CC BY
36
УДК 631.171:004.3
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДОЕНИЕМ «СТИМУЛ» ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ДОИЛЬНЫХ ЗАЛОВ
ТИПА «ЕЛОЧКА»
А.М. Седов, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. В настоящее время в лаборатории мехатроники, интеллектуальных и компьютерных систем управления ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработана компьютерная система управления процессом доения «Стимул». Освоение ее промышленного производства позволит решить проблему импортозамещения зарубежного автоматизированного доильного оборудования. В зависимости от модификации исполнения (01,02,03) содержит автоматические подсистемы: автоматической идентификации животных; автоматического управления процессом доения со стимуляцией молокоотдачи; автоматического своевременного отключения и снятия доильных аппаратов; сбора и обработки информации для анализа и принятия решений. Стратегия построения «Стимул» позволяет осуществлять поэтапное расширение функциональных возможностей, начиная от простейшего варианта, обеспечивающего только своевременное снятие доильных аппаратов, до вариантов с системой компьютерного племенного учета. Система отличается улучшенными свойствами функциональной диагностики, отладки, живучести и надежности, снижающими влияние человеческого фактора в нештатных ситуациях в системе «человек-доильный аппарат-животное».
Ключевые слова: компьютерная система управления процессом доения «Стимул», автоматическая дистанционная идентификация животных, импортозамещение автоматизированного доильного оборудования, компьютерный учет индивидуального надоя, модификации исполнения регистрация интенсивности молокоотдачи, автоматическая стимуляция молокоотдачи, автоматизация контрольных доек, протокол доения, программное обеспечение.
Введение. Проблемы молочного животноводства на данный период времени: недостаточная надежность и эффективность отечественного доильного оборудования; высокий уровень затрат ручного труда и низкая степень автоматизации молочных ферм; высокая себестоимость производства молока.
Причины образовавшихся проблем:
- большая доля ферм со старыми технологиями и оборудованием;
- высокая стоимость строительства новых ферм на базе дорогого импортного оборудования;
- значительное отставание внедрения на фермах современного автоматизированного оборудования;
- неудовлетворительное техническое обеспечение племенной и селекционной работы;
- недостаточное финансирование инновационных проектов животноводства.
Цель исследований и предлагаемые инновационные решения:
- разработка и внедрение унифицированных по техническому обеспечению, интерфейсу и программным продуктам отечественных цифровых, интеллектуальных и компьютерных систем управления (КСУ) для животноводства на платформе КСУ «Стимул»;
- синергетическая взаимоинтеграция КСУ «Стимул» с компьютерной системой племенного учета «Селекс»;
- наличие в структуре программного обеспечения КСУ «Стимул» встроенных модулей диагностики и отладки;
- интеллектуальное управление стимуляцией молокоотдачи по индивидуальным для каждого животного значениям интенсивности молоковыведения;
- автономность и независимость функционирования локальных блоков управления КСУ;
- единый уровень энергопитания локальных блоков управления и исполнительных модулей КСУ;
- открытая конфигурация КСУ для цифровой трансформации систем управления производством в животноводстве по технологиям Индустрии 4.0.
Актуальность исследований кроме [3-12] подтверждается:
1. Указом Президента РФ «О стратегии развития информационного общества в РФ на 2017-2030 гг.» от 9 мая 2017 г. № 203.
2. Государственной программой «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной распоряжением правительства от 28 июля 2017 г. № 1632-р.
3. Стратегией развития сельскохозяйственного машиностроения на период до 2030 года, утвержденной распоряжением правительства РФ от 7 июля 2017 г. № 1455-р.
4. Концепцией «Индустрии 4.0» (Industry 4.0).
Материалы и методы. Обоснование структуры построения двухуровневой распределенной КСУ ТП доения «Стимул» в доильном зале «Елочка». Для каждого периода времени, соответствующего уровню развития цифровой информационной и компьютерной техники, для объектов автоматизации существовал и существует оптимальный уровень распределения средств получения, хранения, передачи и обработки данных, который устанавливается, исходя из минимизации затрат на приобретение комплектующих изделий, разработку и производство специализированного оборудования, программного обеспечения, монтаж и сервисное обслуживание.
