Автоматизация проектирования системы машин в адаптивно-ландшафтном земледелии

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ МАШИН В АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ

И.И. Гуреев, Н.С. Климов

Аннотация. Разработан алгоритм автоматизации проектирования системы машин для комплексной механизации агротехнологий производства основных сельскохозяйственных культур. На базе алгоритма создана компьютерная программа, адаптированная к биологическим особенностям культур и факторам состояния поля. Программа позволяет формировать системы машин и определять приведенные затраты на их эксплуатацию и содержание.

Ключевые слова: адаптивно-ландшафтное земледелие, агротехнология, алгоритм, система машин, техническое средство, проектирование, автоматизация, почва, климат, засорённость, плотность сложения, удобрение, компьютерная программа, приведенные затраты.

Особенностью адаптивно-ландшафтного земледелия является многовариантность агротехнологий, обусловленная совокупностью многообразия выращиваемых культур и вариабельности почвенно-климатических условий. Система машин как производная агротехнологий должна достаточно в полной мере удовлетворять всему этому многообразию (рисунок 1).

Последствие нецелевого или ограниченно целевого использования техники проявляется в снижении качества выполняемых работ и повышении их стоимости, что негативно сказывается на урожайности и рентабельности производства сельскохозяйственных культур.

Рисунок 1 машин

Структура проектирования системы

Оптимизация системы машин сопряжена с анализом многочисленной аналитической информации по техническому уровню представленной на рынке сельскохозяйственной техники отечественного и импортного производства, а также большим объёмом расчётных работ по определению экономических показателей вариантов адаптивной системы машин. Поэтому поставлена задача, автоматизировать процесс проектирования системы машин.

В процессе адаптации способов обработки почвы и посева к биологическим особенностям культур и состоянию почвы установлено [4], что почвообрабатывающие и посевные орудия имеют конкретную конструкцию и не могут полностью обеспечить механизацию непрерывного виртуального пространства состояния полей. Поэтому выбраны дискретные представительные состояния почвы в пространстве трёх наиболее значимых факторов, характеризующих её состояние, таких, как засорённость, плотность сложения и обеспе-

ченность веществами для питания растений. С учётом биологических особенностей культур для выделенных дискретных состояний формализованы варианты обработок почвы и посева. Для каждого из вариантов разработаны адаптивные проекты механизированных агро-технологий производства культур, в совокупности образующие алгоритм. Агротехнологии в нём представлены в виде хронологически последовательного перечня приёмов с применением комплексов машин отечественного и импортного производства [1].

Источником формирования системы машин является банк данных, где технические средства классифицированы в группы по агротехнической принадлежности, а внутри каждой группы представлены аналоги отечественного и импортного производства с показателями технического уровня и цены.

Учитывая высокую стоимость сельскохозяйственной техники, не ставилось цели навязывать потребителю конкретно какую-то машину, даже если она по агротехнической принадлежности и техническому уровню наиболее полно вписывается в агротехнологию. Основной критерий подбора технических средств - это экономически и экологически оправданная многовариантность их использования в многообразии адаптивных агротехнологий. Поэтому потребитель необходимую машину подбирает приоритетно из образцов, имеющихся в хозяйстве. Только в случае отсутствия таковых он озадачивается необходимостью приобретения недостающего компонента системы машин.

На базе алгоритма разработана компьютерная программа, получившая государственную регистрацию [5], которая способна автоматизировать проектирование системы машин с оценкой приведенных затрат на её эксплуатацию и содержание, а также интенсивности механического воздействия на почву (экологический показатель).

При запуске программы компьютер предлагает обозначить выращиваемую культуру и параметры состояния поля. После подтверждения выбора кнопкой «ОК» на мониторе появляется окно с перечнем приёмов и операций для формирования агротехнологии производства культуры в заданных почвенных условиях (рисунок 2).

