Автоматизация технологических процессов животноводства

17.1. Общие сведения

Автоматика — отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления производственными процессами без непосредственного участия человека. Более конкретное (узкое) определение автома­тики — это совокупность методов и технических средств, исклю­чающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса.
В зависимо­сти от вида применяемых технических средств различают пневмо­автоматику, гидроавтоматику и электроавтоматику.
Автоматизация — внедрение автоматических устройств в тот или иной процесс. Понятие автоматизации тестю связано с поня­тиями механизации и электрификации.
Автоматизация характе­ризуется освобождением человека от непосредственного выполне­ния функций управления производственными процессами и пере­дачей этих функций автоматическим устройствам. Автоматизация позволяет решить ряд вопросов технического, экономическою и социального характера. Техническая направленность автоматиза­ции — выполнение технологических процессов с такой скорос­тью, точностью и надежностью, которые человек обеспечить не может. Экономическая направленность — получение сравнитель­но быстрой окупаемости первоначальных затрат за счет снижении эксплуатационных расходов и повышения объема и качества вы­пускаемой продукции, социальная направленность — улучшение условий труда человека.
Автоматизация может быть частичной, комплексной и полной.
Частичная автоматизация – это автоматизация отдель­ных производственных операций и установок. Остальные технологичес­кие процессы осуществляются с непосредственным участием че­ловека-оператора. Такая автоматиза­ция не освобождает человека от участия в производственном про­цессе, но существенно облегчает его труд, как, например, при дистанционном управлении электроприводами кормораздачи.
Комплексная автоматизация технологического процесса пред­полагает автоматическое выполнение всего комплекса операций по заранее заданным программам с помощью различных автома­тических устройств, объединенных общей системой управления. Функции человека-оператора сводятся к наблюдению за ходом процесса, его анализу и изменению режима работы этих устройств с целью достижения наилучших технико-экономических показа­телей. В животноводстве комплексная автоматизация осуществля­ется при кормоприготовлении.
Полная автоматизация в отличие от комплексной возлагает выполнение функций выбора и согласования режимов работы отдельных машин и агрегатов как при нормальном режиме, так и в аварийных ситуациях не на человека, а на специальные автома­тические устройства. В этом случае все основные и вспомогательные установки работают в ав­томатическом режиме. За обслуживающим персоналом сохраняют­ся функции периодического осмотра, профилактического ремон­та, переналадки всей системы, например системы управления микроклиматом в животноводческих помещениях, на новый ре­жим работы.
Как показывает опыт, наибольший эффект дает полная автома­тизация потомных и цикличных стационарных технологических процессов в животноводстве и птицеводстве. Так, в передовых хо­зяйствах с высоким уровнем автоматизации затраты труда на про­изводство мяса в 5—10 раз меньше, чем в хозяйствах с частичной автоматизацией процессов.

17.2. Основные функции автоматических устройств

Автоматические устройства, применяемые в сельскохозяй­ственном производстве, имеют следующие основные виды: авто­матический контроль, автоматическую защиту, дистанционное и автоматическое управление, телемеханическое управление.
Автоматический контроль включает в себя автоматические сиг­нализацию, измерение, сортирование и сбор информации.
Автоматическое измерение служит для измерения и передачи на специальные указательные или регистрирующие приборы значе­ний физических величин, характеризующих технологический процесс или работу машин. Обслуживающий персонал по показа­ниям приборов судит о качестве технологического процесса и ре­жиме работы машин и агрегатов.
Автоматическое сортирование предназначено для контроля и разделения продукции по размеру, массе, твердости, вязкости и другим показателям (например, сортировка зерна, яиц, фруктов, картофеля игл.).
Автоматический сбор информации необходим для получения информации о ходе технологического процесса, качестве и коли­честве выпускаемой продукции и для дальнейшей обработки, хра­нения и выдачи информации обслуживающему персоналу.
Автоматическая сигнализация служит для извещения обслужива­ющего персонала о предельных или аварийных значениях техноло­гических параметров, о месте и характере нарушений технологичес­кого процесса. В качестве сигнальных устройств применяют лампы накаливания и неоновые, светодиоды, жидкокристаллические ин­дикаторы, звонки, сирены и специальные указатели.
Автоматическая защита служит для защиты технологического оборудования от ненормальных режимов работы и при их возник­новении отключает определенные механизмы.
Блокировка осуществляет взаимосвязь отдельных механизмов и элементов автоматических устройств. Она служит для предотвра­щения неправильных включений и отключений, а также ошибоч­ных действий обслуживающего персонала. С помощью блокиро­вок предупреждают возможные повреждения оборудования и ава­рии.
Автоматическое управление состоит из комплекса технических средств и методов по управлению объектами без участия обслуживающего персонала: пуск и остановка основных установок, вклю­чение и выключение вспомогательных устройств, обеспечение без­аварийной работы, соблюдение требуемых значений параметров в соответствии с оптимальным протеканием технологического про­цесса.
Разновидность автоматического управления — автоматическое регулирование, которое заключается в автоматическом поддержании какого-либо технологического параметра в заданных преде­лах или изменении его по заданной программе. Устройство, осу­ществляющее автоматическое регулирование, называют автоматическим регулятором.
Дистанционное (телемеханическое) управление осуществляется с помощью методов и технических средств, позволяющих управлять установками на расстоянии. Управляющие команды подает обслу­живающий персонал по проводам или по радио с помощью соответствующей аппаратуры.