Появление в последние годы многофункциональных панельных контроллеров с развитой клавиатурой, текстовым дисплеем, большим количеством входов-выходов и наличием сот-портов для связи с компьютером определило для нас стратегию построения интеллектуализированных компьютерных систем управления (КСУ) в молочном животноводстве с главным ориентиром создания распределенных систем.
При разработке распределенных КСУ в животноводстве важным этапом является выбор контроллера, удовлетворяющего предъявляемым требованиям. Контроллер
должен иметь сот-порты для подключения к сети RS 485. Проблема создания распределенной КСУ ТП существенно упрощается, если контроллер может передавать данные в компьютер через ОРС-сервер. Эффективно, если контроллер обеспечивает поддержку сетевых функций по протоколу Modbus, поскольку данный протокол является техническим стандартом и не требует дополнительной аппаратной поддержки - только программной. Физическим каналом для передачи данных в данном случае является RS 485(232). Для этого в контроллерах, как правило, предусмотрены соответствующие последовательные порты.
Коммуникационные функции современных контроллеров позволяют создавать распределенные системы управления с обеспечением связи с персональным компьютером с учетом отмеченных условий. Главным достоинством контроллеров является легкость их программирования. Одной из самых эффективных систем программирования является среда SMLogic, в которой соответствующие переменные отображаются графически в виде FBD-блоков.
Возможности управляющих логических контроллеров, а также уникальные возможности пакета программ Master Scada привели нас к разработке распределенной интегрированной структуры высокоэффективной компьютерной системы управления доильных залов типа «Елочка» (рис. 1).
При создании распределенной КСУ ТП «Стимул» доильной установки «Елочка» решена проблема эффективной организации взаимодействия ее компонентов, в частности, разделения функций обработки информации и управления между элементами компьютерной системы. Эффективная синерге-тическая интеграция систем КСУ «Стимул» и КС ПУ «Селекс» была обеспечена наличием общих свойств в организации их программного обеспечения.
В качестве среды программирования подсистемы сбора и обработки информации «Стимул» является SCADA - система, обеспечивающая поддержку связи с базой данных Interbase.
Рис. 1. Структура распределенной двухуровневой системы управления доением открытой конфигурации
(исполнение 03)
В свою очередь, «Селекс» работает с базой данных Firebird 2,0 (Клон БД Interbase).
Для передачи данных из КСУ «Стимул» в КС ПУ «Селекс» в дереве «Система» программы «Стимул» добавлен БД-коннектор Interbase. В него вставлено необходимое количество блоков процедур «Селекс 1.....N» с
входными параметрами. В свою очередь, в «Селекс» сформирована база для обмена данных между системами «Стимул» и «Селекс». Она хранится в каталоге с:\femaks_ selex. В эту базу данных введены соответствующие необходимые процедуры.
Результаты и обсуждение. В лаборатории мехатроники, интеллектуальных и компьютерных систем управления ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработана современная высокотехнологичная инновационная компьютерная система управления (КСУ) процессом доения «Стимул» в трех исполнениях [1,2].
Основные функциональные возможности и базовая комплектация АСУ ТП «Стимул» различных исполнений:
Исполнение 01. С электронными автоматами управления своевременным отключением и снятием доильных аппаратов. Автономные электронные системы доильных
станков доильной установки «Елочка» обеспечивают своевременное автоматическое отключение и снятие доильных аппаратов. В базовый комплект поставки входят: электронные блоки управления своевременным отключением и снятием доильных аппаратов для каждого доильного станка доильной установки, соответствующее количество датчиков окончания доения (контроля интенсивности молоковыведения - 200 г/мин) и электроуправляемых пневмоклапанов CV-20. Для контроля суммарного надоя за дойку поставляется регистратор РСН-1П (опция)
Исполнение 02. С микропроцессорной системой управления процессом доения и отображением данных доения на дисплее блока управления.
Программируемые блоки управления процессом доения БУД-2 обеспечивают:
- Адаптированное к индивидуальным особенностям животных доение со стимуляцией молокоотдачи с управлением по значениям интенсивности молоковыведения;
- Своевременное автоматическое отключение и снятие доильных аппаратов;
- В реальном режиме времени на дисплее блока управления отображаются: индивиду-
альный надой, интенсивность молоковыве-дения, время и режимы доения.