Каждый очередной приём подтверждают нажатием кнопки «Подтвердите выбор приема» и в нижней части окна появляется его название с перечнем операций, необходимых для осуществления. Пользователь выделяет очередную операцию и после нажатия кнопки «Технические средства» компьютер представляет окно с названием операции и группой возможных технических средств её механизации. Каждое техническое средство в группе характеризуется маркой, шириной захвата, рабочей скоростью, производительностью, массой, требуемой мощностью трактора, страной-производителем и т.д. Пользователь из предложенной группы выбирает наиболее целесообразное для себя техническое средство, прежде всего, исходя из его наличия в хозяйстве.

^¡'Озимые зерновые - |П| х|

Формирование агротехнолий возделывания Озимых зерновых

Выберите параметры, характеризующие состояние поля

кения Обеспеченность Подтвердите

ы Г/куб см питательными веществами выбор

zi Р1"3 F^ri з

Заданному состоянию почвы соответствует вариант = 1-2

Перечень применяемых приемов

Выберите очередной применяемый прием N-1

1. Основная обработка почвы

2.Предпосевная обработка почвы

3. Посев

4. Уход за посевами

5. Уборка урожая

Подтвердите выбор приеме

1. Основная обработка почвы

Перечень применяемы* операций

ie стерни предшественника

Выберите очередную операцию и нажмите на кнопку "Те>: средства"—> т.::. средства для выбора технических средств на осуществление этой операции

Ji Close

Рисунок 2 - Формирование агротехнологии производства культуры

Выбор технического средства (имеющегося в хозяйстве или планируемого к приобретению) следует подтвердить нажатием кнопки «ОК», после чего компьютер предлагает отметить следующую операцию в рамках отрабатываемого приёма и т.д. После того, как средствами механизации наделены все операции рассматриваемого приема, компьютер предлагает перейти к очередному приёму, соблюдая хронологическую последовательность.

На завершающей стадии проектирования компьютер выводит на монитор надпись «Формирование агро-технологии завершено» и для контроля предлагает осуществить просмотр результатов проектирования. На мониторе появляется окно «Результат формирования системы машин для комплексной механизации агро-технологии возделывания культуры». В верхней части его представлен перечень исполняемых приемов, а ниже - таблица с параметрами машин для каждого приёма (рисунок 3).

Рисунок 3 - Структура системы машин для комплексной механизации адаптивных агротехнологий возделывания культуры

Техническое обеспечение приемов запрашивается нажатием соответствующих кнопок в верхней части таблицы.

Помимо проектирования механизированных агро-технологий, программа предусматривает определение приведенных затрат (Пр) по каждой технологической операции и по агротехнологии в целом. Расчет затрат осуществляется по формуле [2]:

. Л1Т1 + ЛгТг

Пр = -

W

q Ц.+Z ИД,

юоо Ц (Ям+ам+Е юоо Цш (R+аш+Ю

+- м__-+- -, руб./га,

где Ль Л2 - количество механизаторов и вспомогательных рабочих, занятых на выполнении операции, чел.; тI, т2 - часовая ставка оплаты труда механизатора и вспомогательного рабочего, руб./ч;

W - сменная производительность агрегата, га/ч;

q - расход моторного топлива, кг/га;

Цг - цена топлива, руб./кг;

hi - количество /'-го расходуемого ресурса (семян, минеральных удобрений, средств защиты растений и др.), кг/га;

Ц - цена i-го расходуемого ресурса, руб./кг;

Цм, Цт - цена машины и трактора, тыс. руб.;

RM, Rm - коэффициент отчислений на текущий ремонт и техническое обслуживание, соответственно, машины и трактора; ам, ат - коэффициент отчислений на амортизацию машины и трактора;

Е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; tM, tm - нормативная годовая загрузка машины и трактора, ч.

Итоговый шаг программы сопровождается выведением на монитор (при необходимости - и на принтер) перечня марок системы машин и суммарных приведенных затрат по ней, а также значений производительности, приведенных затрат и потребности (П) по каждой машине индивидуально. В исходное положение программу выводят нажатием кнопки «Close». После этого компьютер готов к проектированию системы машин другой агротехнологии.

