ринку щодо вартості енергетичних ресурсів, кормів та продукції птахівництва. Для адаптації моделі до реального об'єкта, параметри якого змінюються в процесі експлуатації, запропоновано метод найменших квадратів. Відносна похибка його використання не перевищує 5%.

Оптимізація процесу виробництва яєць у промисловому пташнику проводиться за критерієм максимізації прибутку. Визначення економічно ефективного значення температури повітря в пташнику, що враховує динаміку процесу, його технологічну, біологічну та економічну складові, дозволяє забезпечити виробництво максимальним прибутком за рахунок зменшення його енергетичних витрат та підвищення несучості птиці. Безпосередні дослідження на виробництві дозволили встановити, що температура повітря в пташнику на 3-4оС відхиляється від економічно доцільної температури.

Встановлено, що тепловиділення птиці впливає на створення локальних зон у пташнику з підвищеними та зниженими температурами, що сприяє локалізації місця розташування птиці. Оцінка щільності розподілу різниці показників кожного датчика температури повітря (частотою в дві хвилини) дає можливість визначити місце розташування птиці. Показано, що різниця температур до 0,8оС свідчить про наявність птиці, а значення, що перевищує цей показник, - про її відсутність в місці розташування датчика.

ЕСУВ розроблена з використанням сучасних високопродуктивних пакетів прикладного програмування для побудови SCADA систем, а саме використано пакет програм для системи управління та контролю - GENIE 3.01, розроблений фірмою Advantech®. Розроблено програму системи мовою програмування сценарних процедур, сумісну з Visual Basic for Application. Розроблена ЕСУВ забезпечує: формування даних, алгоритму визначення параметрів та побудову математичної моделі процесу виробництва; розрахунок поточних, визначення оптимальних параметрів прибутку і температурного режиму; обмін інформацією та координацію режимів роботи з системами управління технологічним процесом; відображення технологічних параметрів; ведення статистики роботи технологічного обладнання та стану технологічних процесів; аварійної сигналізації та архівування аварійної ситуації.

Розроблені рекомендації, алгоритм і програмне забезпечення для локалізації датчиків температури в пташнику дозволяють відтворити поле температур в місцях концентрації птиці. Встановлено, що в місцях концентрації птиці температура повітря на 1-2 оС відрізняється від температури, визначеної системою, де зазначений метод не використовується.

Розроблена і впроваджена енергоощадна система управління виробництвом дозволяє збільшити прибуток виробництва яєць на птахофабриці, що підтверджено актом випробування системи в пташнику закритого акціонерного товариства “АГРОМАРС” с. Гаврилівка Вишгородського району Київської області. Загальне збільшення прибутку за рік роботи сягає 81,3 тис. грн., з яких: 55 % - за рахунок підвищення продуктивності птиці; 15% - за рахунок локалізації місця розташування птиці; 30% - за рахунок зменшення енергетичних витрат. Строк окупності системи складає 1-3,5 року з клітковим утриманням та 2-3 роки з напільним утриманням батьківського стада.

птахівництво корм біологічний енерговитрати



Список праць опублікованих за темою дисертації

1. Результати досліджень досить повно відображені в 5 опублікованих наукових працях. У співавторстві участь автора полягає в наступному:

2. Лисенко В.П., Болбот I.М. Адаптивна система управління в промисловому пташнику для каналу “температура - яйценосність” // - Кіровоград: Збірник наукових праць КДТУ, 2002., вип 11. - С. 105 - 108, (розробка структури енергоощадної системи).

3. Лисенко В.П., Болбот I.М. Визначення оптимальної температури у пташнику для утримання птиці яєчного напрямку з урахуванням енергомісткості процесу // - К.: Науковий вісник НАУ, 2002., вип 50. - С. 219 - 227, (визначення оптимальної температури у пташнику для утримання птиці яєчного напрямку з урахуванням енергомісткості процесу).

4. Лисенко В.П., Ботвін В.Л., Болбот I.М. Локалізація датчиків температури в оптимальних системах управління // науково-виробничий журнал “Електрифікація та автоматизація сільського господарства” № 1 2002. - С. 77 - 81, (розробка алгоритму локалізації датчиків температури в промисловому пташнику).

5. Лисенко В.П., Болбот I.М. Адаптивна математична модель “яйценосності від температури в пташнику та віку птиці” // - К.: Збірник наукових праць НАУ, 2003., том ХІV. - С. 417 - 422, (побудова математичної моделі процесу виробництва продукції птахівництва та запропонованому адаптивному алгоритмі визначення параметрів математичної моделі).

6. Лисенко В.П., Болбот I.М. Економічна оцінка ефективності впровадження адаптивної системи управління виробництвом в птахівництві // науково-виробничий журнал “Електрифікація та автоматизація сільського господарства” № 2 2003. - С. 45 - 51, (проведення економічних розрахунків ефективності впровадження ЕСУВ у птахівництві ).



