Функциональные требования к автоматической системе контроля и управления экспериментальными исследованиями почвообрабатывающих агрегатов

Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_

УДК 631.372:519.873 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10119

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

Н.И. Джабборов, д-р техн. наук; А.В. Сергеев, канд. техн. наук

Г.А. Семенова;

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

В статье представлен анализ хода и результатов экспериментальных исследований динамичных рабочих органов почвообрабатывающих агрегатов. Цель исследований - обосновать функциональные требования к автоматической системе контроля и управления экспериментальными исследованиями почвообрабатывающих агрегатов и их рабочих органов. Исследования были проведены на экспериментальной базе «Красная Славянка» Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. Эксперименты проводились согласно матрице двухфакторного центрального композиционного плана. В качестве экспериментального воздействия использовались глубина обработки почвы и скорость перемещения рабочего органа. Выходная функция - тяговое сопротивление динамичного рабочего органа. Качественное выполнение всех пунктов плана позволило получить регрессионную модель с высоким коэффициентом детерминации. Представлена структура эксперимента с использованием автоматической системы контроля и управления экспериментальными исследованиями почвообрабатывающих агрегатов и их рабочих органов. При проведении исследований использовали информационно-измерительный комплекс (ИИК ИАЭП), включающий в себя информационно-измерительную систему ИП-264 с первичными преобразователями усилий тензометрического типа. Используемый информационно-измерительный комплекс позволяет осуществлять частичный визуальный контроль результатов в процессе эксперимента, без возможности автоматического управления экспериментальными воздействиями, сохранять результаты без начального анализа. Сформулированы основные функциональные требования к системе контроля и управления, позволяющие повысить надежность результатов, сократить материальные затраты и время на проведение исследований и тем самым повысить их эффективность

Ключевые слова: экспериментальные исследования, статистическая достоверность; надежность эксперимента; автоматическая система контроля и управления; почвообрабатывающий агрегат.

Для цитирования: Джабборов Н.И., Семенова Г.А., Сергеев А.В. Функциональные требования к автоматической системе контроля и управления экспериментальными исследованиями почвообрабатывающих агрегатов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1(98). С. 27-34

FUNCTIONAL REQUIREMENTS TO AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR FIELD RESEARCH OF SOIL TILLAGE UNITS

N.I. Dzhabborov, DSc

G.A. Semenova;

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

_ИАЭП. 19 Вып. 98_

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

The article presents the progress and results of experimental study of dynamic working tools of tillage units. The study purpose was to substantiate the functional requirements for the automatic monitoring and control system to be used in the experimental study. The study was conducted on the fields of "Krasnaya Slavyanka", the experimental facilities of IEEP - branch of FSAC VIM. The experiments were carried out according to the matrix of a two-factor central composite design. Experimental factors were the tillage depth and the travelling speed of the working tool. The object function was the tractive resistance of the dynamic working tool. High-quality implementation of all parts of the design allowed to obtain a regression model with a high determination coefficient. The experiment structure is presented. In the study, the data measurement complex designed in the institute was used, which included IP-264 information-measuring system with primary strain-gauge transducers. This complex allowed for a partial visual monitoring of the results in the course of the experiment without the possibility of automatic control of the experimental factors. It saved the results without the initial analysis. The basic functional requirements for the control and management system were formulated, which allowed to increase the reliability of the results, to reduce the material costs and the study time thereby improving its effectiveness.

Key words: experimental study, statistical validity, experiment reliability, automatic monitoring and control system, soil tillage unit.

For citation: Dzhabborov N.I., Semenova G.A., Sergeev A.V. Functional requirements to automatic monitoring and control system for field research of soil tillage units. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 1

Введение

Одним из основных направлений в совершенствовании почвообрабатывающих агрегатов является снижение энергоемкости процесса обработки и повышение качества обработки почвы.

Сложность процессов, протекающих при механической обработке почвы, невозможность достоверного

аналитического их описания,

предопределяют широкое применение экспериментальных методов исследований на основе натурного эксперимента в полевых условиях [9,10]. Такой эксперимент требует длительного периода

предварительной подготовки и привлечение большего количества технических средств, что предопределяет высокую стоимость проведения исследований.

