Технологии

Развитие процессов автоматизации производства

Роль современных технологий в устойчивом развитии АПКСтратегией машиннотехнологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 г. определена настоятельная необходимость формирования конкурентоспособного агропромышленного производства, обеспечивающего продовольственную безопасность страны, интеграцию его в мировое сельскохозяйственное производство.

При этом конкурентоспособное сельское хозяйство России должно базироваться на автоматизированных высокоинтенсивных с точным исполнением технологиях. Техника, обеспечивающая эти технологии, должна отвечать требованиям прецизионного управления продукционными процессами как в растениеводстве, так и в животноводстве.

Автоматизация производ- ственных процессов - стратегическое направление развития техники и технологий

Автоматизация создает научную и техническую основу для возникновения и развития новых направлений технического прогресса. Быстрый рост технической оснащенности и развитие микропроцессорной базы с использованием топоориентированных технологий и новых радионавигационных систем создают необходимые предпосылки для автоматизации процессов в сельскохозяйственном производстве.

Учитывая, что мировой уровень механизации основных процессов в полеводстве и животноводстве приближается к 100%, дальнейшее развитие сельскохозяйственной техники будет характеризоваться еще более интенсивным использованием средств и методов автоматизации, информатизации и робототехнических комплексов.

Однако внедрение более интенсивных технологических процессов и стремление получить более высокое качество продукции ограничиваются физиологическими возможностями человека. Поэтому уже широко используются высокоточные технологии, базирующиеся на автоматическом управлении процессами. Так, в растениеводстве для этого все больше используются технические средства точного позиционирования на базе спутниковых навигационных систем для точного местоопределения сельскохозяйственных агрегатов на поле. Это позволяет автоматически получать и считывать информацию с электронных карт, отражающих состояние каждого фрагмента поля, закладывать требуемый вид операций по времени и объему в МТА.

За последние десятилетия автоматизация сельского хозяйства сформировалась в самостоятельную отрасль науки и техники, охватывающую теорию, принципы построения и способы использования автоматизированных систем управления в сельском хозяйстве, действующих с минимальным участием человека или без его непосредственного участия.

Основная особенность автоматизации на современном этапе развития сельскохозяйственного производства заключается в неразрывной связи техники с биологическими объектами, а значит, с непостоянными во времени параметрами (почвы, растений, животных), со свойственной только им непрерывностью процессов производства продукции и цикличностью ее получения. В этих условиях системы автоматики должны учитывать:

  • связь техники с биологическими объектами, а технику рассматривать как человекомашинную систему;
  • многообразие и сложность производственных процессов, что обусловлива ет разнообразие технологических процессов и техники;
  • распределенность контролируемых и регулируемых параметров многих объектов по большому технологическому полю (теплицы) или объекту (хранилища) со случайными возмущающими воздействиями;
  • рассредоточенность сельскохозяйственной техники по большим территориям, удаленность ее ремонтной базы, не редко недостаточную квалификацию об служивающего персонала;
  • условия работы систем автоматики (на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях) с изменением в широких пределах температуры, влажности, состава агрессивных газов, запыленности, интенсивности солнечной радиации и т.д.

Производственные процессы сельского хозяйства относятся к сложным объектам управления, что характеризуется большим числом контролируемых и управляемых параметров и действием многочисленных возмущений, влияющих на эффективность выполнения этих процессов. Обслуживающий персонал (механизаторы) часто не в состоянии своевременно реагировать на эти возмущения, носящие заведомо случайный характер.

Поэтому ручное управление сельскохозяйственными машинами, агрегатами и технологическими процессами на практике оказывается недостаточно эффективным. Например, для эффективного использования МТА оператор (тракторист) должен управлять загрузкой двигателя трактора, направлением движения агрегата, изменением тяговой мощности, в том числе за счет уменьшения буксования ведущих колес, следить за качественным выполнением технологических операций и обеспечивать безопасность движения.

Чем выше рабочая скорость, больше ширина захвата МТА, сложнее управляемая операция, тем большее количество информации должен переработать оператор в единицу времени и тем чаще ему приходится пользоваться органами управления, что приводит к быстрой утомляемости. В связи с этим оператор не редко запаздывает с принятием решения по управлению МТА, в результате чего эффективность и качество работы агрегата существенно снижаются. Поэтому уже сегодня используются на прямолинейном ходе гона системы автоматического вождения МТА. Например, в почво обрабатывающем посевном агрегате "СоюзHorsche" производства Украины используется система GPS с точностью движения по прямой 1,52 см.

Еще большим числом параметров требуется управлять при послеуборочной обработке зерна. Рабочий персонал поточных линий должен решать две группы задач: первая - управление многочисленными электроприводами машин и механизмов при выборе маршрутов обработки зерна и ликвидации нештатных ситуаций; вторая - управление режимами работы отдельных машин. При этом контролируется более 20 параметров. Своевременная обработка такого количества информации, как показали исследования, превышает психофизиологические возможности оператора, и поэтому ручное управление поточными линиями послеуборочной обработки зерна малоэффективно (производительность не превышает 65-70% от номинала).

