Сучасні рішення в сфері впровадження автоматизації і телемеханізації в системах електропостачання об’єктів АПК

3.1. Особливості автоматизації сільськогосподарського виробництва

Автоматизації сільського господарства спирається на багатий досвід промисловості. До методів і засобів автоматизації, які застосовуються у тваринництві і рослинництві, пред'являються специфічні вимоги, обумовлені характерними рисами сільськогосподарського виробництва.

На відміну від промисловості в сільському господарстві поряд з технікою використовуються ґрунт і живі організми, машинна технологія тісно переплітається і погоджується з біологічними процесами.

Виробничі процеси в сільському господарстві складні і різноманітні, мають великий обсяг технологічної інформації і тісний взаємозв'язок. Це обумовлює велику різноманітність технологічних процесів, що історично склалися в період використання живої тяглової сили і які знаходяться в стадії незавершеної перебудови на потокове машинне виробництво, а також велике число типів, конструкцій, характеристик і режимів роботи сільськогосподарських машин і установок, багато з яких далеко не завжди пристосовані для застосування на них навіть найпростіших пристроїв автоматики.

Система сільськогосподарських машин має до десяти тисяч найменувань по типах, майже 60% з який призначені для рільництва і близько 30% — для тваринництва і птахівництва.

Важливою особливістю є розосередженість сільськогосподарської техніки по великих площах і віддаленість її від ремонтної бази, відносно мала потужність установок, тихохідність, низька вартість машин і невисокий рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу, а також сезонність їхньої роботи в році і нетривале використання протягом доби. Навіть у тваринництві, де операції відбуваються і повторюються щодня по визначеному циклі, загальне число годин роботи машин відносно мале. Отже, засоби автоматики повинні бути дуже різноманітними, відносно дешевими, простими по будові і надійними в експлуатації.

Основна особливість сільськогосподарського виробництва полягає в нерозривному зв'язку техніки з біологічними об'єктами (тваринами і рослинами), для яких характерна безперервність процесів утворення продукції і циклічність її одержання, неможливість збільшення випуску продукції за рахунок прискорення виробництва. У цих умовах автоматика повинна працювати дуже надійно, тому що такий процес не можна перервати і практично неможливо надолужити упущене шляхом інтенсифікації наступного періоду. Наприклад, автоматика у тваринництві повинна забезпечити, циклічність виконання технологічних операцій протягом доби незалежно від погодних умов.

Збурюючі впливи, що діють на об'єкти, мають високий ступінь неоднорідності і випадковості із широкою зміною своїх величин. Багато автоматизованих сільськогосподарських об'єктів мають контрольовані і регульовані параметри, розподілені як по технологічному полю або навіть більшому об’ємі, так і в часі. Наприклад, у нагрівальних установках і сушарках, зерносховищах і овочесховищах, теплицях і тваринницьких приміщеннях необхідно по всьому об'єкті контролювати параметри (температуру, вологість, газовий склад, освітлення і т. п.) і керувати ними.Для таких об'єктів системи автоматики повинні мати оптимальне число первинних перетворювачів і виконавчих органів і в той же час забезпечувати керування параметрами у всіх розосереджених зонах із заданою точністю і надійністю.

Істотна особливість більшості сільськогосподарських установок— їхня робота на відкритому повітрі, де навколишнє середовище непостійне: широкі межі зміни вологості і температури, наявність домішок, пилу, полови, піску в рільництві чи агресивних газів (аміаку, сірководню і вуглекислого газу) у тваринництві, а також наявність значних вібрацій і поштовхів.

Унаслідок перерахованих особливостей і ряду інших причин методи і засоби автоматизації і вимоги до них у сільському господарстві значно відрізняються від промислових.

При розробці пристроїв автоматики сільськогосподарських установок їх необхідно розраховувати на широкі межі зміни параметрів навколишнього середовища. Це дозволить одержати високонадійні засоби, тому що найбільш ефективним заходом боротьби за підвищення надійності пристроїв автоматики є вибір елементів з малою інтенсивністю відмов і різні способи збільшення надійності при проектуванні. Зазначені специфічні особливості в першу чергу впливають на первинні перетворювачі і виконавчі органи автоматики, що встановлюються безпосередньо на машинах, на які впливають всі несприятливі умови навколишнього середовища. Інші вузли автоматики можна розташовувати в окремих приміщеннях чи спеціальних шафах, що виключають несприятливу дію навколишнього середовища.

