Система интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока
SYSTEM FOR INTELLIGENT CONTROL AND MONITORING OF PARAMETERS AND OPERATING MODES OF MACHINES AND EQUIPMENT OF MILK PRODUCTION FARMS

Предлагаемая система относится к сельскому хозяйству, а именно к технологиям содержания и обслуживания коров, более конкретно к конструкции устройств и систем контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока, и может быть использована на молочных фермах крупного рогатого скота с различными способами содержания и поголовьем животных.
Известны системы и устройства интеллектуального управления функциональными блоками сельскохозяйственной техники (авт. свид. СССР №1.550.435; патенты РФ №№2.213.837, 2.213.838, 2.361.049, 2.467.780, 2.601.349, 2.646.051; патенты на полезную модель №№43.123, 139.847; патент WO №2013/089.567 и другие).
Из известных систем и устройств интеллектуального управления функциональными блоками сельскохозяйственной техники наиболее близким к предлагаемым является «Система интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока» (патент РФ №2.646.051, АО1У 5/007, 2017), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система обеспечивает подавление дополнительных каналов приема.
пр
Однако с точки зрения расширения диапазона рабочих частот целесообразно не подавлять, а использовать дополнительные каналы приема. Особенно это касается зеркального канала приема. Преобразование сигналов, принимаемых по зеркальному каналу, происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу. Поэтому эти каналы являются равнозначными и могут быть использованы в предлагаемой системе.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот путем использования зеркального канала приема.
г1
с
г1
г
с
г1
г2
г1
з
г2
г1
r
з
г2
Поставленная задача решается тем, что система интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, устройство для идентификации отдельного животного из группы скота, компьютер с программой, устройство для кормления, систему доения, которая контролируется компьютером, датчики в системах утилизации навоза, микроклимата, ресурсообеспечения фермы, контроля качества продукции, сигналы с которых поступают на входы своих многоканальных цифровых измерителей, выходы последних соединены через модуль сбора данных на вход компьютера фермы, на второй вход которого подается сигнал с регистратора контроля, соединенного с видеокамерами, установленными на ферме, при этом компьютер фермы по проводной или беспроводной линии соединен с компьютерами пользователей, компьютер фермы выполнен в виде передающей антенны и последовательно включенных первого задающего генератора, первого фазового манипулятора, второй вход которого соединен через формирователь модулирующего кода с выходами модуля сбора данных и регистратора визуального контроля, и первого усилителя мощности, а компьютер пользователя выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, первого фильтра нижних частот, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первого узкополосного фильтра, первого фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина, и второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом первого гетеродина, причем выход первого фильтра нижних частот подключен к первому входу блока регистрации, частота ω первого гетеродина выбирается равной частоте ω принимаемого сложного сигнала с фазовой манипуляцией ω=ω=ω и указанное равенство поддерживается первой системой фазовой автоматической подстройки частоты ω первого гетеродина, содержащей первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, первый фазовый детектор и второй фильтр нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что компьютер пользователя снабжен вторым смесителем, вторым гетеродином, третьим и четвертым фильтрами нижних частот, вторым перемножителем, вторым узкополосным фильтром и вторым фазовым детектором, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий фильтр нижних частот, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй узкополосный фильтр, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина, и четвертый фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом второго гетеродина, выход третьего фильтра нижних частот подключен ко второму входу блока регистрации, частота ω второго гетеродина выбирается равной частоте ω первого гетеродина и частоте ω сложного сигнала с фазовой манипуляцией, принимаемого по зеркальному каналу ω=ω=ω=ω и указанное равенство поддерживается второй системой фазовой автоматической подстройкой частоты ω второго гетеродина.
Структурная схема системы интеллектуального управления и контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока представлена на фиг. 1, 2, 3 и 4.
Структурная схема устройства для контроля параметров и режимов работы машин и оборудования ферм по производству молока представлена на фиг. 1. Структурная схема компьютера фермы 14 изображена на фиг. 2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг. 3. Структурная схема компьютера пользователей 18 представлена на фиг. 4.
На молочной ферме установлены датчики 1.i процесса доения, датчики 2.i процесса кормления, датчики 3.i системы утилизации навоза, датчики 4.i микроклимата, датчики 5.i системы ресурсообеспечения и датчики 6.i системы контроля качества продукции (i=1,2, …, n). Сигналы с этих датчиков поступают на входы многоканальных цифровых измерителей 7-12 соответственно. Выходы измерителей 7-12 через модуль 13 сбора данных с входом компьютера с программой 14 фермы, на второй вход последнего подаются сигналы с видеокамер 15, установленных на ферме, через регистратор 16 визуального контроля. Компьютер с программой 14 проводной или беспроводной линией 17 соединен с компьютерами пользователей 18.
