Алгоритм управления процессом поения в коровниках

УДК 636.084.7

DOI 10.24411/0131-5226-2018-10110

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЕНИЯ В КОРОВНИКАХ

В.В. Гордеев, канд. техн. наук;

С.В. Собовая

С.В. Вторый, канд. техн. наук;

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Современная ферма крупного рогатого скота - это высокотехнологичное производство, и внедрение цифровых технологий для технологического контроля и учета водопотребления скажется в значительной степени на снижении расхода кормов и энергоресурсов, а так же окажет благоприятное воздействие на окружающую среду. Первым этапом создания средств контроля и учета водопотребления является разработка общего алгоритма управления процессом поения КРС. При этом должна быть учтена специфика систем поения и средств механизации водоснабжения, которая зависит от типоразмера производственных зданий и технологических решений, а также проведен анализ научно-технической литературы, патентных решений, материалов конференций и выставок по системам водопоения и конструкциям существующих поилок и определены проблемные участки. Алгоритм был разработан с использованием принципа декомпозиции. Он представляет сложную систему, состоящую из множества алгоритмов, связанных между собой информационными потоками через общую базу данных. Алгоритм является основой для разработки программы управления. Автоматизация системы управления процессом поения позволит вести контроль и учет расхода воды, потребляемой животными, проводить диагностику технологических процессов, своевременно принимать решения для поддержания параметров и режимов работы на оптимальном уровне посредством управления исполнительными системами, что позволит увеличить продуктивность коров на 10-15% и уменьшить расход кормов на 3-5%.

Ключевые слова: водоснабжение, коровник, поение, поилка, алгоритм.

Для цитирования: Гордеев В.В., Вторый С.В., Собовая С.В. Алгоритм управления процессом поения в коровниках // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 4(97). С. 227-234.

ALGORITHM OF LIVESTOCK WATERING CONTROL IN COW BARNS

V.V. Gordeev, Cand. Sc. (Engineering); S.V. Sobovaya

S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering);

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

A modern cattle farm is a high-tech production facility, where introduction of digital technologies for technological control and recording of water consumption will significantly reduce the feed and energy inputs and have a beneficial environmental effect. The first step in the development of control and recording tools of water consumption is to design a general algorithm for cattle watering control. Here the specific features of watering systems and water supply mechanization depending on the type and size of livestock houses and technological solutions have to be considered; the review of scientific and technical literature,

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.

_ИАЭП. 2018. Вып. 97_

patented solutions, proceedings of conferences and promotional materials of exhibitions associated with the livestock watering systems and designs of available drinkers is also required, with the areas of concern being identified. The algorithm was designed using the principle of decomposition. This algorithm is a complex system consisting of many separate algorithms interconnected by information flows through a common database. It is the basis for creating the control programme. Automation of the watering control system will allow to monitor and record the water consumption by animals, carry out diagnostics of technological processes, make timely decisions to maintain the parameters and operating modes at an optimal level by controlling the actuating systems. This results in the increase of cow productivity by 10-15% and in 3-5% lower feed inputs.

Key words: water supply, cow barn, livestock watering, drinker, algorithm.

For citation: Gordeev V.V., Vtoryi S.V., Sobovaya S.V. Algorithm of livestock watering control in cow barns. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogoproizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 4

Введение

Современная ферма крупного рогатого скота - это высокотехнологичное производство, и внедрение цифровых технологий для технологического контроля и учета водопотребления скажется в значительной степени на снижении расхода кормов и энергоресурсов, а так же окажет благоприятное воздействие на окружающую среду. В цифровом эквиваленте обеспечение животных в достаточном количестве хорошей, подготовленной и подогретой водой позволяет увеличить продуктивность коров молочного направления на 10-15% и уменьшить расход кормов на 3-5% [1,2].

Основными потребителями воды на ферме являются животные, что составляет от общего объема около 75%. Так, для фермы на 800 голов дойного стада при средней продуктивности 9000 кг в год требуется на поение не менее 100 т воды в сутки, при этом общее потребление воды за год может составить более 36 тыс. т , в т.ч. 9 тыс. т вода на технологические нужды, которая попадая в навоз значительно увеличивает его объемы, и тем самым увеличивая ущерб окружающей среде [3].