17.3. Системы автоматического управления

В зависимости от степени автоматизации различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. В первом слу­чае все функции управления выполняет человек-оператор. При автоматизированном управлении часть этих функций осуществля­ет человек, а другую часть — автоматические устройства. При ав­томатическом управлении все функции управления выполняют автоматические устройства.
Автоматическое управление включает в себя комплекс техни­ческих средств и методов управления объектами без участия об­служивающего персонала. Оно обеспечивает пуск и остановку ос­новных установок, включение и отключение вспомогательных устройств, их безаварийную работу и соблюдение требуемых зна­чений параметров, отвечающих оптимальному ходу технологичес­кого процесса. Сочетание комплекса технических средств с объек­том управления — устройством, непосредственно осуществляю­щим технологический процесс, называют системой автоматичес­кого управления.
Разновидностью автоматического управления является автома­тическое регулирование, под которым понимают процесс автома­тического поддержания какого-либо параметра на заданном уровне или изменение его по определенному закону. Автоматическое ре­гулирование осуществляется специальным устройством — авто­матическим регулятором. Автоматическая система, состоящая из автоматического регулятора и объекта управления, называется системой автоматического регулирования.
Техническое устройство, при помощи которого автоматически управляют объектом, называют управляющим устройством. Совокупность объекта управле­ния ОУ и управляющего устройства УУ составляет систему автома­тического управления, которая в общем случае может быть изоб­ражена в виде структурной схемы (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Структурная схема системы автоматического управления

Объекты управления в технологических процессах сельскохо­зяйственного производства характеризуются различными физи­ческими и химическими величинами: температурой, влажностью, уровнем, освещенностью, кислотностью, засоленностью и т.д.
Состояние объекта управления в общем виде характеризуется вектором Y, координатами которого являются отдельные выход­ные величины. От управляющего устройства на объект управле­ния поступает управляющее воздействие q. На объект управле­ния действуют также различного рода возмущения - помехи V, которые препятствуют процессу управления. На вход управляю­щего устройства подается воздействие X, которое содержит ин­формацию о требуемом значении вектора Y. Например, при ре­гулировании температуры воздуха и почвы в сооружениях защи­щенного грунта известны оптимальные значения этих температур для каждого из видов выращиваемых культур.
В ряде систем автоматического уп­равления па вход управляющего устройства, кроме задающего воздействия, поступает информация о возмущениях, действующих на объект управления, и о текущем состоянии его. Управляющее устройство перера­батывает всю поступающую информацию по заложенному в нее закону и выделяет управляющее воздействие, которое направляется к объекту управления.
Для выявления взаимодействия устройств, узлов и элементов автоматики в процессе их работы применяют функциональные схемы.
На рисунке 17.2 изображена функциональная схема системы ав­томатического управления.

Рис. 17.2 Функциональная схема системы ав­томатического управления

Основные части системы — датчик Д, усилитель У, вычисли­тельное ВУ и исполнительное ИУ устройства.
Датчики предназначены для преобразования физических ве­личин в электрические сигналы. Датчики различают по назва­нию измеряемой величины, на которую они реагируют.
Усилители необходимы для усиления сигналов, поступающих отдатчиков. В сельскохозяйственной автоматике широко распро­странены электромеханические, магнитные и электронные (лам­повые и полупроводниковые) усилители.
Вычислительное устройство математически обрабатывает уси­ленный сигнал и передает его к исполнительному устройству. В сложных системах автоматического управления роль вычисли­тельных устройств выполняют компьютеры и микропроцессоры. Использование ЭВМ в системе управления расширяет возможно­сти осуществления сложных алгоритмов управления при большом числе переменных величин, характеризующих ход технологичес­кого процесса. В простых системах автоматического управления вычислительное устройство отсутствует.
В современных системах автоматического управления широко используют контроллеры. Контроллер — это устройство локально­го управления, работающее в реальном масштабе времени по оп­ределенному алгоритму, который может быть задан аппаратно либо программно.
Первые контроллеры выполняли в виде электромеханических командоаппаратов. Это были преимущественно барабанные ком­мутаторы электрических или пневматических цепей. Реализуемый ими алгоритм управления определялся положением кулачков (штифтов) на вращающемся барабане, которые в заданной после­довательности замыкали или размыкали цепи питания исполни­тельных механизмов.
Затем стали создавать контроллеры в виде автоматов, алгоритм которых определялся схемой соединения логических элементов. Эти контроллеры назвали контроллерами с «жесткой логикой».
В современных системах автоматического управления приме­няют контроллеры на базе микропроцессоров. Их алгоритм дей­ствия определяется не способом соединения отдельных элемен­тов, а программой, вводимой в виде машиночитаемых кодов в блок памяти. Такие контроллеры называют программируемыми. Основные их преимущества: высокая надежность, универсаль­ность и гибкость. Один и тот же программируемый контроллер в зависимости от записанной в его памяти программы можно ис­пользовать для решения различных задач управления. Для обнов­ления программы либо заменяют большую интегральную схему памяти (БИС) на другую, в которую «зашита» новая рабочая про­грамма, либо перепрограммируют имеющуюся в контроллере со­ответствующую БИС памяти. В общем случае контроллер имеет центральный процессор с перепрограммируемым блоком памяти, клавиатуру ввода команд и данных, а также интерфейс связи с внешними устройствами, к которым относятся датчики техноло­гических параметров и исполнительные механизмы. Алгоритм функционирования обеспечивается программой, которая хранит­ся в перепрограммируемой намяти и может быть изменена опера­тором с помощью клавиатуры.
Исполнительные устройства предназначены для непосред­ственного воздействия па управляемый объект. В качестве испол­нительных устройств применяют электрические реле, контакто­ры, соленоидные клапаны, электродвигательные исполнительные механизмы и др.