Автоматизация в полеводстве

К обобщенным объектам автоматизации в растениеводстве относятся технологии получения сельскохозяйственной растениеводческой продукции. В качестве примера на рис. 1 показаны упрощенные блоксхемы технологий выращивания зерновых, технических (на примере свек лы), овощных культур и картофеля. Большинство технологических процессов и операций в этих технологиях механизировано, т.е. осуществляется с помощью сельскохозяйственных машин и их комплексов, что позволяет их считать частными объектами автоматизации. Однако сведение автоматизации технологий к автоматизации частных объектов допустимо лишь при системном подходе к автоматизации этих объектов, т.е. при учете взаимосвязи их в той или иной технологии.

Вся сельскохозяйственная техника, рассматриваемая как объекты автоматизации, может быть разделена на три большие группы: отдельные сельскохозяйственные машины, агрегаты, поточные линии.

Автоматизация в животноводстве

Для животноводства и птицеводства так же характерны все группы объектов автоматизации: автоматизируемые технологии и непосредственно объекты автоматизации. Автоматизируемые технологии (рис. 2) под разделяются на три группы: производство молока, яиц и мяса (откорм животных); вы ращивание молодняка для ремонта (воспроизводства) стада; заготовка, хранение, подработка, раздача кормов.

Технологии животноводства имеют ряд общих технологических процессов - отопление и вентиляция, уборка и переработка биоотходов, освещение и облучение животных, приготовление и раздача кормов и др. Заготовка и хранение кормов включают в себя технологические процессы посева, ухода за культурами, уборки, сушки и вентилирования, химической консервации. Объекты автоматизации включают в себя машины, агрегаты и поточные линии, характеризующиеся большим разнообразием, но по ряду операций они довольно схожи (регулирование микроклимата, водо потребление, раздача кормов и др.).

Пути развития автоматизации технологических процессов

Рис. 1. Блок схема автоматизируемых технологий в растениеводствеВ растениеводстве на ближайшую перспективу они определяются в значительной мере наметившимися прогрессивными тенденциями совершенствования систем автоматизации, средств механизации и в целом машинных технологий производства сельхозпродукции.

К прогрессивным тенденциям в совершенствовании систем автоматизации машин, агрегатов и поточных линий в растениеводстве относится переход от использования совокупностей локальных систем автоматического контроля и регулирования к разработке и использованию многомерных систем автоматизированного управления. В них осуществляются централизация приема и обработки информации локальных систем и формирование контрольных и управляющих воздействий. В техническом отношении - это переход от релейноконтактной и электронной аппаратной техники к програм мируемой микропроцессорной технике. В микропроцессорных системах автоматизированного управления локальные системы автоматического контроля и регулирования будут уже играть роль подсистем. Эти под системы необходимо совершенствовать путем использования более эффективных алгоритмов управления, например, переходом в обоснованных случаях от стабилизирующих систем (подсистем) автоматического регулирования к самонастраивающимся и адаптивным системам.

Микропроцессорное исполнение автоматизированных систем управления позволяет их унифицировать, т.е. создать одну унифицированную систему для целой группы аналогичных объектов (например, самоходные комбайны различных типов, пред приятия по послеуборочной обработке зерна различной производительности и назначения и т.д.). При этом некоторая неодинаковость функций такой унифицированной системы применительно к разным объектам одной группы будет устраняться программными средствами без конструктивного из менения систем.

Расширение областей использования средств автоматики в растениеводстве на перспективу обусловливается появлением новых средств механизации и отдельных машинных технологий. К ним относятся, например, технология дифференцированного внесения удобрений, технология уборки и послеуборочной обработки всего биологического урожая зерновых культур в стационаре (очес зерновых), координатное земледелие и др.

В животноводстве - это разработка и производство технических средств для приготовления точного, по соответствующей программе, сбалансированного состава кормов для различных половозрастных групп животных и птицы со всеми не обходимыми микродобавками, включая и лечебнопрофилактические, а также средства доставки корма до каждого животного по зоотехнической норме в установлен ное время.

Важными проблемами, требующими решения, являются: достижение необходимой надежности позиционирования и идентификации животных, создание микроклимата с требуемыми параметрами как в целом в помещении, так и в зоне содержания животного, замер продуктивности в потоке и др. При этом следует учитывать и экономические аспекты этих проблем.

Важные направления дальнейшего развития автоматизации в растениеводстве и животноводстве - создание и широкое использование роботов и робототехнических систем. Эти работы в нашей стране получили лишь начальное развитие. Применение средств робототехники необходимо, в первую очередь, в процессах, вредных для человека (хранение и использование минеральных удобрений и средств химической защиты растений, протравливание зерна перед посевом и др.), и в процессах, требующих больших затрат труда (посадка рассады, сбор урожая продукции и т.д.).