Первым этапом для разработки средств контроля и учета водопотребления является разработка общего алгоритма управления

процессом поения КРС. При разработке алгоритма должна учитываться специфика систем поения и средств механизации водоснабжения, которая зависит от типоразмера производственных зданий и технологических решений. В этом случае особое внимание следует уделить, при обеспечении коров водой, количеству и пропускной способности поилок, свободному доступу животных к ним и оптимальной температуре воды.

Материалы и методы

Проведен анализ научно-технической литературы, патентных решений, материалов конференций и выставок по системам водопоения и конструкциям существующих поилок [4-9]. По результатам исследований обозначены проблемные участки и сделаны выводы:

- Повышенный расход воды и загрязнение ее остатками корма - необходима оптимизация высоты воды в поилке. В ряде исследований установлено, что при глубине воды в поилках менее 8 см коровы с водой заглатывают накопившуюся на дне поилки грязь, а при глубине воды более 40 см возрастает непроизводительный расход питьевой воды до 79 %, связанный со сливом воды при чистке поилок. Оптимальной глубиной воды в поилках, исключающей все

перечисленные недостатки, считается 15-20 см [10].

- Непостоянная температура воды в поилке -необходим мониторинг оптимальной температуры воды в системе водоснабжения и поилках путем установки датчиков температуры. На продуктивность животных оказывает влияние температура потребляемой воды. Так, при отсутствии подогрева воды в холодное время года и средней температуре воды в поилках +2°С опытные животные пили в среднем 6,4 раза в сутки, затрачивая на это 3,1 минуты. Надои молока при этом составили 20,5 кг. При подогреве воды в поилках до +12 °С, эти же животные подходили к автопоилке в среднем 9,1 раз в сутки, затрачивая на поение 4 минуты, а удои молока повысились на 0,9 кг [10]. При температуре воды свыше +18°С снижаются ее вкусовые качества, она хуже утоляет жажду [11]. Оптимальной считается температура воды от +8 до +12°С. При данной температуре животные потребляют максимальное количество воды и не тратят лишнюю энергию кормов на согрев воды до температуры тела, а тратят её на производство молока [12].

- Повышенный расход электроэнергии на компенсацию теплопотерь в окружающую среду - необходимо совмещенное автоматическое управление работой системы поения и микроклимата. Повышенная влажность в сочетании с высокой или низкой температурой неблагоприятно влияет на здоровье и водопотребление животных.

- Повышенная трудоемкость по очистке поилки от загрязнений при полном использовании ручного труда - внедрение систем автоматической очистки поилок. Вода из поилок, как правило, загрязнена только остатками корма и не несёт ущерб окружающей среде, поэтому может сливаться в ливневую канализацию или после предварительной очистки использоваться на технологические нужды.

Все это должно быть учтено при разработке алгоритма системы управления процессом поения КРС.

Результаты и обсуждение

Систему водоснабжения на ферме (рис. 1) можно условно разделить на две части, первая - забор воды и подача ее до зданий фермы и вторая часть - распределение ее внутри помещений. В первом случае вода погружным центробежным насосом 1 подается в расходную емкость 2, из которой самотеком через фильтр 3, в котором происходит очистка от механических примесей, поступает в здания фермы. В этой части водообеспечения необходимо осуществлять контроль и управление за

производительность ]У„, потребляемую мощность 1¥пот и время работы Н , объем воды V в расходной емкости 2 и общий расход воды на ферме <2 и ее температуру t "С.

Рис. 1. Принципиальная схема контроля

водопотреблення на ферме КРС: 1 - водяной насос; 2 - расходная емкость;

3 - фильтры; 4 - датчики; 5 — поилка;

6 - датчик микроклимата; 7- водонагреватель; 8 - технологический кран.

Целевая функция первой части расхода воды Q, т/сут. является функцией от потребляемой мощности Wnom и времени работы Н насоса. Q — min, Q= f{W,wm, Н).

