Графическая информационная модель состояния микроклимата в коровнике

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

УДК 636.083; 004.92

ГРАФИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СОСТОЯНИЯ МИКРОКЛИМАТА В КОРОВНИКЕ

В.Ф. ВТОРЫЙ, д-р техн. наук; СВ. ВТОРЫЙ, канд. техн. наук; Е.О. ЛАНЦОВА

Современные крупные животноводческие комплексы представляют серьезную опасность с точки зрения загрязнения окружающей среды отходами жизнедеятельности животных. Графическое информационное моделирование по результатам исследований является распространенным научным методом визуального представления изучаемых процессов и позволяет объективно оценить параметры выполняемого технологического процесса. Для успешного моделирования необходимо иметь достаточный объем информации о динамике изменения параметров микроклимата в коровнике за определенный промежуток времени. С этой целью разработана методика и переносная установка для мониторинга и фиксирования данных. В статье приведены графические информационные модели параметров микроклимата в коровнике на 200 голов. Наименьшая концентрация углекислого газа наблюдается с наветренной стороны 528-551 ppm, а наибольшая с подветренной стороны 1054 ppm, что почти в 2 раза больше, но не превышает предельно допустимых норм (2500 ppm). На графической модели концентрации NH3 выделяется зона низких (1,35-2,51 мг/м3) и повышенных (4,00-4,28 мг/м3) значений концентрации аммиака. Самые высокие показатели концентрации NH3 наблюдаются в центре коровника и составляют 5,42 мг/м3, но не превышают предельно допустимых значений 20 мг/м3 . На моделях видно, что температура воздуха имеет значения от 14,6 до 17,7 °С при изменении относительной влажности воздуха от 81 до 86% при температуре наружного воздуха 14°С и относительной влажности наружного воздуха 88-90%. Графические информационные модели позволяют прогнозировать состояние микроклимата коровника в соответствии с изменяющимися условиями и другими факторами производственно-технологического характера, а также своевременно принимать управленческие решения и не допускать возникновения критических ситуаций, опасных для животных и здоровья людей.

Ключевые слова: информационная модель, микроклимат, коровник. GRAPHICAL INFORMATION MODEL OF THE BARN INDOOR CLIMATE V.F. VTORYY, DSc (Eng); S.V. VTORYY, Cand. Sc. (Eng); E.O. LANTSOVA

Modern large-scale livestock facilities pose a serious hazard in terms of environment pollution with animal waste products. Graphic information modeling based on investigation results is a common scientific method of visual representation of the processes under study. It allows for objective assessment of information related to the current process. For a successful modeling it is necessary to have sufficient information about the indoor climate variations in the cow barn for a certain period of time. For this purpose the data monitoring and recording methodology and a portable setup were developed. The article describes graphic information models of indoor climate parameters in the cow barn for 200 head. The lowest CO2 content was registered on the windward side of the building (528-551 ppm); the highest - on the leeward side (1054 ppm), that was almost twice as much, but it did not exceed the maximum permissible concentration of 2500 ppm. The graphical model of NH3 concentration shows the zone of low (1.35-2.51 mg/m3) and high (4.00-4.28 mg/m3) ammonia concentrations. The highest NH3 values were registered in the

central part of the cow barn - 5.42 mg/m3, but they did not exceed the maximum permissible concentration of 20 mg/m3.

The models show that the air temperature values are from 14.6 to 17.7 °C while the relative humidity varies from 81 to 86% under the outside temperature of 14 ° C and relative humidity of outside air of 8890%. Graphical information models allow to predict the barn indoor climate in accordance with the changing conditions and other factors of production and technological nature and to make timely management decisions to prevent critical situations, which might be dangerous for animal and human health.

Key words: information model; indoor climate; cow barn.

ВВЕДЕНИЕ

Современные крупные животноводческие комплексы представляют серьезную опасность с точки зрения загрязнения окружающей среды отходами жизнедеятельности животных. Загрязняется почва, водоемы жидкими отходами и воздушное пространство газами и другими вредными испарениями.

Вентиляционные выбросы животноводческих предприятий содержат углекислый газ (СО2), аммиак (NH3) и др. элементы. Наиболее опасен углекислый газ, повышенное содержание которого в атмосфере земли приводит к потеплению климата вследствие парникового эффекта. За один час фермой выбрасывается в атмосферу 0.279 м углекислого газа [1, 2]. Управление технологическими процессами производства молока с минимизацией вреда окружающей среде является актуальной задачей.

Анализ воздействия фермы КРС на процесс формирования экологической обстановки и принятие обоснованных решений по управлению технологическими процессами производства животноводческой продукции эффективно возможно только при использовании современных средств контроля на основе информационных технологий. [3].

Использование достижений в области информационных технологий позволяет создать системы технологического мониторинга, которые по заданной программе регулярно выполняют наблюдения, измерения, позволяющие определить состояние выполнения технологического процесса под влиянием различных факторов, проанализировать на соответствие нормативам и представить персоналу в удобной форме с рекомендациями о вариантах принятия решения [4].

