В.Р. Краусп, д.т.н.,
профессор ВИЭСХ,
Научно-технический прогресс в АПК России формирует стратегию машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводст-ва. Особенно это важно на современном этапе рыночных отношений и конкуренции за рынок сбыта. В настоящее время наблюдается тенденция вытеснения отечественной продукции молока, мяса , а также сельскохозяйственной техни-ки и автоматизированных машинных технологий с рынков России. В этих условиях все больше возрастает роль науки в формировании стратегии механиза-ции, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства на отечественном оборудовании. И здесь встает главный вопрос – кто будет разра-батывать и производить высокоэффективную технику XXI века? Только в недрах институтов РАСХН, владеющих передовыми технологиями производства сельскохозяйственной продукции могут зародится техника и технологии буду-щего.
Высокоточное ведение производства, в том числе животноводства – терминология, указывающая на стремление повышения точности, на уменьшение количества ошибок, промахов, на необходимость учета большого числа факторов. В конечном счете высокоточное ведение производства и, в частно-сти, молочного животноводства возможно при внедрении научно-технического прогресса в отрасль. При этом важно строго (и точно!) выполнять предписания, требования, показатели, которые дают биологи, технологи (зоотехники, ветеринары): рацион кормления; правила осеменения и воспроизводства; температурно-влажностные и другие условия содержания; освещение, облучение и продолжительность светового дня; прогулки, моционы, продолжительность двигательной активности; режимы доения, поения; получение заданного (высокого) качества молока.
Интенсификация - понятие филологическое,
инженерное, технологическое, производственное. Но по своей сути оно тождественно
(пропорционально)
управленческим понятиям: повышению эффективности технологий, росту экономической
эффективности производства,
т.е. когда меньшими затратами средств (меньшим количеством
работников, животных; меньшими затратами энергии и исходных материалов) производится
большее количество
готовой продукции заданного качества. Интенсификация
- это процесс, который характеризуется динамикой во времени, и он может присутствовать
в производстве
длительно и рассматриваться на многолетнем интервале.
Интенсификацию производства можно оценивать и в денежном выраже-нии, если использовать
показатель удельных прямых издержек производства или себестоимости (С) на тонну
молока:
Молочная ферма является сложным объектом (СО) управления, который
характеризуется следующими чертами:
--отсутствием полного математического описания
объекта; математической модели нет, но для построения
автоматизированной системы
управле-ния она в том или ином виде необходима; поэтому автоматизированные
ком-пьютерные системы управления
сложным объектом могут быть информационные, информационно-соответствующие
и управляющие. Такая терминология определяет степень
автоматизации (компьютеризации) управления;
--стохастичность поведения СО по причине случайных помех, его зашумленности
и наличия биологического объекта (БО), который
имеет вероятностный характер поведения;
--«нетерпимость» к управлению, вызванная поведением коллектива людей в системе
управления СО, который имеет свои цели, зачастую
не совпадающие с общей целью управления фермой ;
--нестационарность СО, вызванная дрейфом его характеристик и эволюций во
времени (старением, изменением структуры);
--невоспроизводимостью экспериментов. В разные
моменты времени СО по разному реагирует на управляющее
воздействие.
В связи с названными особенностями СО управление ведется с опережением и по намеченному направлению изменения объекта. Предварительно дается пробное, а затем основное управляющее воздействие. Или предельно сокращается цикл управления в расчете на то, что СО за короткое время не успеет сильно изменить свои характеристики.
При управлении СО могут быть выделены три группы задач (рис. 1).
Контур 1 текущего автоматического (или автоматизированного) управле-ния, в
который входят системы управления поточными линиями и биологическими объектами.
Для решения текущих задач управления техноло-гическим процессом эффективно
использовать микропроцессоры.
Контур 1 компенсирует высокочастотные сигналы возмущающих воздействий, которые
как случайные процессы характеризуются корреляционной функцией и математическим
ожиданием в реальном времени. В молочном скотоводстве это – регулирование температуры
помещений , регулирование подачи доз корма и др. ; основные частоты возмущений
при текущем управлении лежат в пределах 1-3600 1/ч. Частотные оценки рассчитывают
по корреляционной функции и спектральной плотности.