Автоматизация и информатизация сельскохозяйственного производства относятся к приоритетным направлениям научнотехнического прогресса. Их активное совместное развитие будет всемерно способствовать более ускоренному использованию достижений биотехнологии, генной инженерии, созданию интегрированных систем защиты растений и животных, интенсификации продуктивности животных и птицы, технологий мониторинга и управления природными ресурсами, программированию урожая в конкретных агроландшафтных системах и др.

Учитывая неразрывную постоянную связь тех или иных технических средств с животными (контактную или дистанционную), необходимо активизировать работу по созданию приборной базы для контроля и измерения значительного количества биологических параметров. Следует отметить, что около 20% различных параметров в сельскохозяйственном производстве недоступно непосредственному измерению, для них пока еще не разработаны даже первичные преобразователи. К тому же приборы и датчики зачастую должны закрепляться на биообъектах, иметь высокую надежность работы, малые габаритные размеры и массу, способность функционировать в средах с высокой влажностью и достаточно агрессивной газовой среде, выдерживать ударные нагрузки.

Рис. 2. Блок схема автоматизируемых технологий в животноводстве иптицеводстве, заготовки и хранения кормовДля выполнения технологических операций в животноводстве применяются десятки машин, почти половина из которых не в достаточной мере восприимчива для применения в них средств автоматизации. Здесь особое внимание следует уделять защите от перегрузки технических средств (что является предтечей не только нарушений технологического процесса, но и травмирования персонала).

Механизация и автоматизация - неотъемлемые части ресурсосберегающих интенсивных технологий производства продукции, малоотходных технологий ее переработки, хранения и реализации. По прогнозам, новые высокоинтенсивные технологии позволят повысить продуктивность растениеводства и животноводства в 2,53 раза и сократить трудозатраты в 1,5-2 раза и более. Этого не решить без фундаментальных и поисковых исследований.

К сожалению, из-за недостаточного финансирования фундаментальные исследования в стране значительно сократились. Большой вклад в развитие фундаментальной науки по автоматизации и информатизации делают соискатели при подготовке кандидатских и докторских диссертаций. Задачи фундаментальных исследований по автоматизации на современном этапе видятся в следующем:

  • разработка алгоритмов функционирования и формализация математического описания объектов автоматизации, разработка единых методик исследований родственных технологических процессов, совершенствование сельскохозяйственных технологических процессов с учетом возможностей их комплексной механизации, автоматизации и информатизации;
  • исследования физиологических и поведенческих аспектов взаимодействия систем "человек - машина", "животное - машина", "растение - машина" в условиях автоматизированного производства;
  • научное обобщение мирового опыта автоматизации и информатизации сельского хозяйства, выявление типовых решений и их аналогов в промышленности с целью использования серийной аппаратуры автоматики в сельскохозяйственном производстве;
  • определение роли и места фундаментальных исследований в разработке и проектировании новых технологий, машин, агрегатов и установок с учетом возможности расширения их автоматизации в дальнейшем;
  • изыскание методов разработки принципиально новых датчиков физических, химических и биологических величин, которые в автоматических системах используют параметры объектов для управления и передачи информации о них в соответствующие устройства. Датчики являются главным элементом системы автоматики. Они должны быть простыми по устройству, малоинерционными, высоконадежными, способными сочленяться с объектами управления, особенно биологическими, и не влиять на функционирование этих объектов;
  • проведение исследований информационных характеристик машин, агрегатов и по точных линий как систем "человек - машина", оценка возможностей человекаоператора по приему, обработке и использованию информации;
  • совершенствование методик техникоэкономических расчетов эффективности применения систем автоматизации сельхозпроизводства с учетом технологического, структурного, энергетического, трудового, социального выигрыша;
  • разработка и внедрение в перспективе комплекса унифицированных микропроцессорных систем автоматизированного управления машинами, агрегатами и поточными линиями как составных частей нового поколения автоматизированных технологий производства сельскохозяйственной продукции;
  • совершенствование рабочих программ, курсов, дисциплин, баз практик, способствующих более качественной подготовке специалистов (мастеровналадчиков, техников, инженеровэлектромехаников) по проектированию, наладке, техническому обслуживанию и ремонту, эксплуатации систем и средствав томатики, расширение аспирантуры и докторантуры в НИИ и вузах по специальности "Автоматизация технологических процессов и производств" (по отраслям АПК).

Задачи фундаментальных исследований являются составной частью Стратегии машиннотехнологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 г.

На третьем этапе направлений развития техники для сельского хозяйства в Стратегии ставится задача "... создания интеллектуальной техники за счет качественно нового уровня автоматизации и даже автоматических процессов сельскохозяйственного производства".

Грядущее реформирование науки требует теснейшей увязки результатов фундаментальных исследований с инновационной деятельностью творческих коллективов - отделов и лабораторий в целях ускоренной материализации новых знаний.

Ю. Ф. Лачуга, вице-резидент, академик Россельхозакадемии,
И. Ф. Бородин, акад. Россельхозакадемии,
В. К. Хорошенков, канд. техн. наук, зав. отделом ГНУ "ВИМ"