Способ управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве и устройство для его осуществления

Способ управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к технологиям лучистого локального обогрева сельскохозяйственного молодняка и общего обогрева животноводческих и птицеводческих помещений, и может быть использовано в отраслях промышленного животноводства и птицеводства.

Известны способ экономичного взаимосвязанного общего обогрева животноводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных и устройство для его осуществления, предназначенные для автоматизации процесса поиска экономически наименее затратного режима общего обогрева помещения с требуемым по технологии выращивания локальным обогревом сельскохозяйственного молодняка на основе заданных удельных цен на тепловую и электрическую энергию на обогрев поголовья, на готовую продукцию животноводческого или птицеводческого предприятия /Патент РФ №2229155, G05D 23/19, А01К 29/00, F24D 10/00. Способ и устройство экономичного общего обогрева животноводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных /А.В.Дубровин, В.Р.Краусп // БИ 2004, №14/.

Недостатком данного технического решения является необходимость отдельного от регулирования локального обогрева управления температурным режимом общего обогрева помещения, что существенно усложняет технические решения.

Причиной этого являются требования норм технологического проектирования (например, птицеводческих предприятий) по поддержанию температурного режима отдельно в зоне локального обогрева молодняка (под брудером) и отдельно в остальном помещении.

В настоящее время в сельскохозяйственное производство, в частности в птицеводство, активно внедряются достаточно известные в биоклиматологии человека лучистые системы обогрева помещений. На потолке помещения устанавливается низкотемпературная электрическая излучательная инфракрасная панель большой площади или высокотемпературные облучатели всей поверхности пола этого помещения. Таким образом, условия теплового комфорта определяются в основном режимом лучистого обогрева и от температурного фона помещения только по величине температуре воздушной среды практически не зависят. Применение в качестве энергоносителя для таких систем лучистого обогрева недорогого природного газа существенно снижает стоимость энергетических затрат на создание требуемого температурного режима именно для биологических объектов.

Производственные помещения сельскохозяйственного назначения характеризуются значительными габаритными размерами и их относительно невысокой теплозащитой, поэтому энергетические затраты и соответственно эксплуатационные расходы даже на весьма технологичный лучистый обогрев помещений и сельскохозяйственного молодняка, особенно в холодных климатических зонах страны, чрезвычайно велики.

Задачей изобретения является непрерывный в реальном времени автоматизированный поиск положения экономического баланса между минимизацией эксплуатационных энергетических затрат на технологию одновременно локального и общего лучистого инфракрасного обогрева и максимизацией прогнозируемой расчетной цены реализованной продукции, достижение в любой момент времени экономически оптимального и энергетически рационального совместного лучистого общего обогрева животноводческого или птицеводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных и птиц, непрерывное во времени получение наивысшего значения экономического критерия прироста прибыли в результате усовершенствования автоматизированного управления обогревательной технологией лучистого инфракрасного обогрева биологических объектов в помещении.

В результате использования изобретения устанавливается такое значение ощущаемой биологическим объектом температуры помещения (или значение интегрального теплового потока на уровне расположения животных или птицы), при котором обеспечивается наивысший на данный момент времени прирост прибыли от действия лучистого обогрева сельскохозяйственного молодняка и производственного помещения.

Вышеуказанный технический результат достигается способом, включающим в себя измерение и задание величины ощущаемой животными и птицей температуры в зонах локального обогрева (или величины интегрального теплового потока на уровне расположения животных или птицы), сравнение измеренной и заданной величин, регулирование режима локального обогрева по результату сравнения, измерение величин температур и относительных влажностей внутреннего воздуха в помещении и наружного воздуха, формирование сигнала величины ощущаемой температуры помещения, периодическое изменение сигнала сформированной величины ощущаемой температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, причем в зависимости от значения изменяемого сигнала сформированной величины ощущаемой температуры помещения вычисляют стоимость затрат энергии на лучистый локальный и общий обогрев и стоимость продукции из данной партии животных или птицы, при этом потери тепловой энергии помещением вычисляют в зависимости от измеренной величины температуры внутреннего воздуха в помещении, затем вычисляют две разности между последней и первой указанными стоимостями в качестве двух значений прибыли в режиме наивысшей продуктивности поголовья при нормативном значении ощущаемой температуры и наибольшее значение этой разности при экономически оптимальном режиме в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим заданными значениями сигнала сформированной величины ощущаемой температуры помещения при ее экономически оптимальном значении, вычитают из второй разности стоимостей первую и получают третью разность стоимостей между двумя первыми в виде прироста прибыли, после чего определяют наибольшее значение последней разности стоимостей в виде численного значения критерия прироста прибыли и соответствующий ей сигнал сформированной величины ощущаемой температуры помещения, сравнивают соответствующий последней наибольшей разности стоимостей сигнал сформированной величины ощущаемой температуры помещения с измеренной величиной ощущаемой температуры помещения и по результату сравнения корректируют режим лучистого локального обогрева сельскохозяйственного молодняка и общего обогрева животноводческого или птицеводческого помещения.