Автоматизированная программа апробирована на проекте системы машин агротехнологии производства озимой пшеницы, возделываемой по непаровым предшественникам. Поле для размещения культуры характеризовалось повышенной засоренностью и плотностью сложения почвы, недостатком питательных веществ для получения программируемой урожайности зерна. Проект разработан в вариантах с отечественными и импортными средствами механизации (таблица 1). Расчёты проведены при условии, что импортная и отечественная техника одинаково соответствует действующим требованиям надёжности.

Для варианта с импортной техникой исключение составил инновационный отечественный щелеватель роторный ЩР-1. Он не имеет зарубежных аналогов, но одинаково необходим в сравниваемых вариантах для предотвращения эрозионных процессов и накопления в почве продуктивной влаги.

Особенностью рассматриваемой агротехнологии является высокий срез стерни на уборке культуры с последующим применением автономного измельчителя соломы. Обусловлено это тем, что при высоте среза около 35 см резко, почти на 25 %, снижается загрузка зерноуборочного комбайна и, соответственно, затраты на уборку, но самое главное - повышается производительность уборки, что позволяет имеющимися мощностями сократить срок уборочной кампании и предотвратить значительные потери зерна [3].

Таблица 1 - Система машин для производства озимой

Wt м

wl

№ пп Приемы возделывания и уборки культуры Средства механизации

отечественные импортные

1 Лущение стерни предшественника Дисковая борона

БДТ-7 Rau DXG

2 Послойная обработка почвы Комбинированный агрегат АПК-6 Стерневой культиватор Смарагд 9/600К

3 Совмещение с посевом предпосевной культивации и локального внесения минеральных удобрений Комбинированное почвообрабатываю-ще-посевное орудие

КО-3,б ATD 18.35

4 Щелевание посевов Щелеватель роторный ЩР-1

5 Трёхкратные корневые подкормки Разбрасыватель минеральных удобрений

РУ^,б RS-M

б Трёхкратные некорневые подкормки, совмещённые с применением химических средств защиты растений Опрыскиватель прицепной

OП-2000M John Deere 74G

7 Скашивание и обмолот зерновых Зерноуборочный комбайн

Acros 54G Dominator R88VX

S Автономное измельчение соломы Mульчировщик

MMO-2,8M TST-280

Я771

6158 6223 6288 -А- 6354 -Д- 6423 ---А

--

На фоне чрезвычайно высокой цены на сельскохозяйственную технику подорожание моторного топлива в формировании себестоимости сельскохозяйственной продукции хотя и значимо, но не в такой степени, как это часто представляется. Рост цены топлива на 44 % способствовал увеличению приведенных затрат в производстве озимой пшеницы на 5,9 % с использованием отечественной и на 3,3 % - импортной техники (рисунок 5).

10000 -

7000

6000

8779 8847

8561  — -

О- -S-

6158 6246 6339 6428 6620

Цена моторного топлива, руб./кг

По данным автоматизированной оценки проекта компонента издержек на содержание техники в производстве озимой пшеницы превысила 6100 руб./га - при использовании отечественной и 8500 руб./га - при использовании импортной техники (применение отечественной техники обходится в среднем на 37 % дешевле). Наибольшая доля этих издержек приходится на амортизацию, ремонт и техническое обслуживание резко подорожавших средств механизации (особенно импортных).

Интересна оценка приведенных затрат на осуществление агротехнологий в пространстве вариации факторов, вызывающих повсеместную озабоченность. Это заработная плата персонала, эксплуатирующего и обслуживающего технику (социальный фактор), и цена моторного топлива, имеющая ярко выраженную тенденцию постоянного роста. В части социальной составляющей затрат увеличение в два раза ставки оплаты труда по эксплуатации и обслуживанию техники (с 80 до 160 руб./ч) способствовало росту приведенных затрат всего лишь на 1,9-4,3 % (рисунок 4).