17.4. Принципы автоматического управления

На объекты управления и на величины, их характеризующие, действуют различные внешние помехи и возмущения, которые необходимо учитывать в процессе работы автоматических систем.
Принцип управления по возмущению — один их принципов авто­матического управления (регулирования). Возмущающих воздей­ствий, вызываемых различными причинами, может быть несколь­ко. Обычно принимают во внимание только основное возмущаю­щее воздействие, которое оказывает наибольшее влияние на работу системы. Компенсация всех возмущающих воздействий затруднительна, поэтому второстепенными возмущающими воз­действиями пренебрегают. Это является в ряде случаев существенным недостатком принципа управления по возмущению; суммарное влияние второстепенных возмущений на управляемую величину может оказаться значительным.
Принцип управления по отклонению — другой важный принцип автоматического управления. Он предполагает, что управляющее воздействие в автоматической системе вырабатывается с учетом информации об отклонении управляемой величины от заданного значения. При этом необходимо измерить значение управляемой величины, сравнить его с требуемым и определить отклонение, а затем осуществить управление. Принцип управления по отклоне­нию универсален. Он характерен не только для технических, но и для биологических систем. Принцип управления по отклоне­нию имеет серьезный недостаток, связанный с запаздыванием прохождения управляющего воздействия. При использовании это­го принципа нельзя добиться высокой точности регулирования.
Характерная черта автоматических систем, использующих принцип управления по отклонению, — наличие обратной связи. Обратная связь — связь, соединяющая выход системы (элемента системы) со входом. По обратной связи информация с выхода пе­редается на вход системы.
Систему автоматического управления с обратной связью назы­вают замкнутой, систему без обратной связи — разомкну­той.
Обратная связь в системе автоматического управления (регули­рования) может быть положительной и отрицательной.
При положительной обратной связи отклонение регулируемого параметра от заданного в сторону увеличения (уменьшения) зас­тавляет регулятор выдать сигнал, направленный на увеличение (уменьшение) этого параметра.
При отрицательной обратной связи отклонение регулируемого параметра от заданного в сторону уменьшения (увеличения) зас­тавляет регулятор выдать сигнал, направленный на увеличение (уменьшение) этого параметра. Наибольшее распространение в системах автоматического управления имеет отрицательная обрат­ная связь. Обратные связи в автоматических системах повышают качество управления.
Принцип комбинированного управления — наиболее совершен­ный принцип автоматического управления, сочетающий в себе достоинства принципов управления по отклонению и возмуще­нию. Этот принцип используют при построении систем высокой точности, достигаемой за счет одновременного управления по от­клонению и возмущению. Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется уп­равлением по отклонению.
Виды автоматических систем. В зависимости от реализуемого закона управления автоматические системы делят на стабилизиру­ющие, программные, следящие и самоприспосабливающиеся.
Стабилизирующие системы поддерживают управляемую вели­чину на заданном уровне с требуемой точностью. Примерами та­ких систем служат системы поддержания уровня воды в водона­порных башнях водокачек, в водогрейных и паровых котлах, а также поддержание температуры и влажности воздуха в инкубато­рах, теплицах, парниках и др.
В программных системах управляемая величина регулируется во времени по заранее составленной программе, заданной специаль­ным программным устройством. Такой системой может быть сис­тема управления поворотом лотков в инкубаторах и система уп­равления освещением в птичниках.
В следящей системе заданное значение управляемой величины может изменяться в широких пределах по произвольному закону, обусловленному каким-либо внешним явлением, влиять на ход которого не представляется возможным, но учитывать его нужно. Поэтому такие системы предназначены для изменения управляе­мой величины по закону заранее неизвестной функции времени, определяемой задающим воздействием. Примером следящей сис­темы может служить система автоматического вождения трактора при работе с почвообрабатывающей машиной в зависимости от изменения направления ранее проложенной борозды, за которой следит копир.
Самоприспосабливающаяся система действует не только в соот­ветствии с заданным законом функционирования, но и в зависи­мости от конкретных условий самостоятельно изменяет свою ра­боту с целью достижения оптимальною режима.
В зависимости от характера управления во времени системы автоматического управления делят на системы непрерывного, прерывистого и релейного действия.
В системе непрерывного (пропорционального) управления сигнал на ее выходе представляет собой непрерывную функцию времени и пропорционален воздействующей величине Х на ее входе.
Система прерывистого управления имеет на выходе группу пос­ледовательных импульсов, параметры которых (амплитуда, дли­тельность, частота) определенным образом связаны с входной ве­личиной X.
Система релейного действия характеризуется появлением на ее выходе нескольких импульсов определенных значений в зависи­мости от входной величины X.
Способы управления. Распространены двухпозиционные и трехпозиционные способы управления. При двухпозиционном управле­нии регулятор занимает одно из двух устойчивых состояний: «больше» и «меньше». При трехпозиционном управлении регулятор может находиться в одном из трех устойчивых состояний: «боль­ше», «норма» и «меньше». Качество управления при использова­нии трехпозиционных регуляторов значительно выше, чем при использовании двухпозиционных.

