Устройство автоматического регулирования качества воздуха в животноводческих помещениях

Введение. В современном молочном животноводстве актуальной проблемой является контроль оптимальных условий содержания животных. При высокой концентрации поголовья скота качество воздуха в помещениях превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) по таким параметрам как содержание в воздухе углекислого газа, сероводорода, аммиака, запылённости, концентрации патогенной микрофлоры. Дополнительно необходимо осуществлять контролировать таких параметров воздуха как температура, влажность, скорость воздушного потока. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что несоблюдение этих норм снижают продуктивность животных, что приводит к значительным финансовым потерям [1-4].

Ежегодно из помещений животноводческих ферм отрасли требуется удалить 166 млрд м ³ водяных паров, 39 млрд м ³ углекислого газа, 1,8 млрд м аммиака, 700 тыс. м ³ сероводорода, 82 тыс. т пыли, патогенную микрофлору [5].

Отклонение параметров микроклимата в зданиях от определенных предельных значений приводит к снижению удоев у коров на 10-20 %, уменьшению приростов живой массы на 20-30 %, увеличению падежа молодняка на 5-40 %, снижение продуктивности на 30-35 %, сокращению срока службы на 15-20 %, увеличение затрат на корма и рабочую силу на единицу продукции, уменьшение срока службы в три раза животноводческих зданий и рост затрат на ремонт технологического оборудования [6].

Необходимо внедрение прогрессивных цифровых и роботизированных технологий, которые динамично применяются в смежных областях [7, 8].

На основе санитарного обследования помещений, проводившихся в условиях ООО “АГРОФИРМА “ВАМИН-Минзаля” Мензелинского района Республики Татарстана при правильном микроклимате, который соответствовал зоогигиеническим нормам увеличивал молочную продуктивность во всех зонах коровника, а так же уровень гемоглобина повышается в среднем на 127 г/л [9].

Исследование, описанное в источнике [10] проводилось в 2016 году на изучение влияния параметров микроклимата на показатели молочной продуктивности коров. Ферма находилась в Дебёсского района Удмуртской Республики на базе СПК «Дружба». Были получены следующие результаты, при повышенной температуре внутри помещения коровника удой на корову в помещении №1 (экспериментальном) составил 5801 кг, что на 490 кг (9,2 %) больше, чем в помещении № 2 (контроль), массовая доля жира и белка в молоке составила 3,60 и 3,00 %, что в пределах нормы.

В источниках [11, 12] описываются требования на комплект автоматического управления микроклиматом в животноводческом помещении. Для контроля состояния параметров микроклимата в свинарнике предлагается использовать следующие датчики: датчик температуры наружного воздуха; датчики температуры воздуха в помещении; датчик концентрации озона О 3 в помещении; датчик концентрации аммиака NН 3 в помещении; датчик содержания углекислого газа СО 2 в воздухе; датчик влажности воздуха внутри помещения; датчик температуры воды в автопоилках; охладитель и осушитель воздуха в помещении (сухой контакт).

Исходя из практического опыта для животноводческих помещений и на основе источника [13] так же необходимо вести контроль содержания в воздухе сероводорода, скорости потока внутри помещения, запыленности, микробной обсемененности и освещенности.

Наиболее часто решением по контролю параметров микроклимата является вентиляция [14]. Авторами Наливайко А.П. и Боярской Н.П. к подобным системам предлагается предъявлять следующие требования [5]:

• 1)    создание в различные периоды года необходимого воздухообмена на единицу живой массы животных;

• 2)    равномерное распределение и циркуляция воздуха внутри помещения. Чтобы не было мест застоя и скопления влажного загрязненного воздуха;

• 3)    поддержание оптимального температурного режима в помещениях;

• 4)    удаление излишней влаги (главным образом в зимний и осеннее -весенний периоды), вредных веществ (пыль, газы и неприятные запахи);

• 5)    обеспечение равномерного поступления теплого воздуха зимой;

• 6)    максимальное охлаждение воздуха летом в зонах расположения животных.

Так же в рассматриваемой работе [5] описывается, что для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях, на вентиляцию расходуется около 2 млрд кВт-ч электроэнергии в год, на обогрев помещений дополнительно идет 1,8 млрд кВт-ч, 0,6 млн м природного газа, 1,3 млн т жидкого и 1,7 млн т твердого топлива.