Компьютер с программой 14 фермы выполнен в виде последовательно включенных первого задающего генератора 19.1, первого фазового манипулятора 21.1, второй вход которого через формирователь 20 модулирующего кода соединен с выходами модуля 13 сбора данных и регистратора 16 визуального контроля, первого усилителя 22.1 мощности, логического элемента ИЛИ 22.3 и передающей антенны 22.4.
К выходу второго задающего генератора 19.2 последовательно подключены второй фазовый манипулятор 21.2, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя 20 модулирующего кода, и второй усилитель 22.2 мощности, выход которого соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ 22.3.
Компьютер 18 пользователей выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 23, усилителя 24 высокой частоты, первого смесителя 26, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 25, первого фильтра 33 нижних частот, первого перемножителя 35, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, первого узкополосного фильтра 30, первого фазового детектора 31, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина 25, и второй фильтр 36 нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом первого гетеродина 25. К выходу усилителя 24 высокой частоты последовательно подключены второй смеситель 37, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 38, третий фильтр 39 нижних частот, второй перемножитель 41, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, второй узкополосный фильтр 42, второй фазовый детектор 43, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина 38, и четвертый фильтр 44 нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом второго гетеродина 38. Выходы первого 33 и третьего 39 фильтров нижних частот подключены к первому и второму входам блока 32 регистрации соответственно.
Перемножитель 35(41), узкополосный фильтр 30(42), фазовый детектор 31(38) и фильтр 36(44) нижних частот образуют первую 34 (вторую 40) систему фазовой автоматической подстройки (ФАПЧ) частота первого 25 (второго 38) гетеродина.
Предлагаемая система работает следующим образом.
В процессе производства молока и обслуживания животных, находящихся в помещениях, задействован целый ряд машин и оборудования, которые разбиты на группы в соответствии с выполняемыми технологическими процессами. Каждая машина и единица оборудования оснащена рядом датчиков физических величин 1-6, фиксирующие определенные ее рабочие параметры, например, температуру, влажность, давление, скорость перемещения, частоту вращения, напряжение, силу тока, мощность, газовый состав и другие сигналы с датчиков поступают в многоканальные цифровые измерители 7-12, соответствующие определенной технологической системе.
Поступивший сигнал обрабатывается в многоканальном цифровом измерителе и передается в модуль 13 сбора данных, где все поступившие данные также обрабатываются и формируются в базу данных и далее по установленной форме и данному временному графику пакетом по линии передачи данных направляются на персональный компьютер фермы 14. На персональном компьютере с программой 14 формируется база данных, определяется режим работы оборудования (нормальный, критический, аварийный) и по установленной форме эта информация передается на компьютер пользователя 18 посредством проводных и беспроводных линий 17.
Одновременно видеосигнал с видеокамер 15 поступает на регистратор 16 визуального контроля и далее на персональный компьютер фермы 14, где сохраняется в базе данных. По необходимости персонал фермы может оперативно ознакомиться с текущей ситуацией в помещениях фермы или на прилегающей территории, а также ознакомиться с событиями, произошедшими ранее на ферме, что очень важно при расследовании выявленных нарушений.
При беспроводной связи между компьютерами 14 и 18 первым задающим генератором 19.1 формируется гармоническое колебание
c
c
c
с
с
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
c
с
с
с
1
1
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которое поступает на первый вход первого фазового манипулятора 21.1, на второй вход которого подается модулирующий код M (t) с выхода формирователя 20 модулирующего кода. Модулирующий код M (t) содержит всю необходимую информацию о процессе производства молока и обслуживания животных, находящихся в помещениях.
На выходе первого фазового манипулятора 21.1 формируются сложный сигнал с фазовой манипуляцией
1
c
c
к1
с
с
u(t)=U⋅Cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤Т,
к1
1
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M (t), который после усиления в усилителе 22.1 мощности поступает в передающую антенну 22.4, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первый вход первого смесителя 26, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 25
г1
г1
г1
г1
u(t)=U⋅cos(ωt+(ϕ).
г1
с
г1
г
с.