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 97_

Во второй части вода по трубам идет в поилки 5 и к технологическим кранам 8. Здесь нам необходим контроль и учет расхода воды, потребляемой животными Q.„c и на технологические нужды Qm, с одновременным учетом возможных потерь воды. Так же проводится постоянный контроль температуры воды t,°C , включения систем подогрева 7, уровень воды в поилках h.

При разработке алгоритма управления процессом поения, необходимо включить в него контроль параметров микроклимата в помещении (температуры Т, "С и относительной влажности (р, %), продуктивность животных Р, кг, эти параметры влияют на водопотребление.

Целевая функция второй части расхода воды, потребляемой животными Q.„c т/сут., является функцией от продуктивности животного Р, кг температуры воздуха в животноводческом помещении Т, °С и количества животных п, гол.

(2Ж— min, Q^f(P, Т, п).

При использовании подогрева воды может иметь место дополнительная целевая функция удельных затрат электроэнергии \¥уд, кВт-ч/т воды, она является функцией от температуры воздуха в животноводческом помещении Т, °С и температуры воды t °С,

подаваемой от источника водоснабжения и носит, как правило, сезонный характер. \\ м ипи. \¥уд = /(Т, I).

Управление производственной системой «животное-среда-машина» является

сложным процессом с множеством взаимосвязей и взаимодействий, и этот процесс характеризуется информационными потоками между составляющими системы.

Система управления поением состоит из группы взаимосвязанных отдельных систем, соединенных информационными потоками через общую базу данных, целью которых является соблюдение потребности в воде животных. Схема взаимодействия элементов через информационные потоки показана на рисунке 2. Работа описывается следующим образом. Измерительный комплекс,

состоящий из датчиков, передает данные в блок анализа, где происходит сравнение показателей, и если они находятся в допустимых границах, то результаты передаются оператору. Если устанавливается не соответствие, то данные передаются в блок управления, где производится анализ, устанавливаются возможные причины отклонений, создается программа для принятия решений, выбирается оптимальный вариант и подается команда на исполнительные системы, после чего новое состояние системы анализируется в блоке анализа.

Измерительный комплекс

т Блок анализа

Происходит сравнение фактических показаний с датчиков со стандартами предприятия. В случае отклонения показателей, система в автоматическом режиме

перенаправляет поток данных в блок управления, и на дисплее оператора отображается системное сообщение "тревога". При нормальном состоянии показателей на дисплее оператора отображается системное сообщение "норма", срабатывает таймер периода повторного опроса, после чего работа программы блока анализа повторяется

Исполнительные системы

Блок управления

Проводит расчет

оптимальных параметров и дает команду на их корректировку

Общая база данных

База данных «Животные» содержит сведения по продуктивности и физиологическому состоянию, о рационах кормления и др.

База данных «Процессы» содержит все необходимые сведения об оптимальных, рациональных, допустимых и критических параметрах процессов содержания и обслуживания животных.

База данных «Оборудование» содержит сведения наличии оборудования для транспортировки и выдачи воды, микроклимата и др. Их технические, экономические и технологические характеристики, готовность к эксплуатации, графики ТО. Наработку оборудования с отказами.

База данных «Ресурсы» содержит сведения о качестве и нормативах расхода воды, результаты замеров фактического состояния. Фактический расход воды, энергии на ее подготовку и подачу в помещение._

Рис. 2. Схема езаимодейстеия элементов системы управления через информационные потоки

...................... информационный поток

С использованием принципа себя сложную систему, состоящую из декомпозиции разработана общая блок- множества алгоритмов, связанных между схема алгоритма управления процессом собой, поения КРС (рис. 3), которая представляет из

Рис. 3 Общая блок-схема алгоритма управления процессом поения КРС

1. Алгоритм электропитания и исправности линий. Работа системы начинается с проверки соответствия напряжения питающей электросети нормативным значениям, при необходимости может быть произведена стабилизация напряжения до требуемых значений. Далее выполняется

элементов системы в целом и отдельных ее компонентов. С использованием тестовых программ производится опрос линий связи и

работоспособность и при наличии неисправности формируется список возможных ее причин, после чего на дисплее оператора отображается системное

сообщение "авария" и работа алгоритма прекращается до ее устранения. Если функция контроля прошла успешно, то осуществляем переход к работе блока анализа.

