Методология оперативной оценки состояния технологической системы при выполнении работ по химизации в сельскохозяйственной производственной среде

- при включении в технологическую схему производства дорожных битумных эмульсий на участке дозирования, изготовления и хранения модернизации оборудования не потребуется.

Литература

1. Паспорт опасного отхода. Битумно-солевая масса (при уничтожении зарина). ФБУ - войсковая часть 70655 (1207 объект по хранению и уничтожению химического оружия), 2012 г.

2. Методические рекомендации по приготовлению и применению катионных битумных эмульсий. -Введ. 2003. - 15.09. - М.: Изд-во стандартов, 2003.-67с.

3. Приготовление катионной битумной эмульсии в лабораторном диспергаторе: Метод. Указ. по выполнению лабораторной работы / Сост. В.А. Иванцов. - Омск: Изд- во СибАДИ, 2008. - 16 с.

УДК 631.171

Доктор техн. наук В.А. СМЕЛИК

МЕТОДОЛОГИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ ПО ХИМИЗАЦИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ

Технологическая система, показатели качества функционирования, оперативный контроль качества

Одной из перспективных проблем, решаемых при машинно-технологической модернизации растениеводства, является комплексная автоматизация производственных процессов, базирующаяся на использовании достижений в области геоинформационных технологий, глобальных навигационных спутниковых систем, а также интеллектуальной сельскохозяйственной техники. Такой подход к модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства нашей страны позволит осуществить переход к высокоинтенсивным технологиям производства растениеводческой продукции, обеспечивающим минимальные технологические и экологические риски за счет точного выполнения рабочих процессов, улучшения условий труда человека-оператора машинно-тракторного агрегата, а также управления продукционно-качественным процессом в ходе вегетации растений [1,2].

Это в свою очередь будет способствовать как повышению урожайности производимой продукции, так и её безопасности для потребителя вследствие контролируемого в режиме реального времени применения удобрений и пестицидов, являющихся в сельскохозяйственной производственной среде носителями опасных и вредных химических факторов. Однако в условиях технологического несовершенства выпускаемых в нашей стране сельскохозяйственных машин, особенно для применения средств химизации, оператору приходится визуально осуществлять контроль функционирования их рабочих процессов. Он же устраняет нарушения и принимает решения о необходимом управлении обычно на основании ретроспективой информации, полученной с помощью простейших приспособлений или органолептически, что в условиях интенсификации сельского хозяйства может привести к существенным нарушениям технологии производства продукции, вызывающим ухудшение экологического состояния природной среды, а также условий и безопасности труда.

Поэтому первоочередной задачей в решении поставленной проблемы на современном этапе развития отечественной сельскохозяйственной техники является создание комплексных автоматизированных производственных систем, обеспечивающих оперативный контроль и управление качеством функционирования всех технологических процессов, имеющих место при получении готовой растениеводческой продукции и в первую очередь - при проведении агрохимических и фитосанитарных работ, чтобы придать процессам химизации надлежащую

экологичность и безопасность. При этом понятие качества рассматривается нами как наиболее полная и широкая характеристика, позволяющая количественно оценить успешность функционирования производственных систем при выполнении поставленных задач.

В комплексной автоматизированной системе каждая подсистема контроля выступает как её информационно-измерительная составляющая, в задачи которой входит выполнение следующих этапов: получение в режиме реального времени оперативной информации о качественных параметрах фактического состояния производственной системы, обработка и анализ этой информации для принятия решения о соответствии или несоответствии хода контролируемого технологического процесса предъявленным требованиям и в режиме несоответствия - выработки сигнала определенной подсистеме управления для его поднастройки. В этом случае подсистема управления будет являться восстановительной составляющей комплексной системы. Проводимая в автоматизированной системе поднастройка технологического процесса осуществляется дистанционно с участием человека-оператора и подсистема контроля в этом случае будет являться информационно-советующей. Поднастройка технологического процесса без участия человека-оператора, по сигналу, выработанному системой контроля, осуществляется в машинно-тракторных агрегатах, оснащенных подсистемами автоматического управления. Таким образом, в автоматизированных производственных системах, обеспечивающих контроль и управление качеством функционирования технологических процессов, информационные этапы объедены операцией контроля.

В цепи человек-машина-сельскохозяйственная производственная среда автоматизированную производственную систему будем рассматривать как технологическую. Технологическая система, обеспечивающая выполнение работ по химизации в растениеводстве, представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения (автоматизированного машинно-тракторного агрегата для агрохимических, фитосанитарных или комбинированных работ), предметов производства (почвы, семян или растений) и исполнителей (человека-оператора машинно-тракторного агрегата), обеспечивающих в заданных условиях выполнение соответствующего технологического процесса согласно регламентам, обозначенных в нормативно-технической и технологической документации.