Болбот Ігор Михайлович. Енергоощадна система управління виробництвом у промисловому пташнику. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 09. 16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. Національний аграрний університет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена створенню енергоощадної системи управління виробництвом продукції птахівництва, що дозволить максимізувати прибуток та мінімізувати витрати енергоресурсів за рахунок визначення оптимального значення температурного режиму. ЕСУВ поєднала в собі організаційно-економічні, біологічні та технологічні процеси в єдиний комплекс. Для знаходження економічно оптимального рішення розроблено алгоритм визначення оптимальної температури в пташнику, який враховує цінові показники продукції, кормів і енергетичних ресурсів, біологічні властивості птиці та теплофізичні властивості пташника. Дана система - більш нового класу, в ній здійснюється накопичення та зміна інформації в процесі роботи, враховуються: зміна зовнішньої температури; теплопровідність конструкції пташника; кількість, вага, вік та продуктивність птиці; енергетичні витрати; вартість продукції, корму та енергетичних ресурсів.

Основні положення дисертації викладені у 5 наукових працях.

Ключові слова: енергозбереження, енерговитрати, енергоресурси, птахівництво, виробництво, несучість, температурний режим, продуктивність птиці, максимізація прибутку, система управління, математичне моделювання.



Болбот Игорь Михайлович. Энергосберегающая система управления производством в промышленном птичнике. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.16 - электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве. Национальный аграрный университет, Киев 2004.

В работе обоснована актуальность избранной темы, сформулированы цель и задачи исследований. Диссертация посвящена созданию энергосберегающей системы управления производством продукции птицеводства, которая позволит максимизировать прибыль и минимизировать затраты энергоресурсов за счет определения оптимального значения температурного режима в птичнике. ЭСУП соединила в себе организационно-экономические, биологические и технологические процессы в единый комплекс. Для достижения экономически оптимального решения разработан алгоритм определения оптимальной температуры в птичнике, который учитывает ценовые показатели продукции, кормов и энергетических ресурсов, биологические свойства птицы и теплофизические свойства птичника. Данная система - более нового класса, в ней осуществляется накопление информации в процессе работы, учитываются: изменение внешней температуры; теплопроводность конструкции птичника; количество, вес, возраст и производительность птицы; энергетические затраты; стоимость продукции, кормов и энергетических ресурсов.

Предложенная система осуществляєт решение задач: построение математической модели процесса производства; адаптация коэффициентов математической модели; оптимизация технологических параметров; обмен информацией и координация режимов работы с системами управления технологическим процессом; отображение технологических параметров; ведение статистики работы технологического оборудования и состояния технологических процессов. Критерием оптимального управления избраны показатели максимизации прибыли и минимизации энергозатрат.

При математическом описании объекта управления использован ряд моделей, каждая из которых имеет свою математическую структуру и описывает определенную часть объекта. Модель данной системы представляется в виде многоуровневой конструкции, объединенной в единую систему. Разработанная математическая модель энергетических затрат, связанных с поддержанием соответствующего температурного режима, базируется на расчете теплового баланса птичника. Математические модели яйценосности и потребления корма птицей не могут быть универсальными, поэтому была использована адаптивная математическая модель, параметры которой в процессе эксплуатации системы управления постоянно изменяются, воссоздавая с соответствующим приближением свойства реального объекта.

При изменении входных параметров модели коэффициенты уточняются и каждый раз начальными берется их текущее значение. Приведенная модель позволяет осуществить поиск оптимальной температуры, которая обеспечит максимизацию прибыли. Предложен алгоритм определения зоны пребывания птицы, который позволяет сократить энергетические затраты систем создания микроклимата в зимний и переходной периоды на (8...12)%.

Во время проведения эксперимента была доказана эффективность разработанной системы, средняя температура в птичнике изменялась около 19,5-21,5 оC. Согласно подсчетам сделанным ЭСУП, оптимальной в птичнике следует считать температуру 17,5 оC. Увеличение прибыли за год работы достигнет 81,3 тыс. грн., из которых: 55 % - за счет увеличения продуктивности птицы; 15% - за счет определения места расположения птицы; 30% - за счет уменьшения энергетических потерь. Срок окупаемости составит 1-3,5 года с клеточным и 2-3 года с напольным содержанием.

Основные положения диссертации изложены в 5 научных работах.

Ключевые слова: энергосбережение, энергозатраты, энергоресурсы, птицеводство, производство, несучесть, температурный режим, продуктивность птицы, максимизация дохода, система управления, математическое моделирование.



Bolbot Igor Michailovich. Energy-saving system of production control in the industrial poultry farm. - Manuscript.

The dissertation for the candidate's engineering science on speciality 05. 09. 16 - electric technologies and equipment in the agroindustrial complex. National Agricultural University, Kyiv, 2004

The dissertation is devoted to the problem creation of the creation of energy-saving systems of production control in the poultry farm. This system allons to maximize the profits and minimize the power consumption due to the definition of the best optimum parameters of a temperature conditions. The energy-saving system of the production control has united the organizational and economical, biological and technological processes. In order to find the economically optimum decision the algorithm of the definition of the optimum temperature in the poultry farm taking into account the market prices of the products, the fodder and power resources, biological properties of the hens and heat conductivity of poultry farm construction has been developed. This is the up-to-dale system. In the process of its functioning the information storage is implemented taking into account: the external temperature changes; heat conductivity of the construction; quantity, weight, age and egg-laying qualities; power consumption; the cost of production, fodder and power.

The main results of the dissertation are stated in 5 scientific papers.

Key words: energy-saving, power consumption, energy resources, poultry farming, production, egg-laying productivity, temperature condition, control system, mathematical modeling.

Размещено на Allbest.ru

...