2. Алгоритм расчета потребности в воде в соответствии со стандартами предприятия. Формирует модель сравнения предполагаемого потребления воды на основе данных о суточных удоях, рационе, возрасте животных и др.

3. Алгоритм контроля и учета расхода воды потребляемой животными. Проводит опрос датчиков и съем значений величин по потреблению воды, после чего формирует модель фактического потребления воды и сравнивает ее с моделью анализа предполагаемого потребления воды.

4. Алгоритм диагностики технологических процессов. Проводит опрос датчиков и съем значений величин измеряемых параметров внутри животноводческого помещения, которые влияют на потребление животными воды: температура воздуха в помещении, температура воды в поилках, уровень

концентрации углекислого газа, давление воды в магистралях и др.

5. Алгоритм принятия решения. Основная задача заключается в анализе массива данных, на основе модели анализа диагностики, и дальнейшей проработки вариантов оптимизации различных параметров, в случае отклонения от нормативных, выбора оптимального, удовлетворяющего стандартам предприятия

исполнительных систем.

6. Алгоритм управления исполнительными системами. В соответствии с программой отправляет команды на исполнительные системы, такие как система управления микроклиматом, подогревом воды и др.

Выводы

Алгоритм системы управления процессом поения КРС представляет сложную систему, состоящую из множества алгоритмов, связанных между собой: алгоритм электропитания и исправности линий, расчета потребности в воде в соответствии со стандартами предприятия,

потребляемой животными, диагностики технологических процессов, принятия решения и управления исполнительными системами и является основой для разработки программы управления.

Автоматизация системы управления процессом поения позволит вести контроль и

животными, проводить диагностику технологических процессов, своевременно принимать решения для поддержания параметров и режимов работы на оптимальном уровне, управляя

исполнительными системами, что позволит увеличить продуктивность коров на 10-15% и уменьшить расход кормов на 3-5%.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

Л БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гордеев В.В., Хазанов В.Е., Яковлева A.B. Алгоритм расчета и выбора поилок для коров // Известия Великолукской ГСХА. -2016. - №2.-С. 24-28.

2. Семин А. Комфортная среда обитания коровы - залог хорошего здоровья и продуктивного долголетия // Молочная промышленность. 2013. №7. С. 20.

3. Вторый В.Ф., Вторый C.B., Зайцев И.С. Мониторинг водопотребления - путь к снижению экологического ущерба при производстве молока // Экология и с.-х. технологии: агроинженерные решения. 2011. С. 104-109.

4. Поцелуев A.A., Назаров И.В., Степаненко Е.В. Конструктивно-технологические особенности автопоилки // Сельский механизатор. 2018. №1. С. 28-29.

Теоретические предпосылки создания нового устройства водоподготовки в помещениях содержания КРС // Вестник НГИЭИ. 2015. №4(47). С. 72-76.

6. Нигматов Л.Г., Медведев В.Е., Бибарсов В.Ю. Совершенствование конструкции групповой автоматической поилки для крупного рогатого скота // Вестник

Алтайского государственного аграрного университета. 2017. №2 (148). С. 144-150.

7. Оболенский Н.В, Шевелев A.B. Основные направления модернизации систем поения на фермах КРС // Вестник НГИЭИ. 2016. №10(65). С. 111-118.

8. Таран Е.А., Минина Е.С. Классификация групповых автопоилок с термосифонной циркуляцией воды // Вестник аграрной науки Дона. 2013. №4 (24). С. 14-17.

9. Юхин Г.П., Катков A.A., Макаровская

система водоснабжения в коровнике с подогревом // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. №5(55). С. 89-90.

10. Шматко H.H., Музыка A.A., Кирикович С. А., Москалёв A.A., Тимошенко М.В. Водообеспечение коров на селекционно-племенной молочной ферме // Зоотехническая наука Беларуси. 2016. Т. 51 №2. С. 325-332.

11. Богомолов В., Головня Е. Качеству питьевой воды - повышенное внимание // Комбикорма. 2012 . №6. С. 85-86.

12. Бабий А. Влияние поения на удой // Сельскохозяйственные вести. 2012. №1. С. 46.