Регламенты применения средств химизации при производстве агрохимических и фитосанитарных работ отражены в санитарных правилах и нормах СанПиН 1.2.2584-10 «Гигиенические требования к безопасности процессов испытаний, хранения, перевозки, реализации, применения, обезвреживания и утилизации пестицидов и агрохимикатов» и агротехнических требованиях, изложенных в операционных технологиях и правилах производства механизированных работ в полеводстве. Выполнение данных регламентов призвано обеспечить эффективное использование агрохимикатов и пестицидов, предупреждение отравлений лиц соприкасающихся со средствами химизации в процессе работы, а также предотвращение загрязнения ими производимой продукции, почвы, атмосферного воздуха и водоемов. Нарушение условий применения указанных веществ из-за неправильного или неграмотного обращения с ними, а также несовершенства отечественной техники для применения средств химизации приводит к антропогенному химическому загрязнению окружающей среды, что неблагоприятно сказывается не только на состоянии сельскохозяйственной производственной среды, но и всей среды обитания живых организмов, а также безопасности растениеводческой продукции.

Состояние любой технологической системы, обеспечивающей необходимое качество выполнения работ по химизации растениеводства определяется совокупностью таких её свойств, как точность, технологическая безопасность, экологическая безопасность. Под качеством функционирования технологической системы будем понимать степень приспособленности её к выполнению основного назначения в заданных условиях применения. Количественной мерой качества, по которой можно судить о фактическом состоянии данной технологической системы в сельскохозяйственной производственной среде будем считать её оценки в виде показателя назначения, показателя безопасности, экологического показателя. Однако в большинстве случаев при решении задач анализа и синтеза технологических систем, состояние которых определяется несколькими показателями качества, целесообразно пользоваться одним основным, или как его принято называть, совокупным показателем качества, позволяющим с определённой вероятностью обеспечивать всестороннюю оценку её состояния. В нашем случае в качестве такого удобно использовать показатель назначения, рассматриваемый как показатель качества функционирования

технологической системы [3]. При этом остальные показатели следует учитывать в виде ограничений.

Состояние технологической системы как объекта контроля и управления качеством применения средств химизации описывается векторной случайной функцией, отдельные компоненты которой представляют случайные процессы, являющиеся её параметрами. Они характеризуют способность системы выполнять в условиях нормального функционирования свое основное назначение - строгое соблюдение предписанных регламентов внесения удобрений и пестицидов, выполнение которых обеспечит снижение антропогенного воздействия опасных и вредных химических факторов в рассматриваемой сельскохозяйственной производственной среде. Исследования показали [4,5], что наиболее информативными и поддающимися измерению в режиме реального времени параметрами рассматриваемой технологической системы, по которым можно оценить её состояние, являются случайные процессы, характеризующие равномерность распределения средств химизации по полю и глубине в виде расхода вносимого материала на единицу пути и глубины его заделки в почву. Однако оценку состояния технологической системы как объекта контроля и управления наиболее целесообразно проводить, используя принцип контроля по показателю качества [6]. Показатели качества непосредственно отражают целевое назначение технологической системы, тогда как её параметры несут эту информацию в весьма закодированной форме. Имея оценку показателя качества, человек-оператор, обладающий, как правило, сравнительно невысокой квалификацией может в режиме реального времени принять решение о правильности функционирования объекта. Поскольку отмеченные выше показатели качества являются функциями параметров, характеризующих состояние данной технологической системы, то их также следует рассматривать как случайные процессы. Кроме этого, необходимо также отметить, что показатели качества зависят не только от параметров объекта контроля и управления, но и от его входных воздействий.

Многолетние теоретические и экспериментальные исследования в области контроля и управления качеством технологических процессов функционирования сельскохозяйственных агрегатов позволили обозначить круг задач, решаемых при разработке автоматизированных технологических систем, обеспечивающих качество выполнения работ по химизации растениеводства [7,8], а именно: выбор и обоснование совокупного показателя качества, методов и алгоритмов его оперативной оценки в режиме реального времени; установление объема и шага измеряемой информации, поступающей от датчиков, размещенных на машинно-тракторном агрегате, обеспечивающих достоверность контроля. Осуществление контроля состояния технологической системы по показателю качества функционирования позволяет определять его как условие нахождения выбранного совокупного показателя в требуемых пределах, обусловленных регламентами применения средств химизации. В них отмечается область допускаемых отклонений фактических средних величин параметров технологической системы ту от заданных ун значений в виде соответствующего двухстороннего абсолютного допуска ± Дц- Поэтому условие, при котором параметры технологической системы считаются в норме, будет иметь вид:

Ун -Ан<ту

где ту(7) текущее среднее значение контролируемого параметра, измеренное на участке контроля длиной Ьк. Под влиянием многочисленных внешних и внутренних дестабилизирующих факторов качество функционирования системы случайным образом изменяется. Всякие отклонения ту(/) от требуемого значения ун вызывают потери в качестве, которые оцениваются функцией потерь е | ту(/). Ун]- В силу случайности выходных параметров системы у(I) за показатель качества её функционирования принимают средний риск, т.е. математическое ожидание функции потерь [6]. Функция потерь, заданная регламентами применения средств химизации в виде поля двухстороннего допуска [-Дн,+Дн], представляет вид:

е шу

(0,|ту(0- ун| < Дн.

Для функции потерь, представленной выражением (2), показатель качества функционирования технологической системы Рл будет определяться как вероятность пребывания контролируемого параметра у(/) в поле допуска т.е.

Рл=Р{ Ун-Дн<ту

Соответственно для показателя безопасности и экологического показателя их оценки будут представлять собой вероятность выхода (выбросов) контролируемого параметра у(1) из поля допуска и определяться как

Еа = 1 - Ра.

Допустимый уровень показателя качества функционирования [ Рд ] выбирается с учетом вероятности выполнения поставленной задачи, и основываясь на учете экономических, технологических факторов, принимается равным 0,7 [6,8]. Тогда предельные значения показателя безопасности и экологического показателя [£л]доп= 0,3.

При практических расчетах оценку Ел удобно получать в виде суммы относительных длительностей выбросов выше верхней Ед и ниже нижней границы поля допуска Ед . Величины Ед и Ед определяются соотношениями Ед = п+/N и Ед = п~/N , где п+ и п~ - число выбросов контролируемого параметра соответственно выше и ниже поля допуска, а N — число измерений параметра за интервал контроля . Интервал контроля Л/ N. причем Л/ - шаг дискретизации контролируемого процесса.

Для выбора рациональных параметров Ьк и Л/ проводились специальные натурные эксперименты различных технологических систем при выполнении работ по химизации растениеводства. Полученные оценки статистических характеристик и корреляционно-спектральный анализ контролируемых процессов показал, что требованиям статистической репрезентативности отвечает условие -/V ~ 100 при Л/ ~ 0,1-0,2м и Ьк ~ 10-20м. При этих параметрах контроля будут соблюдены требования статистической достоверности получения информации о контролируемом процессе.

Для примера на рис. 1 показаны графики изменения средних квадратических отклонений ау в функции длины интервала контроля 1к (при А1 = 0,1м) для реализаций процесса расхода удобрений уО), полученных при натурном эксперименте технологической системы, оснащенной комбинированной овощной сеялкой (кривая 1) и комбинированной картофелепосадочной машиной (кривая 2).

г

0,10

0,09

0,08

0.07

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20.0 22,0 24,0 26,0 Рис.1. Графические зависимости ау = f

Анализ приведенных кривых показывает, что значения ау для исследуемого процесса у(1:) стабилизируются при ¿^ =15-20м и при дальнейшем увеличении ¡^^ практически не меняются. Эти значения Ьк выбираем в качестве длины интервала контроля. Однако такая значительная величина Ьк может привести к существенным потерям качества, вызванных нарушениями технологической и

1

1 Л.

1 / •2

1 л »

1 1/ \ / V / 1

\ /

/

1

1

экологической безопасности применения средств химизации из-за того что реакция человека-оператора или автоматического устройства на нарушение протекания технологического процесса и поднастройка системы будет существенно запаздывать. Поэтому для повышения оперативности получения контролируемой информации о функционировании технологической системы применения средств химизации, предлагается следующий обобщенный алгоритм контроля качества, графическая

интерпретация которого показана на рис. 2. у И)

/V

и

Рис.2. Графическая интерпретация обобщенного алгоритма контроля

Согласно предложенному алгоритму оценка качества функционирования технологической системы формируется за два этапа, включающих режимы настройки и контроля. В режиме настройки системы на начальном участке работы накапливается информация о процессе у(/) через отрезки Л/ на интервале и вычисляется среднее его значение: ту1 (/) = у(,)(0Ак,