17.5. Элементы автоматических систем

Любая автоматическая система состоит из отдельных, связан­ных между собой элементов. Элемент автоматики — часть системы, в которой происходят качественные или количественные преобра­зования физических величин, а также передача преобразованного воздействия от предыдущего элемента к последующему. В системах автоматики применяют различные элементы управления: датчи­ки, усилители, исполнительные механизмы, элементы настройки, командоконтроллеры, измерительные приборы и аппаратуру за­щиты.
Датчики. Автоматизация различных технологических процес­сов и операций возможна только при наличии необходимой ин­формации о значениях величин, характеризующих протекание этих процессов и операций. Для этого используют разнообраз­ные электрические и неэлектрические датчики (измерительные преобразователи), которые преобразуют параметры технологи­ческих режимов и операций в электрический сигнал и передают информацию к следующим элемен­там системы.
Усилители. В системах автомати­ческого управления для усиления сигналов, поступающих от датчи­ков, служат различного типа усилители.
Электромеханический усилитель — реле — наиболее простой по конст­рукции и принципу действия. Он (рис. 17.3) состоит из сердечника 1, контактов 4 и 5, противодействую­щей пружины 2.

Рис. 17.3. Электромагнитное реле

Когда по катушке протекает электрический ток, сер­дечник намагничивается и притяги­вает к себе якорь 3. Происходит со­единение замыкающих контактов 5 и разъединение размыкающих 4. При прекращении прохождения тока че­рез катушку реле якорь под действи­ем пружины отпускается, замыкаю­щие контакты 5 разъединяются, а размыкающие 4 соединяются. Уси­лительное действие реле состоит в том, что сила тока на выходе его (че­рез контакты) в десятки и сотни раз больше тока на входе (через катушку). Реле также используют для разделения электрических цепей и одновременного управления несколькими электрическими цепями.
Герконовые реле имеют герметизированные контакты — герконы (рис. 17.4), которые представляют собой устройство, выпол­ненное в виде запаянной стеклянной трубки 2 диаметром в не­сколько миллиметров. Внутри трубки расположены контактные пластины 1, изготовленные из ферромагнитного материала и при­паянные к выводам 3. Внутри трубки находится инертный газ или создан вакуум. Контакты геркона покрывают платиной, золотом, серебром или их сплавами. Герметизация контактов геркона зна­чительно повышает их надежность, износоустойчивость и срок службы. Управление контактами (их замыкание и размыкание) осуществляется с помощью магнитного поля, поэтому герконы называют еще и магнитоуправляемыми контактами. Управляющее магнитное поле создается постоянным магнитом или электромаг­нитом, расположенным снаружи геркона.

Рис. 17.4. Герметизированный контакт

По сравнению с обычными электромагнитными реле герконы более быстродействующие устройства, их время срабатывания со­ставляет 0,5...2 мс. Сила тока геркона допустима до 5 А.
Полупроводниковые усилители. В системах автоматического уп­равления широко используют полупроводниковые (транзистор­ные) усилители.
В полупроводниковых усилителях используют полупроводни­ковые триоды—транзисторы, которые представляют собой трехслойную структуру, состоящую из пластинки монокристалли­ческого полупроводника (база) и вплавленных в нее с обеих сто­рон металлических электродов (коллектор и эмиттер).
Полупроводниковые усилители по способу включения полу­проводниковых триодов делят на три основных типа: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором (рис. 17.5).