Графическое моделирование результатов научных исследований является распространенным методом визуального представления изучаемых процессов. Оно позволяет невидимое и абстрактное сделать видимым зачастую или условно видимым. Графическая информационная модель позволяет визуально оценить информацию о параметрах выполняемого технологического процесса в различных временных и пространственных точках и плоскостях, что немаловажно в сельскохозяйственном производстве, в том числе на фермах и комплексах крупного рогатого скота.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Для графического моделирования необходимо иметь достаточный объем информации о динамике изменения параметров микроклимата в коровнике за определенный промежуток времени по заданной схеме (рис. 1). С этой целью разработана переносная установка для мониторинга и фиксирования данных в различных точках коровника (рис. 2). Замер химического состава воздуха производился при помощи блока

электронных датчиков. Блок датчиков представляет собой устройство, в котором конструктивно объединены аналоговые датчики температуры воздуха, относительной влажности воздуха концентрации СО2, КИ3 с архиватором МСД-200 [5, 6, 7].

Рис. 1. Схема замера параметров Рис. 2. Переносная установка для

микроклимата в коровнике мониторинга параметров микроклимата

Аналоговые сигналы с датчиков с интервалом 10 с поступают на архиватор МСД-200, представляющий собой электронное устройство с 4 аналоговыми входами и объемом памяти 32 Гб, что позволяет за достаточно большой промежуток времени собирать и архивировать информацию, передавать на компьютер для дальнейшей обработки и анализа в табличной и графической форме EXCEL.

Методика формирования графической информационной модели состоит из нескольких этапов:

1. Мониторинг параметров микроклимата в коровнике за определенный промежуток времени. Для представления полной картины формирования микроклимата в коровнике необходимо собрать информацию за четыре основных сезонных периода: весна, лето, осень, зима. В дальнейшем по мере накопления информации производятся корректировки моделей.

2. При наличии необходимой базы данных производится обработка данных в табличной форме и построение моделей в графическом виде с использованием программного пакета EXCEL.

3. На основе анализа графических информационных моделей разрабатывается комплекс мероприятий по совершенствованию технологических процессов содержания и обслуживания коров, созданию эффективной системы вентиляции помещений для содержания животных и безопасных условий работы для обслуживающего персонала.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования параметров микроклимата на молочном комплексе ФГУП «Каложицы» Ленинградской области с использованием предложенного метода показали возможность оценки концентрации вредных веществ в различных точках животноводческого помещения в зависимости от внешних погодных условий и других факторов.

На рис. 3 показана графическая информационная модель концентрации углекислого газа в коровнике на 200 голов.

Необходимо отметить, что здания для содержания животных имеют значительную длину и ширину, измеряющуюся десятками, а то и сотнями метров. Поэтому СО2 распределяется неравномерно по длине и ширине коровника, значительное влияние оказывает направление ветра. С наветренной стороны здания концентрация углекислого газа ниже, чем с подветренной [8].

На рис. 3(а) показана концентрация углекислого газа в ppm по площади коровника на уровне 10-20 см от пола в рабочей зоне навозоуборочных транспортеров. Номера осей на рис. 3 соответствуют номерам точек на схеме рис. 1. Необходимо отметить, что направление ветра на всех рисунках соответствует оси 6-2.

Из рис. 3 (а) можно сделать вывод, что наименьшая концентрация углекислого газа наблюдается с наветренной стороны 528-551 ppm, а наибольшая с подветренной стороны 1054 ppm, что почти в 2 раза больше. Однако концентрации СО2 не превышают предельно допустимых (2500 ppm), о чем свидетельствует графическая модель, представленная на рис.

3(б).

5 5

Рис. 3. Графическая информационная модель концентрации углекислого газа

в коровнике на 200 голов.

7

3

7

3

На рис. 4 (а) показано распределение углекислого газа по коровнику (светлая зона) и концентрация СО2 в центре коровника 906 ppm (темная зона) соответствует точке 9 на схеме (см. рис. 1) На графической модели наглядно видно, что концентрация СО2 в центре коровника имеет наибольшее значение за исключением точек 1,3 с подветренной стороны, где она несколько больше или равна значению в центре коровника (точка 9).

На рис. 4(б) представлена графическая информационная модель концентрации КИ3 в мг/м3. На этой модели также выделяется две зоны: зона низких значений концентрации

3 „

аммиака (наветренная сторона коровника) 1,35-2,51 мг/м и зона повышенных значений концентрации аммиака (подветренная сторона коровника) 4,00-4,28 мг/м . Наивысшие

значения концентрации аммиака наблюдаются в центре коровника и составляют 5,42 мг/м . Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе коровника 20 мг/м3 не превышена.