3.2. Технічна база для автоматизації сільськогосподарського виробництва

Планомірна і послідовна інтенсифікація сільського господарства, підвищення його технічної оснащеності, комплексна механізація й електрифікація, досягнення науки і практики і загальні успіхи народного господарства підготували необхідні умови для розвитку автоматизації сільськогосподарського виробництва.

Сільське господарство тісне зв'язано з усіма галузями країни, воно поставляє іншим галузям 66% своєї продукції і споживає близько 60% засобів виробництва, що надходять з галузей, що забезпечують його роботу.

На село надходить усе більше сучасних високопродуктивних машин, що створюються відповідно до єдиної системи машин по комплексній механізації сільськогосподарського виробництва, з урахуванням передового вітчизняного і закордонного досвіду. Освоюється випуск моделей нових сільськогосподарських машин і інших технічних засобів, що відрізняються високими техніко-економічними показниками. Особлива увага приділяється випуску устаткування для тваринницьких і птахівнчих комплексів.

Нові комплекти машин в основному забезпечать комплексну механізацію й автоматизацію всіх процесів на комплексах по виробництву м'яса птахів, яєць, яловичини і свинини.

На фермах великої рогатої худоби комплексною механізацією охоплено 60% виробничих процесів, у свинарстві — 70%, у птахівництві – більш 85%. Завершується комплексна механізація рільництва, машинно-тракторний парк нараховує величезну кількість тракторів, автомобілів, зернових комбайнів.

Останні досягнення науки і техніки дозволяють поступово переходити від простого машинного сільськогосподарського виробництв до комплексно механізованого й автоматизованого. Оптимізація умов вирощування рослин, утримання і годівлі тварин за допомогою засобів автоматики розширює біологічні можливості збільшення виробництва продукції.

Широке використання засобів автоматики, оперативного керування, математичних методів аналізу з застосуванням електронно-обчислювальних машин закладає науково-технічні основи індустріального сільськогосподарського виробництва.

3.3. Основні задачі автоматизації технологічних процесів

Автоматизація сільськогосподарського виробництва має не тільки техніко-економічне, але і велике соціально-політичне значення. Комплексна механізація й автоматизація дозволяє підвищити продуктивність і поліпшити умови праці, збільшити кількість і якість одержуваної продукції, звільнити працівників від важкої фізичної праці й одноманітного розумового, знизити втрати і собівартість продукції, підвищити терміни служби сільськогосподарської техніки.

Для досягнення зазначених цілей необхідно передбачати наступне:

– постійне вдосконалення сільськогосподарських технологічних процесів у напрямку їхнього переводу з періодичних переривчастих у безупинні зі сполученим чи незалежним транспортним рухом;

– наукове узагальнення світового досвіду автоматизації сільського господарства, встановлення оптимального обсягу і черговості автоматизації технологічних процесів, виявлення типових рішень і їхніх аналогів у промисловості з метою розумного використання серійної апаратури автоматики, безупинне удосконалювання методів автоматизації й алгоритмів керування;

– визначення статичних і динамічних характеристик сільськогосподарських об'єктів автоматизації, математичний опис об'єктів керування (моделювання);

– вивчення і встановлення функціональних залежностей між контрольованими параметрами сільськогосподарської продукції і її фізичних властивостей (електричними, оптичними акустичними, тепловими, механічними, тощо.) з метою їхнього використання для побудови вимірювальних перетворювачів специфічних для сільського господарства неелектричних величин;

– розробка нових агрегатів і установок системи машин для сільського господарства з урахуванням вимог і можливості їхньої автоматизації;

– удосконалювання методів оптимального проектування і розрахунку засобів автоматики з урахуванням розширення їхніх функціональних задач і підвищення апаратної й експлуатаційної надійності.

Великі задачі стоять в області механізації й автоматизації ручної праці. Майже 50% операцій у сільському господарстві виконується з застосуванням ручної праці. У системі машин для сільського господарства передбачено механізувати й автоматизувати близько 300 операцій, що виконуються вручну.