Рис. 17.5. Схемы транзисторных усилителей

Усилители, собранные по схеме с общим эмиттером (рис. 17.5, а), позволяют получить высокий коэффициент усиления по мощности и току (порядка 104) и обладают сравнительно боль­шим входным сопротивлением. Напряжение на выходе такого уси­лителя находится в противофазе относительно напряжения на входе.
Усилители, собранные по схеме с общей базой (рис. 17.5, б), имеют малое входное сопротивление и большое выходное. Усиле­ние по току такого усилителя меньше единицы, а но напряжению достигает нескольких сотен. Выходное напряжение находится в фазе с входным.
Схема с общим коллектором (рис. 17.5, в) имеет боль­шое входное сопротивление и малое выходное. Коэффициент уси­ления по току этой схемы равен 19—50, а по напряжению меньше единицы. Выходное напряжение по фазе совпадает с входным.
Обычно полупроводниковые усилители собирают из несколь­ких каскадов, имеющих между собой емкостную, индуктивную (трансформаторную) или непосредственную связь.
Тиристорные схемы управления. В цепях управления и силовых цепях систем автоматики все шире применяют бесконтактные элементы, обеспечивающие повышенную надежность. К числу та­ких элементов отнесены тиристоры.
Тиристор — управляемый полупроводниковый вентиль, представляющий собой четырехслойный полупроводниковый прибор. Тиристор имеет анод, катод и управляющий электрод. Когда на анод подан положительный потенциал относительно ка­тода и в управляющей цепи отсутствует ток, сила тока, протекаю­щего через тиристор мала. Это соответствует запертому состоянию тиристора. Тиристор открывается при подаче на управляющий электрод положительного потенциала по отношению к катоду. Сила тока управления составляет несколько десятков миллиам­пер, а сила тока, протекающего через тиристор, достигает не­скольких сотен ампер. Коэффициент усиления по току достигает тысячи, а коэффициент усиления по мощности еще больше.
Тиристоры — быстродействующие приборы, продолжитель­ность их переключения составляет десятки микросекунд.
Исполнительный механизм в автоматике — устройство, воздей­ствующее при помощи регулирующего органа на объект управле­ния путем изменения потока энергии и материала, поступающих на объект.
Исполнительный механизм в общем виде состоит из привода, регулирующего органа, конечных выключателей, элементов уп­равления, сигнализации, кинематических и электрических связей между ними. К исполнительным механизмам можно отнести ша­говые искатели, контакторы, магнитные пускатели и т.п., кото­рые автоматически включают и отключают объекты управления.
В отдельных установках в качестве исполнительных механиз­мов выступают нагревательные и вентиляционные, увлажнительные и осушительные, электротехнологические и другие устрой­ства, при помощи которых осуществляется непосредственное уп­равление заданными параметрами объектов автоматизации. В ис­полнительных механизмах используют электрическую энергию, энергию движения струи жидкости или сжатого воздуха и их дав­ление, потенциальную энергию поднятого груза или сжатой пру­жины, энергию взрыва и др.
Из всех типов исполнительных механизмов наибольшее рас­пространение в автоматике получили электрические, гид­равлические и пневматические. Они преобразуют элек­трическую энергию, энергию давления жидкости или сжатого воздуха в механическое перемещение регулирующих органов — сервоприводов.
Регулирующими органами могут быть различного рода дроссе­ли, заслонки, вентили, реостаты, шиберы, задвижки, клапаны, краны, золотники, форсунки, дозаторы, питатели, направляющие аппараты, способные изменять количество рабочего вещества, по­даваемого на объект.
Электрические исполнительные устройства — исполнительные устройства, преобразующие энергию электрического тока в меха­ническую энергию с целью воздействия на объект управления или его органы.
Электрические исполнительные устройства делят на электро­магнитные и электродвигательные.
Электромагнитные исполнительные устройства — совокуп­ность электромагнита и механической нагрузки (заслонки, зад­вижки, клапаны, вентили).
К электромагнитным относят реле, контакторы, электромагни­ты, вентили, клапаны, электромагнитные муфты; к электродвига­тельным — двигатели постоянного тока, переменного тока и ша­говые.
В зависимости от типа регулирующего органа различают однооборотные, многооборотные, шаговые и постоянно вращающиеся электродвигательные исполнительные механизмы.
Однооборотные исполнительные механизмы с углом по­ворота выходного вала 120...270° применяют обычно в приводе таких регулирующих органов, как заслонки, краны, шиберы и т.п.
Многооборотные исполнительные механизмы использу­ют для перемещения регулирующих органов в форме запорных вентилей, дросселей и задвижек. Выходной вал у них может вра­щаться с большой частотой и одновременно поступательно пере­мещать регулирующие органы.
Шаговые исполнительные механизмы применяют для пре­образования импульсных сигналов управления в фиксированный угол поворота, т. е. на каждый импульс механизм делает строго за­данный угловой шаг.
У постоянно вращающихся исполнительных механизмов вра­щающий момент от вала электродвигателя к регулирующему орга­ну передается обычно через электромагнитные муфты. Частоту вращения выходного вала муфты регулируют, изменяя ток воз­буждения муфты.
Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы применяют в тех случаях, когда отсутствуют источники электро­энергии, например на мобильных машинах, или требуется увели­чение усилия, воздействующего на регулирующий орган, и умень­шение инерционности системы автоматики. Они имеют ряд пре­имуществ по сравнению с электрическими исполнительными механизмами: широкий диапазон плавного изменения частоты вращения, непосредственное (без промежуточных редукторов) преобразование энергии потока жидкости или воздуха в механи­ческую энергию возвратно-поступательного и вращательного дви­жения, простую конструкцию и небольшую стоимость, сочетание значительной выходной мощности с малыми габаритами и инер­ционностью.
Вместе с тем рассматриваемым исполнительным устройствам присущи и весьма существенные недостатки: потребность в гид­равлических и пневматических источниках питания, необходи­мость обеспечения герметичности системы, зависимость характе­ристик от температуры окружающей среды и сравнительно слож­ное выполнение дистанционного управления.
Давление жидкости или газа в гидравлических или пневмати­ческих системах создают при помощи насосов, компрессоров, гидро-и пневмоаккумуляторов.
Практическое применение получили гидравлические исполни­тельные механизмы с возвратно-поступательным (поршневые и мембранные) и вращательным движением (лопастные и кривошипно-шатунные). Они состоят из двух основных элементов: управляющего и исполнительного. В зависимости от вида управляющего устройства различают гидравлические испол­нительные механизмы золотникового и струйного управления.
Основные параметры исполнительных механизмов систем авто­матического управления:
номинальные и максимальные значения мощности или произ­водительности, вращающего момента на выходном валу или уси­лия на выходном штоке;
зона нечувствительности, в пределах которой изменение управ­ляющего сигнала не вызывает срабатывания исполнительного ме­ханизма;
постоянная времени, характеризующая инерционное запазды­вание начала работы исполнительного механизма после подачи на его вход управляющего сигнала;
время и угол поворота выходного вала исполнительного меха­низма.
По указанным параметрам, а также но диапазону регулирова­ния частоты вращения, коэффициенту усиления и максимальной частоте вращения выходного вала, по надежности действия и КПД исполнительные механизмы сравнивают между собой.
Наиболее широким диапазоном мощностей (0,01...1 кВт) и са­мой большой частотой вращения вала (до 20 тыс. мин-1) обладают электрические исполнительные механизмы. В то же время у них узкий диапазон регулирования частоты вращения (не более 1 : 20) и относительно небольшая надежность, особенно у исполнитель­ных механизмов с двигателями постоянного тока. На порядок выше диапазон регулирования частот вращения и надежность пневматических и в особенности гидравлических исполнительных механизмов. Выходная мощность этих исполнительных механиз­мов составляет примерно 0,1... 1000 кВт.
Электрическим исполнительным механизмам присущи уни­версальность, простое соединение с регулятором и объектом уп­равления и другие преимущества, которые определяют их широ­кое использование в системах автоматики.