В ряде случаев невозможно повторение плана экспериментальных исследований.

Восстановление условий для повышения достоверности эксперимента, требует длительного времени и существенных материальных затрат;

Данные, полученные в результате экспериментальных исследований,

позволяют проверить гипотезы

выдвигаемые в процессе исследования, получить необходимые данных для идентификации параметров модели

объектов исследований [1-3,6].

В дальнейшем, полученные модели могут использоваться для оптимизации параметров объекта исследований по выбранным критериям, в зависимости от целей исследования.

Таким образом, достоверность и надежность экспериментальных данных имеют важнейшее значение для результатов всего исследования.

При проведении экспериментальных исследований почвообрабатывающих

агрегатов широкое распространение получил метод планирования эксперимента целью минимизации количества

проводимых опытов и повышение статистической достоверности полученных результатов.

Существенное снижение трудоемкости и сроков проведения экспериментальных исследований может быть достигнуто применением автоматизированных

экспериментальных комплексов,

позволяющих устанавливать режимы эксперимента, обрабатывать результат и документировать результаты

экспериментальных исследований. Материалы и методы Цель исследований - обоснование функциональных требований к

автоматической системе контроля и управления экспериментальными

исследованиями почвообрабатывающих агрегатов и их рабочих органов.

Необходимые функциональные

требования обосновали на основании

анализа хода и результатов экспериментальных исследований

динамичных рабочих органов, проведенных в сентябре 2018г. на полях экспериментальной базы «Красная Славянка» ИАЭП со среднесуглинистым типом почвы и средней твердостью в обрабатываемом слое 1,4МПа [4,8,11].

При проведении исследований использовали информационно-

измерительный комплекс (ИИК ИАЭП) [12], включающий в себя информационно-измерительную систему ИП-264 с первичными преобразователями усилий тензометрического типа. Используемый информационно-измерительный комплекс позволяет осуществлять частичный визуальный контроль за результатами в процессе эксперимента, без возможности автоматического управления

экспериментальными воздействиями,

сохранять результаты без начального анализа. Для планирования эксперимента использовался двухфакторный центральный композиционный план, приведенный в табл.1.

Таблица 1

Двухфакторный центральный композиционный план экспериментальных исследований динамичных рабочих органов

№ пункта плана Экспериментальное воздействие

Скорость перемещения V Глубина обработки почвы Н

м/с в кодированном виде см в кодированном виде

1 2,78 +1 15,0 +1

2 1,1 -1 15,0 -1

3 2,78 +1 5,0 +1

4 1,1 -1 5,0 -1

5 2,78 +1 10,0 +1

6 1,1 -1 10,0 -1

7 1,94 0 15,0 0

8 1,94 0 5,0 0

9 1,94 0 10,0 0

В задачу экспериментальных

исследований входило получение функциональной зависимости тягового сопротивления динамичного рабочего органа Rт от глубины обработки H и скорости перемещения рабочего органа V в виде уравнения регрессии[7]. При эксперименте последовательно выполнялся каждый пункт плана эксперимента (табл. 1) с длительностью реализации не менее 20с. После каждой реализации плана, получения информации сохранялась виде таблиц в пакете Excel, проводился первоначальный анализ с определением основных статистических характеристик Rт (RT-средняя величина тягового сопротивления за реализацию и DRT-дисперсии R^. Данный анализ выполнялся

непосредственно на месте проведения эксперимента и занимал 15-20 минут. После такого анализа принималось решение о продолжении опыта, либо о повторении реализации с теми же исходными условиями. Все условия получения каждой реализации дублировались в журнале наблюдений.

Результаты и обсуждение Полная и качественная реализация всех пунктов плана эксперимента позволила получить функциональную зависимость величины тягового сопротивления динамичного рабочего органа от глубины обработки почвы H и скорости перемещения рабочего органа V в виде уравнения регрессии:

RT=1,119-0,536 V-0,073 H+0,082 V2+0.026V H+0,0044 H2

Геометрическое представление

полученной функции отклика (1) в виде поверхности отклика представлено на рис.1

Рис.1. Поверхность оклика Rт

Полученное уравнение (1) с высокой степенью надежности описывает результаты эксперимента, (коэффициент детерминации 0,97) и может использоваться в дальнейшем для решения различных задач, в том числе и оптимизационных.