В базовый комплект поставки входят:
> программируемые блоки управления доением БУД-2 с графическим дисплеем для отображения цифровой и текстовой информации, электроуправляемые пульсаторы LE-20, электроуправляемые пневмоклапаны CV-20, счетчики-датчики молок УДБ-14.00000, блоки питания 24 В.
Могут быть поставлены: сумматор общего надоя молока СНМ-1П (опция) или программируемый регистратор суммарного надоя РСН-1П (опция).
Исполнение 03. С микропроцессорной системой управления процессом доения, автоматической системой идентификации животных, компьютерной системой сбора и обработки данных доения и автоматической передачей их в интегрированную систему ведения племенного учета «Селекс».
Система управления дополнительно к функциям исполнения 02 обеспечивает:
- автоматическую идентификацию животных, передачу данных доения в компьютер, обработку данных доения, представление их в виде протоколов дойки с хранением их в памяти компьютера, возможность получения в реальном режиме времени графиков интенсивности молоковыведения (кривых молокоотдачи);
- автоматический экспорт индивидуальных данных доения в компьютерную систему ведения племенного учета («Селекс»).
В базовый комплект поставки дополнительно к исполнению 02 входят:
> комплект оборудования для автоматической идентификации животных;
> (транспордеры по числу животных, антенны, ридеры, блоки питания - 12 В);
> информационная линия связи блоков управления доением и системы идентификации с компьютером, блоки сопряжения, датчики положения выходных дверей, компьютер с программным обеспечением, блоком бесперебойного питания и принтером.
Основные показатели эффективности: улучшение условий труда и сокращение трудозатрат, увеличение индивидуальной про-
дуктивности коров, сокращение заболеваемости маститом, повышение качества молока, создание условий для широкомасштабной селекции животных. На международной выставке «Золотая осень» КСУ «Стимул» награждена золотой медалью, а решением независимой комиссии международной выставки «Агроферма 2017» определена победителем конкурса в номинации «Лучший продукт».
Выводы.
1. При разработке КСУ «Симул» была выдвинута и подтверждена научная гипотеза возможности двух- и более кратной положительной реакции отечественных пород коров на стимуляцию их молокоотдачи путем индивидуального управляемого, адаптированного к индивидуальным особенностям животных, биомехатронного адекватного воздействия на доильные соски вымени в начальной и заключительных фазах доения.
2. На основе проведенных исследований предложена концепция построения распределенных двухуровневых мехатронных, ин-теллектуализированных и компьютерных систем управления (МИКСУ) технологическими процессами в животноводстве.
3. Основные предложенные подходы построения МИКСУ (открытость конфигурации и возможность взаимной интеграции на основе унификации компонентов, интерфейса и программного обеспечения, обязательной интеграции с отечественной системой компьютерного ведения племенного учета «Селекс», поэтапное, последовательное создание базы программ управления отдельных технологических операций в животноводстве (макросов), обеспечение функций диагностики, повышения надежности и живучести и т.д.) соответствуют технологиям концепции Индустрии 4.0 и программе Цифровизации и будут положены в основу реализации цифровой трансформации КСУ ТП и АСУ П в молочном животноводстве.
КСУ «Стимул-Селекс», как базовая платформа цифровизации производства в молочном животноводстве, может стать основой цифровой трансформации систем контроля и управления для этой области сель-
ского хозяйства по той же совокупности технологий, что и Индустрия 4.0. Интегрированная система «Стимул-Селекс» может быть первым отечественным инструментом для ведения автоматизированной широкомасштабной селекции животных в хозяйствах Российской Федерации.
Литература:
1. Седов А.М. Особенности компьютерной системы управления доением «Стимул» // Вестник РАСХН. 2016. №3. С. 9-11.
2. Седов А.М. Принципы построения и модификации модульных исполнений компьютерной системы управления процессом доения «Стимул» // Вестник ВИ-ЭСХ. 2016. №2. С. 132-141.
3. Стребков Д.С., Кузнецов И.М. Совершенствование методов и средств управления с.-х. производством в регионах // Вестник ВИЭСХ. 2015. №3(20). С. 3-13.
4. Юдина М.А. Индустрия 4.0. Перспективы и вызовы для общества // Государственное управление. 2017. №60.