7.6. Простые схемы автоматического управления

Управление температурой воздуха в помещении. В качестве простых схем автоматического управления рассмотрим дне схемы автоматического управления температурой воздуха в помещении. На рисунке .17.6, а представлена схема автоматичес­кого управления температурой воздуха в помещении с помощью вентилятора. Схема состоит из ртутного контактно­го термометра SK, электромагнитного реле КV, имеющего замыкающие кон­такты, и электродвигателя М, враща­ющего вентилятор.

Рис. 17.6. Принципиальные схе­мы автоматического регулиро­вания температуры воздуха и по­мещении:
а – с помощью вентилятора; б – с помощью нагревательного прибора

Предварительно на контактном термометре с помощью магнитно-по­воротного устройства устанавливает­ся нужное значение температуры воз­духа. При повышении температуры воздуха в помещении до заданного уровня происходит соединение ртут­ным столбиком обоих контактов внутри термометра. Электрический ток начинает протекать через катуш­ку электромагнитного реле. В резуль­тате этого сердечник реле намагничи­вается и притягивает к себе якорь, который вызывает замыкание контактов реле. При замыкании кон­тактов реле электрический ток начинает проходить через обмотку электродвигателя М, который приводит во вращение вентилятор.
Вентилятор, установленный в специальном проеме окна или стены, подает холодный или удаляет теплый воздух из помеще­ния. Температура воздуха в помещении постепенно снижается. Это снижение фиксируется термометром. Когда температура дос­тигает заданной, электрическая цепь внутри термометра разрыва­ется, катушка реле обесточивается. Якорь реле под действием пру­жины удаляется от сердечника, и контакты реле размыкаются. При этом ток перестает протекать через обмотку электродвигателя М. Вентилятор останавливается. Если температура воздуха в поме­щении снова повышается, то процесс включения вентилятора по­вторяется в прежней последовательности.
Схема рисунка 17.6, б имеет также две цепи, присоединенные к источнику тока, но управление производится работой электричес­кого нагревательного прибора ЕК. Когда температура воздуха в по­мещении ниже заданной, цепь внутри контактного термометра ра­зомкнута, термометр показывает пониженную температуру. При этом ток через катушку реле КV не проходит, а размыкающие кон­такты реле замкнуты и через них к нагревательному прибору ток проходит. В результате работы нагревательного прибора в помеще­нии температура воздуха постепенно повышается. При достижении температуры воздуха заданного значения контакты внутри термо­метра замыкаются. Благодаря этому через обмотку реле начинает протекать ток. Оно срабатывает и отключает нагревательный при­бор. Если температура воздуха в помещении по каким-то причинам снова понизится, на это среагирует термометр. Ртутный столбик разорвет цепь питания обмотки реле, размыкающие контакты ко­торою замкнутся и включат нагревательный прибор. Процесс включения и отключения нагревательного прибора повторится.
Следует иметь в виду, что приведенные схемы демонстрируют принципы автоматического управления (регулирования) темпера­турой воздуха. В представленных схемах контактный термометр пропускает слабый ток, поэтому следует применять высокочув­ствительные реле, например поляризованные. Подобные схемы, применяемые в сушильных шкафах, инкубаторах и т.п., имеют специальные полупроводниковые усилители, усиливающие сиг­нал, поступающий от контактного термометра.
Управление осветительными установками. Для управления осве­тительными установками применяют фотореле. Оно реагирует на изменение светового потока, обеспечивает автоматическое уп­равление дополнительным освещением в птичниках и теплицах, а также уличным освещением. Использование фотореле обеспечи­вает экономию электроэнергии до 30 %.
На рисунке 17.7 приведена принципиальная схема фотореле ФР-1. В таком реле фоторезистор BL типа ФСК-1 включен последовательно с высокочувствитель­ным поляризованным реле KV1 типа РП-7 (усилительный эле­мент). Исполнительное реле KV2 типа РПНН управляет катушкой магнитного пускателя КМ. Изме­няя значение сопротивления резис­тора R2 в цепи катушки реле KVI, настраивают реле. Ограничиваю­щий резистор R1 предохраняет реле и фоторезистор от перегрузок.

17.7. Принципиальная схема фотореле

Фотореле работает следующим образом. В дневное время, когда естественное освещение достаточ­но интенсивно, сопротивление фоторезистора BL мало, ток в цепи катушки реле KV2 больше тока срабатывания и оно включено, реле KV2 отключено. В вечернее время сопротивление фоторезис­тора уменьшается до значения тока отключения реле. При этом происходит размыкание контак­тов KV1 и включение реле KV2, которое включает магнитный пус­катель КМ, управляющий осветительными установками. Выклю­чатель SA служит для управления осветительными установками вручную.

7.7. Микропроцессорные системы управления

Микропроцессорные системы используют при управлении сложными технологическими процессами, которые характери­зуются большим объемом перерабатываемой информации и не могут управляться автоматическим устройством без участия че­ловека. В этом случае функции управления распределяются между человеком-оператором и вычислительной машиной, спо­собной перерабатывать практически неограниченный объем информации.
Структурная схема микропроцессорной системы уп­равления на базе микро-ЭВМ показана на рисунке 17.8. Микро-ЭВМ— это комплектное устройство на базе микропроцессора, имеющее блоки памяти, ввода-вывода и сопряжения. При этом микропроцессор, выполненный на одной или нескольких боль­ших интегральных схемах, предназначен для исполнения логичес­ких и арифметических операций по специальной программе, хра­нящейся в памяти устройства. Микропроцессор приспособлен к работе в производственных условиях и имеет средства для обмена сигналами с объектами управле­ния (измерительные контролле­ры и интерфейсные блоки связи).