Анализ результатов опытов позволили сформулировать следующие

функциональные требования к

автоматической системе контроля и управления экспериментальными

исследованиями почвообрабатывающих агрегатов:

- для полной и достоверной идентификации объекта исследования АСК и У должна обеспечивать выполнение всех пунктов плана эксперимента;

- отображать информацию об эксперименте в удобном для восприятия виде;

- исключить случайные ошибки членов исследовательской группы, особенно при невозможности повторения эксперимента;

- управление экспериментальными воздействиями согласно плану эксперимента.

Установка требуемой глубины должна осуществляться автоматически с помощью исполнительного механизма имеющего обратную связь с системой управления. Требуемая скорость почвообрабатывающего агрегата или рабочего органа обеспечивается оператором, получающим визуальные, или другого вида, команды от системы управления.

Те виды экспериментальных воздействий, которые не поддаются автоматизации, например, в нашем случае Кп, изменяются оператором после получения соответствующей команды. На рис.2 представлена структура эксперимента

с использованием автоматической системы контроля и управления отражающая внутренние связи всего процесса экспериментальных исследований,

направления передачи информации и ее характер.

Рис.2. Структура эксперимента с использованием автоматической системы

контроля и управления:

Т - тип почвы; М0- влажность почвы; Тп - твердость почвы; Нп - глубина обработки почвы; V- скорость движения; Кп- вектор конструктивных параметров исследуемого объекта

Функции автоматической системы контроля и управления реализуются с помощью программного продукта, который получает информацию в процессе проведения эксперимента. Первичный анализ и сохранение полученных данных может осуществляться как непосредственно на месте эксперимента, так и с помощью удаленных систем связи (передача на сервер по сети Internet, Cloud технологии, например Microsoft Office 365).

Выводы

Основными функциональными

требованиями к автоматической системе контроля и управления

экспериментальными исследованиями

почвообрабатывающих агрегатов является: - осуществление постоянного контроля за действиями исследователя на соответствие

программе и методике проведения экспериментальных исследований,

предотвращать пропуск необходимых действий в процессе исследования;

- отображение информации по эксперименте в удобном для восприятия виде;

- управление экспериментальными воздействиями в соответствии с планом эксперимента различными видами команд;

- первичный анализ и сохранение полученной информации, как непосредственно на месте эксперимента, так и с помощью удаленных систем связи (передача на сервер по сети Интернет и т.п.).

Созданная автоматическая система контроля и управления удовлетворяющая основным, изложенным выше,

функциональным требованиям обеспечит повышение надежности результатов,

сократит материальные затраты и время на исследований и тем самым повысит их проведение экспериментальных эффективность.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Измайлов А.Ю., Шогенов Ю.Х. Интенсивные машинные технологии и техника нового поколения для производства основных групп сельскохозяйственной продукции //Техника и оборудования для села. 2017. № 7. С. 2 - 6. https://elibrary.ru/download/elibrary 29771088

23654305.pdf

2. Панов И.М., Ветохин В.И. Физические основы механики почв // Киев.: Феникс, 2008. 266 с.

3. Джабборов Н.И., Добринов А.В., Семенова Г.А. Определение энерготехнологических параметров динамичных почвообрабатывающих агрегатов Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (49). С. 252 - 259. https://elibrary.ru/download/elibrary 32414122

20155160.pdf

4. Семенова Г.А., Джабборов Н.И. Обоснование конструктивных параметров динамичных почвообрабатывающих рабочих органов Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3(28). С. 501-507.

5. Валге А.М., Джабборов Н.И., Эвиев В.А. Основы статистической обработки экспериментальных данных при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства с примерами на STATGRAPHICS и EXCEL // Санкт-Петербург: изд-во ИАЭП; Элиста: изд-во КалмГУ. 2015.140 с.