Контур 2 оперативного управления решает задачи оптимизации суточно-го планирования
технологических операций и осуществления направленных
воздействий на технологический процесс. При управлении по этому контуру решаются
задачи расчета и корректировки
рационов; планирования отелов; осеменений; проведения
профилактических мероприятий по уходу за животными, техникой; оптимизации
режимов работы технологического
оборудования; оптимизации параметров микроклимата
и др. Управление по этому контуру осуществляется путем расчета на ЭВМ наилучших
значений управляющих
воздействий («Советов») и их реализации через специалистов
фермы путем изменения заданий автоматическим системам в контуре 1 и выдачи
их значений в виде документов
и регистрации в ЭВМ исполнения.
Контур 3 обеспечивает расчет на ЭВМ среднегодовых технологических показателей
и их оптимизацию путем определения (расчета) величин
текущих, оперативных и годовых управляющих воздействий. Необходимость в управлении
с годовым циклом
возникает в том случае, когда управляемый параметр
за многолетний интервал времени не остается постоянным и его изменение долж-но
происходить по определенной
траектории. При этом неизбежны случайные отклонения
параметра под действием возмущений, носящих характер случай-ных величин или
процессов.
Структурный синтез АСУТП. Рассматривается ряд вариантов, сочетаю-щих в себе
различные схемы исполнения защит, систем регулирования,
оптимизирующих блоков, систем оперативного управления и оптимизации структуры
технологического процесса.
Для каждого элемента и подсистемы определя-ют приведенные
затраты на механизированный и автоматизированный способы управления.
Для каждого сравниваемого варианта АСУТП, имеющего техническую и производственную
целесообразность, рассчитывается эффективность по эле-ментам и подсистемам
как разность приведенных затрат и ущербных коэффи-циентов и суммарная эффективность.
где – приведенные затраты на механизированные и автоматизированные защиты (З) от нежелательных и аварийных режимов оборудования, машин, материала; регулирование (р) и технологических параметров; централизованное (цу), оперативное (оу) и годовое (гу) управления; гаммы1,2...5 – коэффициенты ущербов в разных звеньях управления ( гамма(м) – в механизированном, гамма(а) – в автоматизированном объектах).
По критерию К(опт.АСУТП) оптимизируется
система управления путем перебора всех целесообразных вариантов технического
исполнения. Вариант,
у
которого
К(опт.АСУТП)=max будет
оптимальным, и он принимается к разработке.
Величину Зм определяют
по известной
методике, а За можно
найти по формуле:
где - отчисления от стоимости строительной части на амортизацию и текущий ремонт, руб.; – отчисления от стоимости технологического оборудования на амортизацию и текущий ремонт; Ск – затраты на корм, руб.; Сз – зарплата обслуживающего персонала; Дельта(Сж) – ежегодные расходы на формирование продуктивного стада фермы, руб.; Ст, Сэ – затраты на топливо, энергию; Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (Ен =0,12); Км, Кж, Ка – капитальные на механизированную ферму (базовый вариант, с которым идет сравнение), на промышленное стадо, на автоматизацию, руб.; Этта – процент повышения продуктивности животных за счет раздоя при индивидуальном нормировании кормов с авансированием на восходящей части лактационной кривой; Лямбда – общий процент заболеваний животных в промышленном стаде; Сигма – средняя доля потери годовой продуктивности в связи с заболеванием животных (0,1 – 0,25); Кси – доля сокращения ущерба в результате ранней диагностики заболеваний (0,3 – 0,5); v – повышение продуктивности животных в ре-зультате поддерживания биологических ритмов и соблюдения распорядка дня (оперативная служба может обеспечить v=2 – l0%); П(t) – функция повышения продуктивности стада в результате целенаправленного ведения зоотехнической и племенной работы; G – средний годовой удой на ферме, ц; m – число животных на ферме; М– стоимость мяса, сдаваемого государству при выбраковке животных, руб.; [ Тn;Ц(Р) ] – функция ценности телят (n – число телят, Ц(Р) – их ценность от показателя Р племенных качеств); Н – ценность реализованного навоза, руб.; Этта(м) – коэффициент перевода получаемого молока в нормализованное с учетом жирности и качества.
Для анализа влияния разных факторов на экономическую
эффективность автоматизации фермы, необходимо знать
пределы изменения величин, входящих в За.