Рис. 17.8. Структурная схема микропро­цессорной системы управления с микро-ЭВМ:
1 — технологический объект управления; 2— измерительные преобразователи управляющих воздействий; 3 — измерительные преобразова­тели выходных параметров объекта управле­ния; 4— измерительные контроллеры; 5 —уп­равляющая микро-ЭВМ; б—интерфейсные блоки связи с объектом; 7— исполнительные механизмы; 8 — интерфейсные блоки связи с периферией; 9 —дисплей; 10— пульт оператора
Алгоритмы управления реа­лизованы в виде программ, хра­нящихся в памяти ЭВМ. Интер­фейсные блоки служат для связи ЭВМ с объектами управления (с исполнительными механизма­ми и регулирующими органами) и периферийным оборудованием (с пультом оператора, дисплеем). Пульт оператор использует для управления работой микро-ЭВМ, а дисплей — для представления ему информации о состоянии оборудования, контролируемых па­раметрах и других характеристиках автоматизированного процесса.
Сбор и преобразование в цифровую форму информации о ходе технологического процесса, поступающей от разного рода изме­рительных преобразователей, осуществляются измерительными контроллерами. В состав интерфейсных блоков связи и контрол­леров тоже могут входить микропроцессоры, выполняющие те операции по вводу-выводу и предварительной обработке инфор­мации, которые обычно выполняет центральный процессор.
При построении систем управления сложными объектами, имеющими ступенчатую (иерархическую) структуру, микропро­цессорную систему управления низкого уровня связывают с вы­шерасположенной также через интерфейсные блоки связи.
Микропроцессорные системы реализованы в системах: авто­матического управления расходом жидкости (САУ РЖ), автома­тического контроля и автоматического регулирования (САКАР), управления технологическими, энергетическими и эксплуатаци­онными режимами работы мобильных сельскохозяйственных аг­регатов (МСА) и др.
Полевые прицепные и самоходные опрыскиватели (подкормщики) оснащают устройствами автоматики, которые обеспечивают ре­гулирование количества жидких компонентов (удобрений, химичес­ких препаратов), вносимых на единицу обрабатываемой площади.
Автоматическое управление расходом жидкости осуществляет­ся следующим образом. На основании сигналов измерительного преобразователя расхода жидкости, поступающей к распыливающей штанге, и сигналов от датчика (измерительного преобразова­теля пройденного агрегатом пути) контроллер вычисляет удель­ный расход жидкости на единицу обработанной площади (л/м2). Если этот расход отличается от заданного, то контроллер форми­рует импульсный командный сигнал на электродвигательный ис­полнительный механизм, который за счет изменения проходного сечения дросселя увеличивает или уменьшает расход жидкости, возвращаемой в бак, а следовательно, уменьшает или увеличивает расход жидкости, направляемой к сопловым аппаратам распыливающей штанги. Длительность командного импульса пропорцио­нальна значению отклонения текущего значения удельного расхо­да от его заданного значения.
Система САУ РЖ имеет перепрограммируемый микропроцес­сорный контроллер, в состав которого входят программируемый таймер, микропроцессор, постоянное запоминающее устройство, панель индикации, контроллер и поле клавиатуры, блок питания.
Система САУ РЖ при рабочем диапазоне изменения давлений (0,02...0,06 МПа) жидкости на входе в распыливающую штангу и скорости движения агрегата 5... 12 км/ч обеспечивает точность поддержания заданной нормы внесения жидкости с погрешнос­тью +5 %. Диапазон регулирования дозы внесения жидких ком­понентов составляет 20...2000 л/га, а шаг изменения настройки — 1 л/га.
Микропроцессорный контроллер обеспечивает работу САУ РЖ в трех режимах: программирование, работа и диагностика. В ре­жиме программирования оператор с помощью клавиатуры может вводить технологические параметры агрегата (тип и число распы­лителей и др.) и задавать требуемую норму внесения. Вводимые данные и задание визуализируются на панели цифровой индика­ции, при этом автоматически проверяется выполнение стабилиза­ции заданной нормы внесения. Если в пределах допустимых изме­нений скоростей перемещения агрегата норму обеспечить нельзя, то на индикаторе высвечивается сообщение об ошибке.
В режиме работы контроллер в процессе движения агрегата поддерживает заданную норму внесения за счет изменения расхо­да жидкости через сопловые аппараты пропорционально скорос­ти. Кроме того, вычисляется ряд параметров, характеризующих фактическое протекание технологического процесса (текущее значение нормы внесения, рабочее давление распыла, скорость движения агрегата, размер обработанной площади).
Система САКАР предназначена в основном для корнеуборочных и кукурузоуборочных самоходных машин с гидростатической трансмиссией, а также для других МСА. Она обеспечивает выпол­нение функций систем автоматического контроля вождения, а са­моходных МСА путем соответствующих изменений их поступа­тельной скорости. СЛКАГ позволяет выполнять и ряд дополни­тельных функций управления — обеспечение диалогового режима с оператором и др. При возникновении аварийных ситуаций с ра­бочими органами, перегрузках дизельного или гидравлического двигателей, падении давления масла в системе смазки САКАР ав­томатически останавливает МСА.
В системе САКАР машины для уборки сахарной свеклы про­граммируемый контроллер содержит одноплатную микро-ЭВМ. Ее адаптеры внешнего интерфейса обеспечивают 64 канала связи с внешними устройствами. Микро-ЭВМ имеет кварцевый генератор тактовых сигналов и программируемый таймер для синтеза необ­ходимых системе управления временных интервалов наблюдения. САКАР осуществляет ввод, формирование и усиление импульс­ных сигналов от 13 индукционных датчиков частоты вращения. Десять из них формируют сигналы о частоте вращения валов ос­новных рабочих органов, остальные — о частоте вращения ходово­го колеса, ведомого вала клиноременной передачи, коленчатого вала двигателя.
Панель управления и индикации с соответствующими схемами формирования сигналов содержит клавиатуру и дисплей на жид­ких кристаллах, на котором могут инициализироваться сообще­ния в цифровой форме и в виде указательных надписей, пикто­грамм рабочих органов (в соответствии с символами, располо­женными на кнопках клавиатуры). Микроконтроллер может реа­лизовать различные программы по командам, вводимым с кла­виатуры.
Так, команда «Тест» запускает программу диагностики состо­яния рабочих органов и двигателя, при этом может осуществ­ляться цифровая индикация состояния их кинематического ре­жима. Частоты вращения рабочих органов, измеренные в режиме холостого хода, контроллер запоминает. В дальнейшем по этим значениям с учетом реальной частоты вращения вала двигателя контроллер формирует сигналы о нарушениях в работе фрикци­онных передач, степени загрузки, состояниях режимов рабочих органов и др. Команды «Пуск» и «Стоп» соответственно пускают и приостанавливают программу контроля рабочих органов и дви­гателя при выполнении технологических процессов. Команда «САВ» запускает программу коррекции системы автоматического вождения.
Команда «АРЗ» (автоматическое регулирование загрузки) за­пускает программу формирования сигнала уровня загрузки убо­рочной машины. Он формируется контроллером на основании информации о частотах вращения вала двигателя и отдельных ра­бочих органов. Этот сигнал передается в электронный блок и да­лее на управление пропорциональным электрогидравлическим сервомеханизмом, который изменяет скорость поступательного движения МСА при отклонении значения сигнала загрузки от за­данного. Таким образом осуществляется стабилизация технологи­ческой загрузки МСА.