Технический результат достигается также тем, что в устройство управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве, содержащее датчик ощущаемой температуры в зоне локального обогрева, датчики температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в помещении, датчики относительной влажности наружного и внутреннего воздуха, вычислительный блок, блок управления, регулятор температуры локального обогрева, локальные обогреватели, причем выход датчика ощущаемой температуры в зоне обогрева соединен с первым входом вычислительного блока и с управляющим первым входом регулятора температуры локального обогрева, выход которого соединен с локальными обогревателями, причем выходы датчиков температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в помещении подключены соответственно ко второму и к третьему входам вычислительного блока, выходы датчиков относительной влажности наружного и внутреннего воздуха соединены соответственно с четвертым и с пятым входами вычислительного блока, своим выходом связанного с входом блока управления, дополнительно блок задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант, выходы блока задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, значения сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант подключены к соответствующим дополнительным входам вычислительного блока, выход блока управления соединен с задающим вторым входом регулятора температуры локального обогрева.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примером. Задача оптимизации микроклимата помещения для выращивания бройлеров в клеточных батареях с учетом расхода энергии на отопление птичника для достижения максимума функционала непрерывно изменяющейся во времени разности стоимостей продукции и тепловой энергии при управлении микроклиматом по условию наивысшей продуктивности поголовья решена (Грабауров В.А., Савченко Е.И., 1986, и др.). Промышленный птичник рассматривается как биотехническая система, состоящая из взаимосвязанных и взаимозависимых объектов - биологического (птица) и технического (помещение и оборудование).

Эффективность и ресурсосбережение чрезвычайно энергозатратных в настоящее время в бройлерном птицеводстве технологии лучистого локального и общего обогрева можно существенно повысить путем автоматизации процесса поиска оптимального значения выбранного экономического критерия. Например, прибыль П^авт новой автоматизированной системы:

где П^авт - годовая прибыль предприятия или технологии, руб./год; Ц_р ^макс - рыночная цена реализованной за год продукции в действующей системе обогрева по условию получения наивысшей продуктивности поголовья, руб./год; С - годовые издержки производства, руб./год; ΔП - увеличение прибыли, руб./год, из-за экономии издержек в результате экономически обоснованного снижения затрат на энергию в обсуждаемой технологии ΔС, руб./год, при неизбежно возникающих при предлагаемом методе экономической оптимизации расчетных потерях продуктивности ΔЦ, руб./год.

Остальные составляющие эксплуатационных затрат - на освещение, трудозатраты персонала и т.п. - от t_оп при локальном обогреве зависят слабо или вообще не зависят. Составляющие (1) вычисляются по достаточно известным и модифицированным зависимостям, включающим в себя удельные цены на электрическую энергию и энергию природного газа в данном регионе страны удельную отпускную цену мяса бройлеров на конкретной птицефабрике, параметры наружного климата t_н и ϕ_н - температуру и относительную влажность наружного воздуха, теплоизоляционные характеристики конструкции помещения для поголовья S_{огр i}, R_{o огр i}, G_инф - площадей ограждающих конструкций, их сопротивлений теплопередаче и удельный объем инфильтрующегося через притворы в помещение воздуха, параметры внутреннего микроклимата t_оп, t_в, ϕ_вн - ощущаемую цыплятами температуру в зонах обогрева, температуру и относительную влажность внутреннего воздуха в помещении, характеристики оборудования для лучистого локального обогрева Q_л ¹(t_оп ^з) - статическую характеристику передачи локального обогревателя.

Все эти составляющие эксплуатационных затрат определены в прототипе /Патент РФ №2229155, G05D 23/19, А01К 29/00, F24D 10/00. Способ и устройство экономичного общего обогрева животноводческого помещения и локального обогрева сельскохозяйственных животных /А.В.Дубровин, В.Р.Краусп // БИ 2004, №14/.

Способ осуществляется следующим образом. Например, в сильный мороз обычная система лучистого электрического или газового обогрева просто поддерживает нормативный технологический режим обогрева поголовья наивысшей продуктивности. Расход электроэнергии или природного газа совершенно не контролируется и из-за большой лучистой теплоотдачи датчика ощущаемой температуры (или датчика, интегрального теплового потока на уровне расположения животных или птицы) к холодным ограждающим конструкциям и большой суммарной теплоотдачи помещения здания в целом может достигнуть таких значений, что разница между наивысшей ценой реализованной продукции и очень высокой стоимостью израсходованных энергоносителей С^макс окажется совсем малой. Это означает, что прибыль в данном (старом) варианте управления по критерию максимальной продуктивности поголовья П_с получена небольшая:

Заявляемое вместе со способом экономически оптимального (экономически наилучшего) управления устройство автоматически выбирает такой режим расхода энергоносителя, при котором указанная экономически оптимальная разность Ц_р ^опт-С^опт всегда имеет наибольшее значение. Таким образом, при любых внешних условиях прибыль в новом варианте управления по критерию максимума прибыли П_опт всегда максимальна:

Вычитая из второго значения разности ее первое значение, получаем прирост прибыли ΔП, образовавшийся в результате оптимального (наилучшего) автоматизированного управления лучистым обогревом помещения с молодняком.