Авторами данной работы предлагается уйти от системы вентиляции для экономии энергопотребления в рамках № 261-ФЗ об энергосбережении и энергоэффективности ред. 29 июля 2017 года.

Материалы и методы исследования

В результате проведенного анализа по влиянию микроклимата и предлагаемых систем управления разработана структурная схема управления микроклиматом (на примере коровника), описаны сигналы, которые подает контроллер на исполнительные механизмы.

В рамках работы предлагается обеспечить автоматизированное оптимальное содержание животных, путем контроля параметров микроклимата, а именно качество воздуха (мг/м3 (аммиак), % (углекислый газ), % (относительная влажность), °C (температура), м/с (скорость движения), мг/м3 (пыльность), мг/м3 (сероводород)) и освещенности (лк).

Результаты и их обсуждения

Разрабатываемое устройство объединяет климатическое оборудование (рис. 1) и конструктивно обособленные устройства в «одно целое».

1-Светильник; 2-Вентилятор с распылительной форсункой; 3- Нагревательный элемент; 4-Створка; 5-Вытяжная вентиляция

Рисунок 1 - Имитационная модель коровника

Функции, выполнение которых должно обеспечивать устройство автоматического регулирования качества воздуха на данном этапе.

Опрос датчиков, а именно датчик влажности, датчик температуры, датчик газа, освещенности.

В случае отклонения полученных значений от нормативных показателей, указанных в источнике [11] контроллер (рис.2), подает сигналы на исполнительные механизмы:

• -    изменение наклона вентиляторов в двух осях (XYZ);

• -    увеличение уменьшение количества оборотов в минуту лопастей вентилятора (всех или части);

• -    включение/отключение вентиляторов (всех или части);

• -    включение/отключение форсунок (всех или части);

• -    открытие/закрытие створок (окон, козырька);

• -    включение/отключение искусственного освещения;

• -    включение/отключение нагревательного элемента (осушителя).

Устройство должно обеспечивать следующие значения:

• -    Относительная влажность внутри помещения 40-75 %;

• -    Искусственное освещение 50-75 лк;

• -    Содержание пыли до 5 мг/м ³ ;

• -    Концентрация углекислого газа до 0,25 %;

• -    Содержание аммиака до 20 мг/м ³ ;

• -    Допустимая скорость воздуха 1 м/с.

Авторами проведено исследование по моделированию изменения скорости воздушного потока (рис. 3) и разработана первичная структурная схема управления контроллера (рис. 4) на основе источника [15]. В дальнейших исследованиях схема управления будет иметь 7 каналов регулирования.

Рисунок 2 - Контроллер*

Рисунок 3 – Имитационная модель изменения

скорости воздушного потока

• * 1 – Датчик температуры и влажности; 2 – Датчик освещенности; 3 – Датчик газов;

• 4 – Плата; 5 – Часы реального времени; 6 – Передатчик; 7 – Преобразователь напряжения

  
  
  

ЗУ – задающее устройство; УУ – устройство управления;

ИМ – исполнительный механизм; ОУ – объект управления;

УОС - устройство обратной связи; y(t), y _oc (t) - задающее воздействие и сигнал обратной связи; e(t) - сигнал ошибки; /(t) - возмущающее воздействие; x(t) - управляемый сигнал.

Структурная схема состоит из трех замкнутых каналов регулирования:

В дальнейшие исследования будет входить:

• 1.    Параметрическое моделирование освещенности внутри животноводческого

• 2.    Параметрическое моделирование движения воздушных масс внутри

• 4.    Имитационная модель, позволяющая прогнозировать расположение конструктивно обособленных устройств внутри животноводческого помещения.

• 5.    Методика оценки эффективности энергосберегающих мероприятий для животноводческого помещения.

• 6.    Режимы и конструкционные параметры устройств для обеспечения оптимального микроклимата.

• 7.    Программное обеспечение самостоятельно принимающее решение в реальном времени на основе собираемых данных по влиянию параметров микроклимата на удой животного.

• 8.    Испытания контроллера.

помещения.

животноводческого помещения.

Выводы

На основании рассмотренных литературных источников были выявлено основные параметры микроклимата, влияющие на продуктивность молочного стада. Внедрение в фермерские хозяйства подобных систем позволит повысить продуктивность. Авторами определены подаваемые сигналы на исполнительные механизмы, разработана имитационная модель изменения скорости воздушного потока внутри помещения, представлена начальная схема управления, выраженная в структурном виде.