5. Иванов Ю.Г. Исследование микропроцессорной системы дистанционного мониторинга сигналов коров // Вестник ФГОУ МГАУ. 2015. №2(66). С. 7-13.
6. Мишуров Н.П., Соловьева Н.Ф., Цой Ю.А. Роботизированные системы в с.-х. производстве. М., 2009.
7. Степанов А.Н. Алгоритмизация процесса автоматизированного оперативного управления воспроизводством стада КРС в электророботизированном цехе животноводства // Вестник ВИЭСХ. 2016. №2. С. 63.
8. URL: http://kremlin.ru/events/councils/bycouncil/ 1029/55100.
9. URL: https://www.weforum.org/reports/world-econo-micforum-annual-meeting 2016-mastering-the-fourthin-dustrial
10. URL: http://www.fasie.ru/upload/docs/dk_neyronet
11. URL: http://tass.ru/ekonomika/4387665
12. Цветкова Л.А. Технология искусственного интеллекта как фактор цифровизации экономики и мира // Экономика науки. Т. 3, №2. С. 126-144.
Literatura:
1. Sedov A.M. Osobennosti komp'yuternoj sistemy uprav-leniya doeniem «Stimul» // Vestnik RASKHN. 2016. №3. S. 9-11.
2. Sedov A.M. Principy postroeniya i modifikacii modul-'nyh ispolnenij komp'yuternoj sistemy upravleniya proces-som doeniya «Stimul» // Vestnik VIEHSKH. 2016. №2. S. 132-141.
3. Strebkov D.S., Kuznecov I.M. Sovershenstvovanie me-todov i sredstv upravleniya s.-h. proizvodstvom v regio-nah // Vestnik VIEHSKH. 2015. №3(20). S. 3-13.
4. YUdina M.A. Industriya 4.0. Perspektivy i vyzovy dlya obshchestva // Gosudarstvennoe upravlenie. 2017. №60.
5. Ivanov YU.G. Issledovanie mik-roprocessornoj sistemy distancionnogo monito-ringa signalov korov // Vestnik FGOU MGAU. 2015. №2(66). S. 7-13.
6. Mishurov N.P., Solov'eva N.F., Coj YU.A. Robotiziro-vannye sistemy v s.-h. proizvodstve. M., 2009.
7. Stepanov A.N. Algoritmizaciya processa avtomatiziro-vannogo operativnogo upravleniya vosproizvodstvom sta-da KRS v ehlektrorobotizirovannom cekhe zhivotnovod-stva // Vestnik VIEHSKH. 2016. №2. S. 63.
8. URL: http://kremlin.ru/events/councils/bycouncil/1029 /55100.
9. URL: https://www.weforum.org/reports/world-econo-micforum-annual-meeting 2016-mastering-the-fourthin-dustrial
10. URL: http://www.fasie.ru/upload/docs/dk_neyronet
11. URL: http://tass.ru/ekonomika/4387665
12. Cvetkova L.A. Tekhnologiya isskusstvennogo intel-lekta kak faktor cifrovizacii ehkonomiki i mira // EHko-nomika nauki. T. 3, №2. S. 126-144.
COMPUTERIZED SYSTEM OF MILKING CONTROL "STIMULUS" FOR «ELOCHKA» TYPE MILKING PARLORS
MODERNIZATION
A.M. Sedov, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. Currently in the laboratory of mechatronics, intelligent and computer systems control of FGBNY FNAC VIM a milking process computer control system "Stimulus" was developed. Its industrial productivity development will solve the import substitution problem of foreign automated milking equipment. Depending on the modification of the version (01,02,03) it contains automatic subsystems: animals' automatic identification; milking process a u-tomatic control with milk stimulation; automatic timely shutdown and milking machines removal; information collecting and processing for analysis and decision-making. The strategy of "Stimulus" building allows to carry out the ability of a phased expansion of its functionality, beginning from the simplest option that only the milking machines timely removal, till a breeding records' computer system one. The system is characterized by improved properties of functional diagnostics, debugging, survivability and reliability, at emergency situations in the "man-milking apparatus-animal" human factor influence's system reducing.
Keywords: milking process computer control system "Stimulus", automatic remote identification of animals, automated milking equipment import substitution, individual milk yield's computer accounting, milk yield intensity re g-istration execution modification, milk yield automatic stimulation, control milking automation, milking protocol, software.