,¿10000 CL

i 9000 £

" 8000

Ставка оплаты труда персонала, эсллуатирующего и обслуживающего технику, руб>1

I ——Импортна* техника

I —А-- Отечестввннлятехникл

Рисунок 4 - Приведенные затраты на техническое обеспечение производства озимой пшеницы в зависимости от ставки оплаты труда персонала

Наличие существенного разрыва в затратах на содержание техники и оплату труда персонала не характерно для стран с развитой экономикой. Это свидетельствует о недостаточной реализации сельскохозяйственным сектором экономики РФ наиболее эффективного стимула повышения производительности и качества труда в виде достойной его оплаты. Увеличение ставок оплаты труда позволит повысить дисциплину и качество выполнения приемов по возделыванию культур. В то же время это незначительно скажется на себестоимости производимой продукции, способствуя росту прибыльности производства.

——Импортнаятехника — А-- Отечественная техника

Рисунок 5 - Приведенные затраты на техническое обеспечение производства озимой пшеницы в зависимости от цены моторного топлива

Наличие алгоритма и компьютерной программы позволяет в режиме on-line минимизировать приведенные затраты при эксплуатации проектируемой системы машин и за счёт этого на 10.. .18 % снизить издержки производства сельскохозяйственных культур.

Разработан алгоритм проектирования системы машин для комплексной механизации агротехнологий производства основных сельскохозяйственных культур, адаптированных к состоянию полей по факторам засорённости, плотности сложения и обеспеченности почвы питательными веществами. Алгоритм положен в основу компьютерной программы автоматизации проектирования с оценкой приведенных затрат на её эксплуатацию и содержание. Программа апробирована на проекте системы машин для комплексной механизации адаптивных агротехнологий производства озимой пшеницы, насыщенных средствами механизации отечественного и импортного производства. Установлено, что компонента издержек на эксплуатацию и содержание техники в агротехнологиях достаточно высока - 6100 руб./га по отечественной и 8500 руб./га по импортной технике, т.е. механизация производства культуры отечественной техникой позволяет снизить приведенные затраты в среднем на 37,4 %.

Вариация факторов цены моторного топлива и зарплаты персонала, эксплуатирующего и обслуживающего технику, показала, что подорожание топлива на 44 % приводит к росту приведенных затрат на 3,3.5,9 %. С увеличением в 2 раза ставки оплаты труда (с 80 до 160 руб./ч) приведенные затраты возрастают всего лишь на 1,9.4,3 %.

Список использованных источников

1 Алгоритм проектирования системы машин в адаптивно-ландшафтном земледелии Центрального Черноземья / И.И. Гуреев, В.П. Дьяков, Н.И. Руднев- Курск: ГНУ ВНИИ-ЗиЗПЭ РАСХН, 2009. - 9 с.

2 ГОСТ 23728-88 - ГОСТ 23730-88. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. - М., 1988. - 25 с.

3 Кратцманн А., Реклебен И. Выше срез - ниже затраты? Экономические и технологические аспекты высокого среза при уборке зерновых // Новое сельское хозяйство. - 2006. - С. 50-52.

4 Методика формирования системы машин для комплексной механизации агротехнологий / И.И.Гуреев,

В.П. Дьяков, Г.К. Гребенщиков и др. - Курск: ГНУ ВНИИ-ЗиЗПЭ РАСХН, 2008. - 23 с.

5 Свид. о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611304 Российская Федерация, Программа автоматизированного проектирования системы машин в адаптивно-ландшафтном земледелии / И.И. Гуреев, Н.И. Руднев; правообладатель ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии. -№2010617841; заявл. 13.12.2010; зарегистр. 9.02.2011.

Информация об авторах Гуреев Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РФ, заведующий лабораторией механизации почвозащитного земледелия ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, е-mail: gureev06@mail.ru

Климов Николай Семёнович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой процессов и машин в агроин-женерии ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», е-mail: klimns46@mail.ru