Отчисления на амортизацию и текущий ремонт составляют
постоянную долю от капитальных затрат на механизацию,
строительную часть и автоматизацию и находятся по
справочным
изданиям.
Затраты на корм Ск зависят от вида корма,
затрат на его производство, норм выдачи и других факторов.
При автоматизации Ск могут
возрастать или снижаться пропорционально коэффициенту
Бетта . Возрастание
может происходить в результате интенсификации
кормления животных, увеличения норм выдачи, например
при раздое; уменьшение вследствие снижения потерь,
устранения перерасхода корма и других факторов.
Так, при индивидуальном нормировании основных и концентрированных
кормов коровам в зависимости от их продуктивности
удается уменьшить затраты корма на 5 –
18%, при
Бетта=0,05–0,18.
Зарплата обслуживающего персонала Сз –
при разных видах и уровнях автоматизации по сравнению с механизированным
производством
может расти или снижаться,
пропорционально коэффициенту ±Епсилон
. Снижение затрат живого
труда при автоматизации одновременно
приводит к общему росту Сз за
счет повышения квалификации персонала,
появление новых служб эксплуатации автоматики и
расширения аппарата управления фермой.
Ориентировочно 0,1 <Епсилон < 0,2.
Ежегодные расходы на формирование продуктивного стада
фермы
Дельта(Сж) зависят
от эффективности ведения зоотехнической и ветеринарной
работы, совершенства технологии содержания животных,
породы и других факторов. Чем больше срок эксплуатации
(использования)
животных,
тем меньше величина
Дельта(Сж).
При автоматизации срок службы животных, как правило,
повышается, но могут встретиться случаи, когда на
автоматическом ком-плексе
выгодно идти на сокращение
этого срока. При механизированном производстве
Дельта(Сж)=0.2
- 0.3Кж (срок службы
tж=3–5лет; Kж –
капитальные вложения фермы). В результате
автоматизации
Дельта(Сж) будет
изменяться пропорционально
а, ориентировочно лежащего в пределах – 0,3 < а < +0,05;
затраты на топливо и электрическую энергию Ст, Сэ –
при автоматизации животноводческого комплекса снижаются на 5 – 15% (Кэ=Кт=0,05–0,15).
Если объект проектируется для работы в автоматическом
режиме, общие затраты за счет создания для животных
более благоприятного
микроклимата возрастают примерно в той же пропорции.
Управлять сложным объектом, каким является автоматизированная ферма с высокоточной
техникой, следует по общему показателю.
Особенность системы состоит в том, что о технологическом
процессе судят по обобщенному показателю – функционалу
|Р(t)|. Система
управления выполняется в соответствии с рисунком. Контроль за технологическим
процессом осуществляется
по текущему значению функционала ||Р(t)||. Это уменьшает
«информационную нагрузку» и позволяет решать следующие задачи: выяв-лять и
во время локализовать нарушения
технологического процесса, вызы-вающие нежелательное
изменение функционала; по значению ||Р(t)|| в проме-жутке времени (to –
Дельта1, to)
прогнозировать значение
процесса Y(t)=[P(t), S(t)] на отрезке времени (to,
to + Дельта2),
где Y(t) – вектор «выходов» процесса; S (t) – вектор состояний;
Дельта1 – период предыстории; Дельта2 –
период упреждения (прогноза).
На основании контроля параметров Y(t) и S(t) в блоке
1 вычисляется те-кущее значение |Р(t)|, которое передается
в блок 2 для сравнения с заданным значением.
Если |Р(t)| находится в допустимых пределах (А <=
Р <= В), то блок 3 сигнализирует об этом.
Рис.2. Блок-схема управления технологическим процессом по обобщенному показателю в режиме «совета».
Рис.3. Области функционирования процесса по обобщенному показателю.
Если Р < А (уменьшение функционала), в блоке 4 анализируется
причина и выдается «cовет» по ее устранению. Аналогично при Р > В в блоке
5 выявляется причина увеличения P(t) и вырабатывается «совет» по снижению
величины функционала. Полученные «советы» реализуют управляющий блок 6.
На рисунке показаны области нормального функционирования ТП и от-клонений в
большую В и меньшую А стороны. На оси абсцисс показаны моменты времени t1,
t2, t3 ... tn, tn+1, в которые производится вычисление |Р(t)|.