1054

5,42

906 4

5,42 / 3,79

7

5,42

5,42 6

5,42 4

Рис. 4. Графическая информационная модель концентрации СО2, ppm

о

и N^3, мг/м3

1

3

7

3

5

5

На рис. 5(а) представлена графическая информационная модель распределения температуры воздуха, а на рис. 5(б) распределение относительной влажности воздуха в коровнике. На моделях видно, что температура воздуха имеет различные значения от 14,6 до 17,7 °С (норма 3-10°С, РД-АПК 1.10.01.02-10.) при изменении относительной влажности воздуха от 81 до 86% (норма 40-85%, РД-АПК 1.10.01.02-10). Условия содержания коров несколько превышают нормативы, но здесь сказывается то, что температура наружного воздуха составляла 14°С, а относительная влажность наружного воздуха 88-90%. При естественной системе вентиляции в коровнике довести температуру и относительную влажность воздуха до нормативного состояния без существенных дополнительных технических решений не имеется возможности, так как это требует значительных капитальных вложений и экономически не оправдано.

16,9

7 -^-1

17,1

17,1 6

Рис. 5. Графическая информационная модель распределения температуры, °С (а) и относительной влажности воздуха, % (б) в коровнике

ВЫВОДЫ

Графическое информационное моделирование является эффективным методом формирования технологий производства молока. За счет оптимизации параметров среды обитания животных для максимального использования их продуктивного генетического потенциала, обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонала и повышения срока эксплуатации технологического оборудования.

Использование графического информационного моделирования на примере фермы на 200 голов показало, что концентрация углекислого газа с наветренной стороны 528-551 ppm, а с подветренной стороны 1054 ppm, что почти в 2 раза больше, но не превышает предельно допустимых (2500 ppm).

На графической модели концентрации выделяется зона низких значений 1,353 «-» 3

2,51 мг/м и зона повышенных значений концентрации аммиака 4,00-4,28 мг/м . Наивысшие значения концентрации наблюдаются в центре коровника и составляет 5,42 мг/м , но не превышает предельно допустимых 20 мг/м3 .

Температура воздуха внутри коровника имеет значения от 14,6 до 17,7 °С при изменении относительной влажности воздуха от 81 до 86% при температуре наружного воздуха 14°С и относительной влажности наружного воздуха 88-90%.

Наличие графических информационных моделей позволяет прогнозировать состояние микроклимата коровника в соответствии с изменяющимися погодными условиями, другими факторами производственно-технологического характера и своевременно принимать управленческие решения не допускать возникновения критических ситуаций опасных для животных и здоровья людей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Gordeev V.V., Mironov V.N. Use of ventilation emission from animal barn for improvement of plant growth. Proceedings of the 13th International Scientific Conference «Engineering for rural development» № 13, Jelgava 2014, pp. 99-102.

2. Хазанов Е.Е., Гордеев В.В., Хазанов В.Е. Технология и механизация производства молока: Учебное пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2010.- 336 с.

3. Валге А.М., Вторый В.Ф., Вторый С.В. Концептуальная схема модели антропогенного воздействия молочно-товарной фермы на экологию окружающей среды/ А.М.Валге, В.Ф.Вторый, С.В.Вторый // Журнал «Известия СПбГАУ» №38, 2015, с.324-328.

4. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Система технологического мониторинга производства молока на ферме КРС / В.Ф. Вторый., С.В. Вторый // Вестник ВНИИМЖ- Ежеквартальный научный журнал.-№2.- 2012.- С.20-25.

5. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Устройство для контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока. Патент на полезную модель №139847, дата публикации 27.04.2014.

6. Вторый В.Ф, Вторый С.В., Ланцова Е.О. Устройство контроля параметров микроклимата в помещениях для содержания сельскохозяйственных животных. Патент на полезную модель №161235, дата публикации 10.04.2016.

7. Оборудование для автоматизации.// Каталог 2014 / www.owen.ru.

8. Valerii Vtoryi, Sergei Vtoryi, Evgenia Lantsova, Vladislav Gordeev. Effect of weather conditions on content of carbon dioxide in barns. 15* International Scientific Coference. Engineering for rural development. Proceedings, Volume 15 May 25-27, 2016, S 437-441. ISSN 1691-5976.

УДК 631. 3:636.2

ПИТАТЕЛЬ СТЕБЕЛЬНЫХ КОРМОВ ДЛЯ ИННОВАЦИОННОЙ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗДАЧИ КОРМОВ НА ФЕРМАХ КРС

А.К. МОРОЗ, канд. техн. наук; ВВ. СОРОКИН, канд. техн. наук; В.Е. ХАЗАНОВ, канд. техн. наук.

Питатель стебельного корма является необходимым элементом стационарных пунктов приготовления кормов для КРС. Целью исследований являлся поиск конструкции рабочего органа питателя стебельных кормов с более низким энергопотреблением, который может использоваться для сильно связанных силосных масс из многолетних трав, преимущественно распространенных на Северо-Западе России.

В задачу исследований входила проверка работоспособности макета рабочих органов питателя, дно которого выполнено в виде вращающихся продольно расположенных четырёх шнеков, причём с противоположным силовым воздействием на монолит корма благодаря разным направлениям навивки у рядом расположенных шнеков. Приведены конструктивные и технические данные макета рабочих органов.