15.8.Автоматизация бытовых установок и оборудования фермерских хозяйств с применением микропроцессорной техники

Бытовые установки и фермерское оборудование предназначены для удовлетворения потребностей человека, улучшения условий труда, повышения культуры и комфортности его жизненной деятельности. В современных условиях уже трудно представить использование бытовой и фермерской техники без применения автоматических и микропроцессорных средств контроля, сигнализации, управления.

Классическим системам автоматизации, построенным на основе релейно-контактных схем, присущи «жесткие» логика функционирования и алгоритмы управления. Любые изменения последних (например, вследствие совершенствования оборудования, технологических операций) требуют выполнения значительного объема работ по изменению электрических схем, их монтажу, вводу новых элементов. Кроме того, используемая для этих целей элементная база, построенная на жесткой логике, характеризуется ограниченными функциональными возможностями, потребностью в существенных затратах квалифицированного труда на ремонт и обслуживание.

На смену релейно-контактным схемам управления бытовыми установками, оборудованием приходит микропроцессорная техника. Широкое применение автоматических СУ на основе такой техники обусловлено ее универсальностью, высокой надежностью,

быстродействием, возможностью оперативных корректировки и составления новых программ управления, диагностики неисправностей, компактностью исполнения, низким энергопотреблением, устойчивостью к возмущениям внешней среды, упрощением схемотехники, ремонта, обслуживания. Стоимость систем автоматизации на базе микропроцессорной техники существенно ниже стоимости систем, созданных на основе традиционных технических средств автоматизации.

Степень совершенства любых технических средств (систем), особенно малогабаритных бытовых и фермерских, определяется отношением количества выполняемых техническими средствами функций к общей стоимости этих средств. Такому требованию многофункциональности устройств при минимальной их стоимости в полной мере удовлетворяют различные установки и оборудование, выполненные на базе микропроцессорной техники.

Опыт разработки и внедрения автоматических СУ позволил осуществить сравнительный анализ (по данным Белорусского аграрного технического университета) затрат времени на построение систем, реализованных на релейно-контактной и микропроцессорной технике (см.табл.).

Затраты времени на построение автоматических су

Этапы создания автоматических СУ	Затраты времени, %, при использовании
	релейно-контактной элементной базы	микропроцессорной техники
Разработка концепции автоматических СУ и технических требований	18,7	11,7
Выбор комплекса технических средств и составление спецификации на комплектующие изделия	4	2,6
Разработка технической документации на СУ	18,7	—
Оформление заказа на спецификацию и его контроль	4	2,6
Монтаж аппаратуры	7,6	4,1
Прокладка питания и каналов связи	14,7	6,1
Проверка монтажа аппаратуры и каналов связи	7,6	4
Наладка и ввод в действие	8,1	6,1
Составление технической документации	5,5	—
Поддержание эксплуатационной надежности	11,1	—
Всего	100	37,2

Эта таблица отражает существенную экономию затрат на построение автоматической СУ на базе микропроцессорной (по сравнению с релейно-контактной) техники.

Основные причины широкого внедрения микропроцессоров:

возможность программирования последовательности и многообразия выполняемых функций, т. е. способность к работе по заданной программе (это основное отличие микропроцессора от классических элементов полупроводниковой «жесткой» логики);

использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющего существенно (по сравнению с аналоговым способом) повысить помехоустойчивость создаваемых на их базе устройств, а также обеспечить простоту передачи, преобразования информации и долговременное ее хранение;

применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода-вывода информации;

компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающие возможность расположения управляющих (контролирующих) устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости от управляемого оборудования;

низкая стоимость микропроцессорных средств и высокая степень их эффективности.

Универсальным устройством микропроцессорной техники, предназначенным для управления различными установками и оборудованием, служит микроконтроллер, представляющий собой аналог специализированного компьютера с развитым интерфейсом ввода-вывода электрических сигналов. Конструктивно микроконтроллер выполнен с учетом обеспечения надежной работы в сложных производственных условиях (влажность, пыль, загазованность, вибрации, электромагнитные помехи и др.). Устройство ввода-вывода микроконтроллера имеет развитый интерфейс ввода (входы электрических сигналов), что позволяет просто вводить информацию с различных датчиков, кнопок, контактов, реле и т.д. К тому же с помощью микроконтроллера легко включать-отключать различные исполнительные механизмы: реле, пускатели, клапаны, заслонки, электродвигатели, электронагреватели и т. д. Микроконтроллеры работают в реадьном времени, т. е. прием и передача управляющих сигналов происходят с быстродействием реального ОУ.

Таким образом, микроконтроллер представляет собой универсальное устройство управления, которое получает информацию о состоянии ОУ (в виде электрических сигналов от различных датчиков) и на основе специальной (прикладной) программы формирует электрические сигналы, которые посредством исполнительных механизмов целенаправленно воздействуют на ОУ.

Перечисленные преимущества микропроцессорной техники обусловили ее широкое применение в бытовых установках и фермерском оборудовании.

К бытовым установкам, приборам и устройствам можно отнести стиральные и швейные машины, холодильники, пылесосы, кухонные комбайны, сушилки, электронагревательные и хололиль-ные установки, микроволновые печи, средства радиоэлектронной аппаратуры, аудио-, видео- и вычислительную технику и др.