REFERENCES

1. Gordeev V.V., Khazanov V.E., Yakovleva A.V. Algoritm rascheta i vybora poilok dlya korov [Algorythm to design and select cow drinking troughs]. Izvestiya Velikolukskoi GSKhA. 2016. N 2: 24-28.

2. Semin A. Komfortnaya sreda obitaniya korovy - zalog khoroshego zdorov'ya i produktivnogo dolgoletiya [Comfortable habitat of a cow is a guarantee of good health and productive longevity]. Molochnaya promyshlennost'. 2013. N 7: 20.

3. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Zaitsev I.S. Monitoring vodopotrebleniya - put' k snizheniyu ekologicheskogo ushcherba pri proizvodstve moloka [Monitoring of water consumption as a way to mitigate environmental damage in milk production]. Ecology and Farming Technologies: Agro-Engineering Approaches, Proc. 7 Int. Sci. Conf. 2011: 104109.

4. Potseluev A.A., Nazarov I.V., Stepanenko E.V. Konstruktivno-tekhnol ogi cheskie osobennosti avtopoilki [Design and

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ПАЭП. 2018. Вып. 97_'

technological features of the automatic drinking trough]. Sel'skii mekhanizator. 2018. N 1: 2829.

5. Osokin V.L., Makarova Yu.M. Teoreticheskie predposylki sozdaniya novogo ustroistva vodopodgotovki v pomeshcheniyakh soderzhaniya KRS [Theoretical background to create a new device of water treatment in the areas of cattle breeding]. Bulletin of Nizhniy Novgorod State Engineering and Economic University. 2105. N 4

6. Nigmatov L.G., Medvedev V.E., Bibarsov V.Yu. Sovershenstvovanie konstruktsii gruppovoi avtomaticheskoi poilki dlya krupnogo rogatogo skota [Improving the design of group automatic cattle drinker]. Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017. N 2

7. Obolenskii N.V, Shevelev A.V. Osnovnye napravleniya modernizatsii sistem poeniya na fermakh KRS [The main directions of the modernization of the water system on the cattle farm], Bulletin of Nizhniy Novgorod State Engineering and Economic University. 2016. N 10

8. Taran E.A., Minina E.S. Klassifikatsiya gruppovykh avtopoilok s termosifonnoi

tsirkulyatsiei vody [Classification of group autodrinking bowls with thermosiphon circulation of water]. // Vestnik agrarnoi nauki Dona [Don Agrarian Sience Bulletin]. 2013. N 4

9. Yukhin G.P., Katkov A.A., Makarovskaya Z.V., Averkiev A.A. Tsirkulyatsionnaya sistema vodosnabzheniya v korovnike s podogrevom [Circulation system of water-supply in cow sheds with heating]. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. N 5

10. Shmatko N.N., Muzyka A.A., Kirikovich S.A., Moskalev A.A., Timoshenko M.V. Vodoobespechenie korov na selektsionno-plemennoi molochnoi ferme [Water supply of cows on a breeding dairy farm]. Zootekhnicheskaya nauka Belarusi. 2016. Vol. 51. N 2: 325-332.

11. Bogomolov V., Golovnya E. Kachestvu pit'evoi vody - povyshennoe vnimanie [Drinking water quality needs an increased attention]. Kombikorma. 2012. N 6: 85-86.

12. Babii A. Vliyanie poeniya na udoi [Effect of watering on milk yield]. Sel'skokhozyaistvennye vesti. 2012. N 1: 46.

УДК 611.363631.277.01 637.11 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10111

МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИВОЙ МАССЫ СВИНЬИ ЗА ОТКОРМОЧНЫЙ ПЕРИОД

И.Е. Плаксин1; С.И. Плаксин2 ,канд. физ.-мат. наук

A.B. Трифанов1, канд. техн. наук;

'Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

2ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный педагогический университет», Новосибирск, Россия

Свиноводческий сектор производит более трети объема мяса в России. В период с 2007 по 2017 год объём производства свинины вырос более чем на 1,5 млн. тонн, и, по дальнейшим прогнозам, рынок будет только расти. Данные показатели обусловлены высоким спросом населения на данный

234