Полученное значение ту1 (/) проверяется на соответствие нормативам, указанным в регламентах применения средств химизации. Это условие приведено в выражении (1). Если оно не удовлетворяется, то проводится поднастройка системы, после которой режим настройки повторяется. После выполнения условия (1) реализуется режим контроля. Для этого интервал наблюдения сдвигается относительно на величину шага дискретизации Л/ и на втором интервале Ь^ вычисляется ту^(/) Таким образом формируется текущее среднее ту(/) случайного процесса у(/). При этом наравне с текущей информацией используется информация о контролируемом процессе в прошлом, причем N при каждом сдвиге остается постоянным. Вычисление оценок Рд. также как и ту(1) осуществляется на длине интервала контроля Ьк с шагом Л/ после накопления N средних значений шу(/). Каждое полученное значение Рл сравнивается с | Рл |ДП||. Если окажется, что Рд < [ Рл ]доп, то выполняется поднастройка технологической системы. Необходимость изменения фактического значения контролируемого параметра определяется по результатам сравнения

относительных длительностей выбросов его выше верхней границы допуска Ед и ниже нижней границы допуска Ед . В случае Ед > Ед для восстановления необходимого качества следует уменьшить настройку параметра процесса у(/). а при Ед > Ед - увеличить.

Формализированная модель системы контроля и управления качеством функционирования технологической системы средств химизации, в которой реализован предложенный алгоритм показана на рис. 3

Рис.3. Формализированная модель системы контроля и управления качеством функционирования

технологической системы

В каждый момент / качество системы оценивается некоторым количественным показателем, определяющим её состояние. Под воздействием многочисленных дестабилизирующих факторов, к которым в первую очередь можно отнести условия эксплуатации технологической системы, её работоспособность, квалификацию и состояние человека-оператора, качество функционирования технологической системы ухудшается, что приводит к необходимости его восстановления. Информация о процессе у(/) поступает на вход блока 1, в функции которого входит измерение текущего значения процесса у(/) с помощью специальных датчиков. В этом блоке осуществляется также фильтрация погрешностей измерений. Преобразованные в блоке 1 сигналы у поступают в блок 2, где производится оценка вектора состояния и показателя качества технологической системы. При этом, кроме информации о текущем состоянии объекта, используются некоторые дополнительные априорные сведения, характеризующие модель объекта контроля и процесс измерений.

Выходом блока 2 является оценка показателя качества Рд, который сравнивается с заданными значениями показателя | Рд |ДП||. Эти заданные значения, принятые в качестве нормы, хранятся в блоке 4. Разностный сигнал Z поступает в устройство формирования решений 3, которое вырабатывает управляющие воздействия £/0, и1 и 11. поступающие соответственно на объект контроля, блоки 1, 2, и выдает сигнал о текущем состоянии объекта контроля потребителю контрольной информации человеку-оператору или управляющему устройству.

Если система разомкнута (11=0). то АСКУ используется как информационно-советующая система. Если £/=£ О, то система контроля совместно с объектом контроля образует замкнутую систему контроля и управления функционированием технологической системы. При этом управление может быть непрерывным или дискретным.

Для примера приведем результаты натурного эксперимента автоматизированной технологической системы, оснащенной комбинированной овощной сеялкой. Усредненные по ансамблю реализаций оценки контролируемого параметра - расхода удобрений при дозе внесения 100 кг/га с предлагаемой системой контроля составили: Ед= 0,20; £^=0,80; Рд=0,72. Для сравнения оценки этих параметров без системы контроля имели следующую величину: Ял+=0,56; £^=0,06; Ра=0,38.

Литература

1. Черноиванов В.И., Ежевский A.A., Краснощекое Н.В., Федоренко В.Ф. Модернизация инженерно-технической системы сельского хозяйства. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2010. - 412 с.

2. Ружьев В.А., Смелик В.А., Теплинский И.З. Эксплуатация транспортно-технологических комплексов в информационно-навигационных системах управления точными агротехнологиями // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. СПбГАУ. - СПб., 2013. - С. 77-80.

3. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 480 с.

4. Лурье АБ., Еникеев В.Г., Теплинский ИЗ. Курсовое и дипломное проектирование по сельскохозяйственным и мелиоративным машинам - Л.: Агропромиздат, 1991. -224 с.

5. Патент РФ №2048098 31.03.1992. Устройство управления расходом рабочей жидкости полевыми опрыскивателями с коррекцией на концентрацию раствора/В.Г. Еникеев, И.З. Теплинский, В.А. Смелик.

6. Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. - М.: Наука, 1979. - 432 с.

7. Смелик В.А., Теплинский О.И. Анализ технологического процесса мобильного протравливателя семенного картофеля как объекта контроля и управления // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. тр. СПбГАУ. - СПб., 2006. - С. 106-110.

8. Смелик В.А., Первухина О.Н., Теплинский О.И. Выбор и обоснование метода оперативной оценки глубины заделки в почву удобрений и пестицидов в автоматизированной системе управления качеством и экологической безопасностью технологических процессов применения средств химизации // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: Сб. науч. тр. 1ч,- СПбГАУ. -СПб.", 2015. - С. 587-590.