При этом частота ω первого гетеродина 25 выбирается равной несущей частоте ω принимаемого ФМн сигнала ω=ω=ω В этом случае на выходе смесителя 26 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
к1
c
u(t)=U⋅cos ϕ(t), 0≤t≤T,
где
1
1
пропорциональное модулирующему коду M (t). Это напряжение выделяется фильтром 33 нижних частот и поступает на первый вход блока 32 регистрации и на первый вход первого перемножителя 35, на второй вход которого подается принимаемый ФМн сигнал u(t) с выхода усилителя 24 высокой частоты. На выходе первого перемножителя 35 образуется гармоническое напряжение
2
2
c
c
c
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
где
г1
которое выделяется первым узкополосным фильтром 30 и поступает на первый вход первого фазового детектора 31, на второй вход которого подается напряжение u(t) первого гетеродина 25.
с
Так как несущая частота ω принимаемого сложного ФМн сигнала изменяется под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то используется первая система 34 фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из первого перемножителя 35, первого узкополосного фильтра 30, первого фазового детектора 31 и второго фильтра 36 нижних частот.
г1
2
г1
г1
г
с.
г1
с
Если гармонические колебания u(t) и u(t) отличаются друг от друга по частоте или фазе, то на выходе первого фазового детектора 31 формируется управляющее высокочастотное напряжение, которое выделяется вторым фильтром 36 нижних частот и воздействует на управляющий вход первого гетеродина 25, изменяя его частоту ω так, чтобы выполнялось равенство ω=ω=ω При этом амплитуда и полярность управляющего низкочастотного напряжения определяется степенью и стороной отклонения частоты ω гетеродина 25 от несущей частоты ω принимаемого сложного ФМн сигнала.
с
В процессе изменения несущей частоты ω принимаемого сложного ФМн сигнала указанное равенство будет автоматически поддерживаться системой ФАПЧ 34.
Следовательно, предлагаемая схемная конструкция выполняет одновременно две функции: преобразователя частоты и демодулятора принимаемого сложного ФМн сигнала. При этом за счет преобразования принимаемого ФМн сигнала на низкую (нулевую) частоту отсутствуют дополнительные каналы приема. Нет причины и для явления «обратной работы».
с
Описанная выше работа системы соответствует случаю приема сложных ФМн сигналов по основному каналу на частоте ω.
з
Если сложный ФМн сигнал поступает по зеркальному каналу на частоте ω, то система работает следующим образом.
Вторым задающим генератором 19.2 формируется гармоническое колебание
з
з
з
з
з
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
з
з
з
з
2
2
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которое поступает на первый вход второго фазового манипулятора 21.2, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) со второго выхода формирователя 20 модулирующего кода. Модулирующий код M(t) содержит также соответствующую информацию о процессе производства молока и обслуживании животных, находящихся в помещениях.
На выходе фазового манипулятора 22.2 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией
з
з
з
к2
з
з
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
к2
2
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отражающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который после усиления в усилителе 22.2 мощности через логический элемент ИЛИ 22.3 поступает в передающую антенну 22.4, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первый вход первого 26 и второго 37 смесителей. На второй вход смесителя 37 подаются напряжения второго 38 гетеродинов
г2
г2
г2
г2
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ).
г2
з
г2
г
з
При этом частота ω второго гетеродина 38 выбирается равной несущей частоте ω принимаемого ФМн сигнала ω=ω=ω. В этом случае на выходе смесителя 37 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
к2
з
u(t)=U⋅cos ϕ(t), 0≤t≤T,
где
2
з
пропорциональное модулирующему коду М(t). Это напряжение выделяется фильтром 39 нижних частот и поступает на второй вход блока 32 регистрации и на первый вход второго перемножителя 41, на второй вход которого поступает ФМн сигнал u(t) с выхода усилителя 24 высокой частоты. На выходе второго перемножителя 41 образуется гармоническое напряжение
4
4
з
з
з
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
где
г2
которое выделяется вторым узкополосным фильтром 42 и поступает на первый вход второго фазового детектора 43, на второй вход которого подается напряжение u(t) второго гетеродина 38.
з
Так как несущая частота ω принимаемого сложного ФМн сигнала изменяется под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то используется вторая система 40 ФАПЧ, состоящая из второго перемножителя 40, второго узкополосного фильтра 42, второго фазового детектора 43 и четвертого фильтра 44 нижних частот.
г2
г
з
Система ФАП4 40 обеспечивает выполнение равенства ω=ω=ω.
пр
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает расширение рабочих частот. Это достигается за счет использования зеркального канала приема, который имеет такой же коэффициент преобразования К, что и основной канал приема, то есть указанные каналы приема являются равнозначными и используются в предлагаемой системе.