  3.4. Класифікація процесів і об'єктів автоматизації сільськогосподарського виробництва.

   При розробці систем автоматики за основу беруть Виробничий процес, який являє собою сукупність технологічних процесів, спрямованих на створення кінцевого продукту. Сільськогосподарський виробничий процес розділяють на технологічні процеси, що, у свою чергу, поділяються на робочі операції.Виробничі процеси поділяють по відмітних ознаках галузевої приналежності, наприклад, процес оброблення і збирання зернових культур, процес післязбиральної обробки зерна, процес збереження овочів, процес відгодівлі тварин і одержання від них продукції.

   Технологічний процес являє собою сукупність прийомів і операції, доцільно спрямованих на переробку матеріалу чи продукту з вихідного стану до необхідного кінцевого стану. Технологічні процеси можуть відбуватися паралельно чи послідовно в часі.

  Технологічний процес характеризується режимами функціонування:

– настановчим, зв'язаним з підготовкою машин і об'єктів до виконання їхніх основних функцій;

– робочим, обумовленим взаємодією об'єкта чи машини з матеріалом чи робочим середовищем;

– біологічним (чи фізико-хімічним), зв'язаним із тривалим природним процесом нагромадження усередині об'єкта рослинної чи тваринницької продукції;

– транспортним режимом, що включає переміщення машин, робочих органів, тварин чи матеріалу;

– режимом обслуговування, що представляє собою, наприклад, технічний догляд за машиною, зоотехнічне обслуговування тварин і агротехнічне забезпечення життєдіяльності рослин.

У сільськогосподарському виробництві найбільш специфічними є біологічні режими, для яких характерна безперервність фізіологічних процесів утворення продукції і циклічність її одержання. Такий процес не можна перервати і практично неможливо надолужити упущене шляхом інтенсифікації наступного періоду. Незважаючи на специфічність і різноманітність біологічних режимів, задача автоматизації їх у сільському господарстві залишається незмінної: забезпечити хід фізіологічних процесів таким чином, щоб у найкоротший термін при мінімальних витратах праці одержати найбільшу кількість продукції кращої якості.

Технологічна операція являє собою визначену сукупність організаційних і технологічних дій, що обумовлюють нормальне протікання всього процесу. Поділ технологічного процесу на технологічні операції дозволяє виявити тривалість операції, черговість її проведення, циклічність, тобто алгоритмувати технологічний процес.Контроль і керування режимами й операціями здійснюються по інформаційних параметрах, вимірюваним первинними перетворювачами різних датчиків.Операції виконуються одночасно (паралельно) чи послідовно. Контроль виконання всіх операцій не обов'язковий. Контролюються тільки основні операції і режими, що характеризують у цілому якісно і кількісно виконання виробничого процесу.

  Класифікація об'єктів при розширенні робіт з автоматизації сільськогосподарських технологічних процесів і операцій полегшує визначення обсягу і черговості автоматизації, розробку типових рішень в області технології автоматизованого потокового виробництва і створення технічних засобів автоматики. У класифікацію повинні входити не тільки існуючі процеси й об'єкти автоматизації, але і ті, котрі можуть бути запропоновані надалі.      Класифікація дозволяє точніше сформулювати вимоги до технічних засобів, вибрати раціональні принципи побудови систем автоматизації сільськогосподарських об'єктів і розробити загальні показники і методи визначення техніко-економічної ефективності автоматизації. Без наукової класифікації сільськогосподарських об'єктів і процесів у них неможливі широкі теоретичні узагальнення, техніко-економічні порівняння і практичні оцінки.

   Виходячи з задач проектування систем автоматизації і створення засобів автоматики, сільськогосподарські об'єкти доцільно класифікувати по п'ятьох істотних ознаках: типу технологічних процесів; взаємозв'язку технологічного і транспортного руху; виду технологічного циклу; динамічним властивостям об'єкта і по агрегатному стані оброблюваного матеріалу.

  Класифікація по типу технологічних процесів дає можливість розробити загальний підхід до рішення задачі автоматизації всього класу, незважаючи на технологічну специфіку. Доречно підкреслити, що приведений розподіл технологічних процесів на механічні, теплові, електричні, біологічні, хімічні і гідравлічні відбиває основне визначальне явище в об'єкті, у якому можуть протікати одночасно й інші процеси, що грають другорядну роль.