6. Мазитов Н.К., Лобачевский ЯП., Рахимов Р.С., Хлызов Н.Т., Шарафиев Л.З., Садриев Ф.М., Дмитриев С.Ю. Российская технология обработки почвы и посева на основе собственных конкурентоспособных инновационных машин Достижения науки и техники в АПК. 2014. С. 68 - 70.

https://elibrary.ru/download/elibrary_21813568 22723214.pdf

7. Измайлов А.Ю., Хорошенков В.К. Автоматизированные информационные технологии в производственных процессах растениеводства //Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010. № 4. С. 3 - 9. https://elibrary.ru/download/elibrary 15216383

97828500.pdf

8. Джабборов Н.И., Максимов Д.А., Семенова Г.А. Оценка тягово-динамических показателей почвообрабатывающих агрегатов //Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 93. С. 53 - 64. https://elibrary.ru/download/elibrary 30782050

88361031.pdf

9. Яковлев Н.С., Колинко П.В. Тяговое сопротивление почвообрабатывающих и посевных машин. Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2016. №1 (248). С. 73-81. https://elibrary.ru/item.asp?id=25732407

10. Бережнов Н.Н., Сырбаков А.П. Оценка тягово-энергетических показателей посевного почвообрабатывающего машинно-тракторного агрегата методом контрольного динаметрирования. АгроЭко Инфо. 2017. №2 (28). С.17. https://elibrary.ru/item.aspid=29824357

11. Джабборов Н.И., Захаров А.М., Семенова Г.А. Рабочий орган для рыхления почвы. Патент РФ на полезную модель 182130. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 03 августа 2018 г.

REFERENCES

l.Izmailov A.Yu., Shogenov Yu.Kh. Intensivnye mashinnye tekhnologii i tekhnika novogo pokoleniya dlya proizvodstva osnovnykh grupp sel'skokhozyaistvennoi produktsii [Intensive machine technologies and new generation machinery for manufacturing main groups of agricultural produce]. Tekhnika i oborudovaniya dlya sela. 2017. No 7: 2 - 6. (In Russian)https://elibrary.ru/download/ elibrary 29771088 23654305.pdf

2.Panov I.M., Vetokhin V.I. Fizicheskie osnovy mekhaniki pochv [Physical fundamentals of soil mechanics]. Kiev.: Feniks, 2008: 266.

3.Dzhabborov N.I., Dobrinov A.V., Semenova G.A. Opredelenie energotekhnologicheskikh parametrov dinamichnykh pochvoobrabatyvayushchikh agregatov [Determination of energy technological parameters of dynamic soil tilling units]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017. No 4 (49): 252 - 259. (In Russian) https://elibrary .ru/downl oad/elibrary_32414122 _20155160.pdf

4.Semenova G.A., Dzhabborov N.I. Obosnovanie konstruktivnykh parametrov dinamichnykh pochvoobrabatyvayushchikh rabochikh organov [Justification of design parameters of dynamic soil-cultivating working bodies]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve. 2018. No 3(28): 501-507. (In Russian) 5.Valge A.M., Dzhabborov N.I., Eviev V.A. Osnovy statisticheskoj obrabotki

ehksperimental'nyh dannyh pri provedenii issledovanij po mekhanizacii

sel'skohozyajstvennogo proizvodstva s primerami na STATGRAPHICS i EXCEL [Fundamentals of statistical processing of experimental data for research in mechanisation of agricultural production with examples in STATGRAPHICS and EXCEL]. Saint

Petersburg: IEEP Publ.; Elista: Kalmyk Univ. Publ., 2015: 140. (In Russian) 6.Mazitov N.K., Lobachevskii Ya.P., Rakhimov R.S., Khlyzov N.T., Sharafiev L.Z., Sadriev

F.M., Dmitriev S.Yu. Rossiiskaya tekhnologiya obrabotki pochvy i poseva na osnove sobstvennykh konkurentosposobnykh innovatsionnykh mashin [Russian tillage and seeding technology on the basis of national competitive innovative machines]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014, No 7: 68-70. (In Russian) https://elibrary.ru/ download/elibrary_21813568_22723214.pdf 7.Izmailov A.Yu., Khoroshenkov V.K. Avtomatizirovannye informatsionnye tekhnologii v proizvodstvennykh protsessakh rastenievodstva [Automated information technologies in crop production processes]. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii. 2010. No 4: 3 - 9. (In Russian) https://elibrary.ru/download/elibrary_15216383 _97828500.pdf