17.8. Особенности автоматизации технологических процессов
в животноводстве

Автоматизация трудоемких процессов в животноводстве зна­чительно сокращает или полностью исключает применение руч­ного труда, обеспечивая при этом высокое качество выполняемых работ и функционирование механизмов в оптимальных эксплуа­тационных режимах.
В отличие от промышленности в животноводстве имеют дело не только с техникой, но и с живыми организмами, причем ма­шинная технология тесно переплетается и увязывается с биоло­гическими процессами. Поэтому к методам и средствам автомати­зации в животноводстве предъявляют специфические требования, обусловленные характерными особенностями этого вида произ­водства.
Общее число часов работы машин в животноводческом произ­водстве невелико, следовательно, средства автоматики должны быть относительно дешевыми, простыми по устройству и надеж­ными в эксплуатации. Непрерывность биологических процессов образования продукции и цикличность ее получения обусловли­вают невозможность увеличения ее выпуска за счет ускорения про­изводства. В этих условиях автоматика должна работать весьма на­дежно, поскольку такой процесс нельзя прервать и практически невозможно наверстать упущенное путем интенсификации по­следующего периода.
Условия работы средств автоматики в животноводстве чрезвы­чайно неблагоприятны (повышенная влажность, наличие агрес­сивных газов, вибрация и др.) и вероятность возникновения неис­правностей значительно выше, чем в ряде других отраслей. В пер­вую очередь это относится к первичным преобразователям (дат­чикам) и исполнительным органам автоматики, размещаемым непосредственно на установках. Остальные узлы автоматики мож­но располагать в отдельных помещениях или специальных шка­фах, исключающих воздействие неблагоприятных условий произ­водственных помещений.

17.9. Использование автоматизированных систем управления и
компьютерной техники в животноводстве и птицеводстве

В производстве животноводческой продукции можно выделить ряд типичных технологических процессов, характеризующихся довольно высоким уровнем механизации. Это доение коров (уро­вень механизации, %, составляет 96), подача воды (95), раздача кормов (68) и уборка навоза (66). Именно высокомеханизирован­ные процессы в первую очередь подлежат автоматизации. Важное значение имеет также обеспечение автоматизированного контро­ля физиологического состояния животных, их массы и продук­тивности с последующей компьютерной обработкой и системати­зацией полученных данных.
В промышленном птицеводстве применяются современные ма­шинные технологии на основе комплексного технологического оборудования для механизации и автоматизации инкубационного процесса, а также процессов кормления и поения птицы, сбора яиц, уборки помета и обеспечения микроклимата. Например, в состав комплекта автоматизированного оборудования птичника на 35 тыс. кур-несушек с клеточными батареями БКН-3 входят (кроме собственно батарей) оборудование для уборки помета, хранения и загрузки кормов, стационарный транспортер для внут­рихозяйственного сбора и доставки яиц, укладчик яиц и устрой­ство для управления длительностью светового дня в птичнике.
Параметры автоматизированных систем управления в живот­новодстве и птицеводстве регулируют с учетом зоотехнических норм, а также характеристик помещения и работающего в нем технологического оборудования.

Контрольные вопросы

1. Какое управление называют автоматическим?
2. Назовите основные элементы систем автоматического управления.
3. В чем заключаются функции чувствительных преобразователей?
4. Для чего служат усилители?
5. Какие существуют простые усилители?
6. Как устроено и работает электромагнитное реле?
7. Перечислите основные принципы автоматического управления.
8. Что представляют собой микропроцессорные системы управления?
9. Чем обусловлены специфические требования, предъявляемые к средствам автоматизации в животноводстве?
10. Какие технологические процессы целесообразно автоматизировать в животноводстве и птицеводстве?