П_опт-П_с=ΔП=Ц_р ^опт+С^опт-Ц_р ^макс-С^макс=ΔЦ+ΔС.

Прибыль увеличивается в результате экономически оптимального управления лучистым обогревом на величину ее прироста:

где экономия издержек, выигрыш в стоимости энергозатрат, полученный за счет частичного снижения продуктивности поголовья или за счет некоторого уменьшения цены реализованной в будущем продукции данной технологии в результате перехода от управления по критерию максимума продукции с любыми затратами при значении t_оп ^{макспродукт} режима наивысшей продуктивности к управлению по критерию максимума прироста прибыли при экономически оптимальном значении t_оп ^опт управляемого параметра.

На фиг.1 приведена схема устройства экономически оптимального управления лучистым обогревом производственного помещения и сельскохозяйственного молодняка. По результатам измерения и задания параметров климата, помещения, микроклимата, оборудования, поголовья вычислительный блок 7 формирует значение ΔП в диапазоне изменения t_оп ^з за цикл опроса Т_опр системой автоматизации рассматриваемой биотехнической системы. Блок управления 8 устанавливает на задающем входе регулятора общего обогрева 9 соответствующее режиму максимального прироста прибыли производства значение сформированной величины ощущаемой температуры t_оп ^опт.

Устройство для осуществления способа содержит датчик ощущаемой температуры помещения 1 в зоне локального обогрева, датчики температуры наружного воздуха 2 и внутреннего воздуха в помещении 3, датчики относительной влажности наружного 4 и внутреннего воздуха 5, вычислительный блок 6, блок управления 7, регулятор температуры локального обогрева 8, локальные обогреватели 9, причем выход датчика ощущаемой температуры 1 в зоне обогрева соединен с первым входом вычислительного блока 6 и с управляющим первым входом регулятора температуры локального обогрева 8, выход которого соединен с локальными обогревателями 9, причем выходы датчиков температуры наружного воздуха 2 и внутреннего воздуха в помещении 3 подключены соответственно ко второму и к третьему входам вычислительного блока 6, выходы датчиков относительной влажности наружного 4 и внутреннего 5 воздуха соединены соответственно с четвертым и с пятым входами вычислительного блока 6, своим выходом связанного с входом блока управления 7, при этом оно содержит блок задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант 10, выходы блока задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, значения сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант 10 подключены к соответствующим дополнительным входам вычислительного блока 6, выход блока управления 7 соединен с задающим вторым входом регулятора температуры, работающего следующим образом. Вычислительный блок 7 по данным измерений и формирования искусственной величины управляемого параметра теплоощущений поголовья рассчитывает целевую функцию оптимизации в выбранном диапазоне. Блок управления 8 находит экстремальное (максимальное) ее значение и соответствующее ему значение аргумента функции, то есть экономически оптимальное значение расчетного прироста прибыли, подает его в качестве задающего сигнала на задающий вход регулятора обогрева. Технология лучистого обогрева идет по экономически наилучшей траектории. Обеспечивается экономически наилучшее для обогревательной технологии и для предприятия в целом соотношение между получаемой продукцией птицеводства (животноводства) и расходуемым на обогрев поголовья (например, бройлеров в птицеводстве) энергоносителем любого вида.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3. На фиг.1 приведена общая схема устройства по способу. Показаны: 1 - датчик ощущаемой температуры помещения (или датчик интегрального теплового потока на уровне расположения цыплят); 2 - датчик температуры наружного воздуха; 3 - датчик температуры внутреннего воздуха птичника; 4 - датчик относительной влажности наружного воздуха; 5 - датчик относительной влажности внутреннего воздуха; 6 - вычислительный блок; 7 - блок управления; 8 - регулятор температуры локального обогрева; 9 - локальные обогреватели (электрические, газовые и т.п.); 10 - блок задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, задатчиков времени опроса, сигнала сформированной величины ощущаемой температуры, констант.