  По взаємозв'язку технологічного і транспортного рухів об'єкти поділяються на три класи: з несполученим, сполученим і незалежним рухом. В об'єктах з несполученим рухом одні установки призначені тільки для транспортування матеріалу без його обробки, а інші здійснюють його технологічну обробку. Ці об'єкти варто віднести до нижчого класу з погляду економічної ефективності автоматизації. До більш високого класу відносяться об'єкти, у яких транспортний і технологічний рух сполучені і знаходяться в тісному взаємозв'язку: обробка чи переробка матеріалів відбувається під час їхнього транспортування. Для цього класу установок автоматизація дозволяє істотно підвищити їхню продуктивність і забезпечити оптимальний режим роботи.

3.5. Технологічні вимоги при розробці систем автоматичного керування

При створенні автоматичних систем керування технологічними процесами сільськогосподарського виробництва одним з найбільш відповідальних етапів є розробка оптимального, тобто найефективнішого, варіанта технологічного процесу, що підлягає автоматизації.

  У зв'язку з тим що сільське господарство характеризується різноманіттям галузей виробництва і розмаїтістю технологічних процесів, розробка оптимального технологічного процесу в кожному конкретному випадку являє собою дуже складну задачу. Розвиток уніфікованих процесів сільськогосподарського виробництва сприяє успіху розробки оптимальних, придатних для автоматизації технологічних процесів. Тому дуже актуальної, особливо в умовах переводу сільського господарства на промислову основу, є проблема типізації, універсалізації і навіть стандартизації сільськогосподарських технологічних процесів і техніки.

Перехід сільського господарства на промислову основу тісно зв'язаний із процесами концентрації й інтенсифікації виробництва. В цих умовах, коли поряд з великими потоками сировини, енергії, праці йде великий потік взаємозалежної інформації, точне і правильне осмислювання цієї інформації, прийняття відповідних оптимальних рішень і взагалі повноцінне керування виробництвом можливі тільки при використанні методів і засобів автоматизації.      Однак застосування досягнень автоматизації вимагає певної технологічної підготовки виробничих процесів.

Досвід переозброєння провідних галузей народного господарства показує, що ефективність автоматизації залежить від взаємозалежного рішення трьох основних задач: 1) розробки нових технологічних процесів і типізації їх; 2) створення технологічного устаткування, що забезпечує якісне виконання типізованого технологічного процесу; 3) вироблення алгоритмів ефективного керування технологічними процесами, операціями й устаткуванням за допомогою технічних засобів автоматики.

   Рішення першої задачі вимагає спеціальних знань і необхідного досвіду по визначенню заданих параметрів точності, продуктивності, способів обробки, транспортування, збереження, по створенню методів типізації технологічних процесів тощо, тобто тут потрібні знання і досвід фахівців-технологів сільськогосподарського виробництва, що повною мірою володіють основами технологічної науки.

Типізацію технологічного процесу в сільськогосподарському виробництві доцільно починати зі складання так званого технологічного ланцюжка.

Технологічний ланцюжок відбиває взаємозв'язок технологічних процесів, окремих операцій і режимів машин, що беруть участь у їхньому виконанні. Наприклад, технологічний ланцюжок післязбиральної обробки зерна в потоці включає наступні операції: доставку зерна від комбайна, зважування зерна, його розвантаження, транспортування норією, первинне очищення від великих домішок на повітрорешітних машинах, транспортування норією, сушіння, охолодження, транспортування норією, вторинне очищення від дрібних домішок, транспортування шнеком, сортування на трієрах, збір у бункер, зважування, транспортування на склад, зважування і складування.

Технологічний ланцюжок дозволяє виявити порядок дії машин відповідно до вимог процесу, обсяг робіт з операцій, необхідне число машин, установити оптимальне агрегатування і припустимий ступінь типізації технологічних процесів. Таким чином, технологічний ланцюжок дає можливість глибоко проникнути в саму технологію процесу у всіх його аспектах.

Приступаючи до розробки систем автоматичного керування, розроблювач повинний добре вивчити об'єкт автоматизації, цілком усвідомити всі можливі режими роботи.