Практическая реализация автоматизированных технологий осуществлена на следующих
объектах.
Автоматизированная система управления животноводством и растение-водством в Истринском
опытном хозяйстве ВИЭСХ (г. Истра, Московской области, Истринское опытное хозяйство
ВИЭСХ). На центральной усадьбе в административном здании установлен диспетчерский
пульт, радиостанции связи с подразделениями хозяйства и специалистами; созданы
система регистрации поручений и их исполнений; система зоотехнического учета
и управления животноводством; информационная система планирования и учета в
растениеводстве. Система в целом АСУТП – Истра включает регистратор массы кормов,
регистратор массы животных (проходные электронные весы); счетчики надоя молока;
измерители жирности молока; измерители белка в молоке; комплекс приборов для
оценки качества кормов.
Автоматизированная система управления технологическими процессами на крупной молочной ферме 1000 голов с конвейерной системой содержания (пос. Холязино, Б-Мурашкинского района, Горьковской области, 1984г.) Выполнена компьютерная информационно-управляющая система полнорационного индивидуального кормления коров на движущемся конвейере и конвейерного доения на доильной установке «Карусель» на 40 станков. Применены: созданная ВИЭСХ система распознавания номеров коров; автоматическая система регистрации индивидуальных удоев; автоматическая система дозирования и выдачи в кормушку конвейера индивидуальной дозы кормовой смеси; автоматизированная система зоотехнического учета. Эксплуатация АСУТП в течение 3-х лет подтвердила теоретические расчеты и перспективность конвейерных систем кормления и доения коров.
Автоматизированная информационно-советующая и управляющая сис-тема на высокоудойной молочной ферме «Никифорово» (АО Красный Луч, Щелковского района, Московской области, 1987-93гг). Осуществлена и испы-тана АСУТП типа АИСУ-400, в которую входят подсистемы: распознавания номеров коров на технологических установках; автоматизации доения с регистрацией индивидуальных удоев на 2-х доильных установках «Тандем»; индивидуальной автоматической выдачи концкормов в автокормушках, установ-ленных в боксах; регистрации веса и осмотра коров на электронных проходных весах; расширенного зооветеринарного учета на компьютерах типа IBM. Эксплуатация системы в течение 4-х лет подтвердила теоретические положения и высокую эффективность компьютерной системы.
Автоматизированная система управления технологическими процессами молочной фермы привязного содержания с автопривязью и с индивидуальным кормлением концкормом. (пос. Китово, Шуйского района, Ивановской области).
Осуществлена система с распознаванием номеров животных в стойлах на привязи. Мобильная антенна системы распознавания закреплена на рельсовом раздатчике, который имеет кормушку приманку и движется вдоль ряда стойл. Животные после прогулки или прихода с пастбища распознаются в стойлах и при доении записывается их удой и при раздаче концкормов выдается индиви-дуальная доза корма. Этот новый вид АСУТП прошел испытания на ферме «Петрилово» в 1995-98гг. В телятнике этой фермы ведется автоматическое взвешивание привесов молодняка на электронных весах АПВС-1000 ВИЭСХ. Испытания подтвердили теоретические положения по построению и расчету параметров АСУТП и электронных весов.
Заключение.
Разработка теории построения автоматизированных высокоточных интенсивных технологий животноводства и практическая реализация теоретических положений на ряде ферм позволили создать научно-техническую базу для создания и широкого внедрения конкурентоспособных отечественных автоматизированных ферм в 2004-2010гг. на уровне мировых достижений в этой области. Это и должно быть признано в качестве основной стратегии машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства и пти-цеводства.
Литература.
1. Краусп В. Р. Комплексная автоматизация в промышленном животноводстве. Москва,
Машиностроение, 1980.
2. Краусп В. Р. Кибернетика, информационные технологии и энергосбережение в
электрифицированном сельскохозяйственном производстве. Энер-госбережение
в сельском хозяйстве. Труды 2-й Международной научно-технической конф. Т.1.
М.:
ВИЭСХ, 2000.
3. Краусп В.Р. Становление научных основ автоматизированного управления электрифицированным
сельскохозяйственным производством // Научные труды ВИЭСХ. Т.87. М.: ВИЭСХ,
2000.