На фиг.2 приведена общая схема технологии и технологического оборудования лучистого обогрева цыплят и птичника. Показаны: 11 - теплозащитные ограждающие конструкции помещения (здания) птичника; 12 - утепленный пол (древесно-стружечная подстилка) птичника; 13 - приточная вентиляция; 14 - вытяжная вентиляция; 15 - поголовье птицы; 9 - лучистые обогреватели; 16 - энергетическая магистраль; 8 - регулятор температуры локального обогрева; 3 - датчик температуры внутреннего воздуха птичника; 5 - датчик относительной влажности внутреннего воздуха птичника; 1 - датчик ощущаемой температуры помещения в зоне обитания птицы (или датчик интегрального теплового потока на уровне расположения цыплят).

На фиг.3 дана иллюстрация оценки технико-экономической эффективности обогревательной технологии по критерию прироста прибыли в результате суммирования стоимостей затрат энергоносителя и прогнозируемых потерь продукций (с отрицательным знаком) в искусственно формируемом диапазоне изменения теплового режима по величине ощущаемой температуры помещения (или величины интегрального теплового потока на уровне расположения животных или птицы). Показаны: ΔП - прогнозируемый расчетный прирост прибыли в результате экономически оптимального управления лучистым обогревом данной партии цыплят и данного птичника; t_оп - ощущаемая температура помещения в зоне обитания цыплят (или интегральный тепловой поток на уровне расположения цыплят) в результате действия локальных обогревателей; t_оп ^опт - экономически оптимальное значение t_оп при соответствующих наружных метеоусловиях и данной теплозащите помещения здания птичника; t_оп ^{макспродукт} - биологически наилучшее значение для получения режима наивысшей продуктивности поголовья птицы данных породы, кросса и возраста.

Способ и устройство обеспечивают точную экономическую оптимизацию технологического режима лучистого обогрева помещения с молодняком, поскольку применяемые для управления математические соотношения и используемые в них измеряемые и формируемые сигналы и константы несут в себе точную и полную информацию об управляемом процессе.

1. Способ управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве, включающий в себя измерение и задание величины ощущаемой животными и птицей температуры в зонах локального обогрева или величины интегрального теплового потока на уровне расположения животных или птицы, сравнение измеренной и заданной величин, регулирование режима локального обогрева по результатам сравнения, изменение величин температур и относительных влажностей внутреннего воздуха в помещении и наружного воздуха, отличающийся тем, что формируют сигнал величины ощущаемой температуры помещения, периодически изменяют сигнал сформированной величины ощущаемой температуры помещения в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, причем в зависимости от значения изменяемого сигнала сформированной величины ощущаемой температуры помещения вычисляют стоимость затрат энергии на лучистый локальный и общий обогрев и стоимость продукции из данной партии животных или птицы, при этом потери тепловой энергии помещением вычисляют в зависимости от измеренной величины температуры внутреннего воздуха в помещении, затем вычисляют две разности между последней и первой указанными стоимостями в качестве двух значений прибыли в режиме наивысшей продуктивности поголовья при нормативном значении ощущаемой температуры и наибольшее значение этой разности при экономически оптимальном режиме в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим заданными значениями сигнала сформированной величины ощущаемой температуры помещения при ее экономически оптимальном значении, вычитают из второй разности стоимостей первую и получают третью разность стоимостей между двумя первыми в виде прироста прибыли, после чего определяют наибольшее значение последней разности стоимостей в виде численного значения критерия прироста прибыли и соответствующий ей сигнал сформированной величины ощущаемой температуры помещения, сравнивают соответствующий последней наибольшей разности стоимостей сигнал сформированной величины ощущаемой температуры помещения с измеренной величиной ощущаемой температуры помещения и по результату сравнения корректируют режим лучистого локального обогрева сельскохозяйственного молодняка и общего обогрева животноводческого или птицеводческого помещения.

2. Устройство управления экономичной обогревательной технологией в животноводстве и птицеводстве, содержащее датчик ощущаемой температуры в зоне локального обогрева, датчики температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в помещении, датчики относительной влажности наружного и внутреннего воздуха, вычислительный блок, блок управления, регулятор температуры локального обогрева, локальные обогреватели, причем выход датчика ощущаемой температуры в зоне обогрева соединен с первым входом вычислительного блока и с управляющим первым входом регулятора температуры локального обогрева, выход которого соединен с локальными обогревателями, причем выходы датчиков температуры наружного воздуха и внутреннего воздуха в помещении подключены соответственно ко второму и к третьему входам вычислительного блока, выходы датчиков относительной влажности наружного и внутреннего воздуха соединены соответственно с четвертым и с пятым входами вычислительного блока, своим выходом связанного с входом блока управления, отличающееся тем, что оно содержит блок задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант, выходы блока задатчиков возраста поголовья, технологически допустимых наименьшего и наибольшего значений ощущаемой температуры, времени опроса, значения сигнала сформированной величины ощущаемой температуры и констант подключены к соответствующим дополнительным входам вычислительного блока, выход блока управления соединен с задающим вторым входом регулятора температуры локального обогрева.