Типовая современная структура микропроцессорного устройства управления бытовой установкой включает в себя микропроцессор, пульт управления с клавиатурой и дисплеем, цифроанало-говый и аналогово-цифровой преобразователи, силовой преобразователь и привод исполнительного механизма.

Привод исполнительного механизма может быть выполнен в виде электромеханического преобразователя. В состав электропривода могут входить электрические асинхронные и синхронные машины, коллекторные машины постоянного и переменного тока, вентильные и шаговые машины. Например, в такой бытовой технике, как стиральные машины и холодильники, широко применяют асинхронные однофазные двигатели; в аудио- и видеотехнике—электроприводы с синхронными машинами, ротор которых возбуждается постоянным магнитом, а статор питается от инвертора; в вычислительной технике — электроприводы с шаговыми двигателями. В пылесосах, дрелях, швейных машинах часто используют универсальные коллекторные двигатели.

Благодаря интенсивному развитию микропроцессорной техники возрос интерес к вентильно-индукторному электроприводу, основой которого служит индукторный двигатель. Преимущества этого двигателя: конструктивная простота и технологичность изготовления, отсутствие коллектора (что существенно увеличивает срок службы двигателя и упрощает обслуживание), высокая надежность, широкий диапазон регулирования частоты вращения (от единиц до сотен герц), благоприятные механические характеристики (с большими моментами вращения при низких частотах вращения вала двигателя), низкая стоимость и др. Эти преимущества индукторных двигателей существенно расширяют область их применения, в частности в электроприводах современных бытовых установок самого различного назначения.

К электроприводам бытовой техники предъявляют следующие требования: электробезопасность работы (исключающая возможность поражения электрическим током пользователя), экологическая безопасность (исключающая вредные для здоровья человека различные излучения, шумы), высокая надежность (в течение гарантированного срока службы устройства), энергетическая экономичность, быстродействие, небольшие масса и габаритные размеры, низкая стоимость и др.

Помимо бытовой техники в фермерских хозяйствах применяют стационарную (доильные агрегаты, кормоприготовители и раздатчики кормов, насосные станции, устройства для послеуборочной обработки зерна, сепараторы и др.) и мобильную (садовая минитехника мини-тракторы с навесным оборудованием для возделывания и уборки урожая, мотокультиваторы и др.) технику.

Рассмотрим пример модернизации (замены релейно-контактной системы автоматики на микропроцессорную) стационарной установки для управления раздачей жидких кормов. Автоматическая СУ обеспечивает приготовление жидкого корма заданной влажности на двух линиях кормоприготовления и нормированную раздачу на двух линиях кормления.

Дозирование комбикорма происходит в порционном весовом дозаторе 4 (рис. 15.16), а объемное дозирование воды — с помощью электромагнитных расходомеров 2. Для дозирования жидкого корма служит электромагнитный расходомер 3. В качестве устройства управления использован серийный микроконтроллер общепромышленного применения, расположенный в шкафу управления 1. Микроконтроллер включает в себя 8 аналоговых входов, 48 дискретных входов и 48 дискретных выходов, четырехстрочный дисплей на 42 клавиши. СУ оснащена усовершенствованным диагностическим оборудованием, электронной защитой двигателей и насосов 5. Раздаточная тележка 6 перемещается вдоль трубопровода 7для кормосмеси. Предусмотрен вывод более 60 диагностических сообщений.

Микропроцессорная система обеспечивает оперативное изменение кормовых доз, контроль процесса кормления, учет расхода сухого и жидкого кормов. Разработанная система позволяет упорядочить кормление свиней, повысить эффективность и снизить издержки производства свинины.

Рис. 15.16. Технологическая схема микропроцессорной СУ раздачей жидкого корма:

1 — шкаф управления с микропроцессорным контроллером; 2 — электромагнитный расходомер воды; 3 — электромагнитный расходомер жидкого корма; 4 — весовой дозатор комбикорма, 5 — насос для подачи кормосмеси; 6 — раздаточная тележка; 7— трубопровод для кормосмеси

Устранение недостатков релейно-контактной СУ технологическим процессом откорма позволило на свинокомплексе достичь в год:

уменьшения потерь комбикорма за счет снижения непроизводительных затрат;

снижения расхода электроэнергии за счет сокращения времени использования электрооборудования (вследствие применения более эффективных алгоритмов работы);

повышения продуктивности животных на 5 % благодаря увеличению точности дозирования кормов и соблюдению зоотехнических норм кормления.

Реализация такой СУ позволила значительно улучшить выполнение агротребований по нормированному кормлению свиней, стабилизировать влажность корма, гибко изменять выдаваемые дозы корма, существенно уменьшить время кормораздачи, вести учет расхода кормов и значительно повысить надежность системы кормления.

Рассмотренный пример модернизации стационарной установки свидетельствует об эффективности внедрения автоматизированной СУ технологическим процессом кормления на основе использования современной элементной базы.

За рубежом в качестве мобильного фермерского оборудования стали выпускать садовую мини-технику с микропроцессорным управлением. Например, автоматическую мотокосилку, по заданной программе (без участия человека) скашивающую траву газонов и приусадебных участков.