8.Dzhabborov N.I., Maksimov D.A., Semenova

G.A. Otsenka tyagovo-dinamicheskikh pokazatelei pochvoobrabatyvayushchikh agregatov [Assessment of traction and dynamic indicators of soil tilling units]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva, 2017, No 93: 53-64. (In Russian)https://elibrary.ru/download/elibrary_3 0782050 88361031.pdf

9.Yakovlev N.S., Kolinko P.V. Tyagovoe soprotivlenie pochvoobrabatyvayushchikh i posevnykh mashin [Draft force of tillage and seeding machines]. Siberian Herald of Agricultural Science. 2016. No 1(248): 73-81. (In Russian) https://elibrary.ru/item.asp?id= 25732407

10.Berezhnov N.N., Syrbakov A.P. Otsenka tyagovo-energeticheskikh pokazatelei posevnogo pochvoobrabatyvayushchego mashinno-traktornogo agregata metodom

kontrol'nogo dinametrirovaniya [Assessment of traction and energy indicators of a sowing and tillage tractor/implement system by the method of control dynamometry]. AgroEko Info. 2017, No 2 (28):17. (In Russian) https://elibrary.ru /item.asp?id=29824357

ll.Dzhabborov N.I., Zakharov A.M., Semenova G.A. Rabochii organ dlya rykhleniya pochvy. [Working tool for soil loosening]. Patent RF on utility model N 182130. 2017.

УДК 631.152

DOI 10.24411/0131-5226-2019-10120

АВТОНОМНЫЕ МОДУЛЬНЫЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ, НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТОДОМ ГАЗИФИКАЦИИ

В.К. Иконников1, канд. техн. наук; В.М. Горьков2; В.И. Паршуков ;

Л.Н. Чудаков , канд. техн. наук;

A.Ф. Эрк5, канд. техн. наук;

B.Н. Судаченко5, канд. техн. наук

:ФГУП «Российский научный центр «Прикладная химия», Санкт-Петербург, Россия 2ЗАО МИК «АКВА-ВЕРВИС»,Санкт-Петербург, Россия

3ООО Научно-производственное предприятие «Донские технологии» Ростов-на-Дону, Россия 4ООО «СПб Техногенезис», Санкт-Петербург, Россия

5Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Вопросы создания экологически безопасной технологии переработки сельскохозяйственных отходов, в частности птичьего помёта, на промышленных автономных модульных установках являются приоритетными для всех регионов РФ, в которых ежегодно образуется около 640млн. тонн навоза и птичьего помёта. Только в СЗФО ежегодно образуется около 18,2 млн. тонн навоза и помёта. В настоящее время не существует идеального решения для переработки навоза и помёта, которое позволяло бы экологически безопасно и экономически эффективно утилизировать отходы животноводства и птицеводства с получением удобрения, электрической и тепловой энергии. В основу разработки автономных модульных энерготехнологических комплексов, работающих на курином помёте, положен способ термобарохимической деструкции органических отходов, который отличается высокими экономическими и экологическими характеристиками. Отработка технологического процесса переработки органических отходов проводится на пилотной опытной установке в ФГУП «РНЦ «Прикладная химия». Рабочий процесс при температуре в камере сгорания пиролизных газов около 1000°С протекает без дополнительного внешнего источника тепла, что обеспечивает высокую экономичность. В ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» создана демонстрационная энергоустановка производительностью до 100 кг/ч сухого органического сырья. Результаты проведённых исследований подтверждают возможность создания быстровозводимых модулей получения тепла и электроэнергии, работающих на продуктах переработки сельскохозяйственных отходов, в частности, на курином помёте, которые при сравнительно малых финансовых затратах могут решить сразу несколько задач:-экономическую: исключение транспортных расходов и платы за приём отходов на полигоне; высвобождение дорогостоящих