Способ автоматического управления системой активного вентилирования металлических силосов большой емкости Российский патент 2023 года по МПК F26B25/22 

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов в сельском хозяйстве, в частности к автоматизации активного вентилирования зерна силосах. Может быть использовано при автоматизации процессов сушки и хранения зерновых культур, в металлических силосах большой емкости, оборудованных системой активного вентилирования.

Сегодня процесс активного вентилирования зерна является механизированном и автоматизированным, экономически обоснованным и применятся повсеместно. Это процесс будет тем экономически эффективнее, чем больший объем воздуха можно будет прокачать через зерновую массу при меньших затратах электроэнергии. Именно затраты на электроэнергию, используемую для питания установок активного вентилирования на сегодняшний день составляют большую часть всех затрат, связанных с хранением зерна в металлических силосах большой емкости.

Известны способы управления системами активного вентилирования с помощью микропроцессорных устройств (RU 2303213 C1, 20.07.2007. RU 2276763 C1, 20.05.2006. RU 2150642 C1, 10.06.2000. KR 2009011183 U, 02.11.2009.), в которых используются датчики температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха внутри силоса, однако, эти способы задействуют в качестве основного устройства сушки тепловой наос, которым силосы с системами активного вентилирования штатно не оснащаются. Также, управление при использовании вышеуказанных способов осуществляется микроконтроллером, с помощью программного кода, вычисляющем только одно значение коэффициента теплопередачи.

Наиболее близкой по способу мониторинга микроклимата внутри силоса (RU(11) 147725(13) U1, 05.03.2014), является система, включающая следующие составляющие: датчики-зонды, сочетающие в себе датчики влажности и температуры, которые передают информацию на устройство управление на базе микроконтроллера ATmega-8. Однако, в данном способе не учтен контроль давления воздуха, проходящего сквозь воздушную массу и не предусмотрен контроль скорости вентилятора, используемого системами активной вентиляции зерновых силосов.

Проблемой, на которую направлен предлагаемый способ автоматического управления, является снижение потребления электроэнергии системой активного вентилирования зерна при хранении в металлических силосах большой емкости за счет контроля времени работы вентилятора, используемого этой системой, который основан на считывании показателей температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха и давления воздуха как внутри силоса, так и в толще зерновой массы.

Техническим результатом разработки является повышение качества хранения зерна в силосах большой емкости, снабженных системой активного вентилирования, снижение энергозатрат на активное вентилирование, снижение степени износа вентилирующего оборудования.

Поставленная проблема и заявленный технический результат достигаются путем того, что предлагается следующий автоматизированного управления:

В качестве основы для технического устройства автоматического регулирования был выбрана управляющая плата на основе микроконтроллера ATmega2560, ввиду её достаточной производительности, наличия большого количества портов ввода-вывода, широкой распространённости, доступности и наличия развитой программной среды.

В качестве датчиков температуры и относительной влажности воздуха были выбраны комбинированные датчики типа DHT22. Данные датчики широко представлены на рынке и хорошо совместимы с микроконтроллерами ATmega2560. Эти датчики, согласно технической документации, способны измерять температуру в пределах от -40°C до +80°C, с погрешностью не более 0,50C а относительную влажность в пределах от 0% до 100% с погрешностью не более 1°C. Этих диапазонов измерения достаточно для применения в МСБЕ, поскольку рекомендованная температура хранения зерна находится в пределах 25°C-30°C.

Для измерения скорости движения воздуха через зерновую массу внутри силоса применен косвенный метод - скорость движения воздуха определяется через градиент температуры, для измерения которого применяются аналоговые датчики температуры типа NTC. Подобные датчики также легко совместимы с микроконтроллерами ATmega2560. Для датчиков типа NTC диапазон измерения находится в пределах от -24°C до +80°C, что удовлетворяет требованиям к хранению зерна в МСБЕ.

В качестве манометрического датчика, способного измерять перепад давления воздуха до и после прохождения им зерновой массы применяется датчик BMP280, который также может быть легко интегрирован в устройство на базе с микроконтроллера ATmega2560. Диапазон измерения этого датчика находится в пределах от 300 ГПа до 1100 ГПа, данного диапазон достаточно для проведения любых измерений, внутри МСБЕ, поскольку вентиляторы для промышленного вентилирования зерна создают добавочное к атмосферному давление не более 12 КПа.

Управление скоростью фильтрации реализовано через включение и выключение вентилятора в основании силоса, которое осуществляется микроконтроллером через реле типа KS2E-M-DC5 (6). Реле управляет внешней нагрузкой с помощью катушки индуктивности, на которую подается сигнал низкого напряжения с микроконтроллера, после чего происходит замыкание контактов высоковольтной нагрузки. Такое реле совместимо с системой на базе микроконтроллера ATmega2560 и может управлять любой внешней нагрузкой, в том числе подключенной к переменному току напряжением 220 В.

Все электронные компоненты устройства соединяются между собой в единую схему согласно технической документации на каждый компонент, внешняя нагрузка (7) в виде вентилятора силоса подключается на внешние контакты реле. Общая принципиальная схема устройства представлена на фиг. 1.

Для более точного отражения показателей микроклимата внутри силоса и для более точного управления вентиляционной установкой датчики разбиты на 3 группы: первая группа (2) находится в нижней части силоса, рядом с вентиляционной установкой, вторая группа (3) находится в центральной части силоса в середине зернового слоя, третья группа (4) находится в верхней части силоса, на зерновом слое. Датчик давления воздуха (5) находится в верхней части силоса, вне зернового слоя для более точного измерения разности давлений воздуха под и над зерновой массой.

Устройство управления (1) размещается в корпусе, защищающем его от воздействия окружающей среды и может располагается как на одной из опор силоса, так и на его корпусе, в зависимости от конструкции силоса и желания заказчика. Схема расположения устройства управления и датчиков представлена на фиг 2. Устройство применимо к уже построенным силосам, оснащенным системами активного вентилирования и не требует их существенной перестройки или модернизации.

Количество групп датчиков может быть увеличено при использовании устройства на силосах больших линейных размеров. Рекомендуется располагать датчики таким образом, чтобы расстояние между ними не превышало 0,5 метра. Также возможно расположение датчиков не только в зоне обечайки силоса, но и в осевой зоне, однако это потребует прокладки проводки через зерновой слой, что может быть затруднительно.

При размещении датчиков особое внимание стоит уделять их прямому контакту с зерновой массой, прочности проводки датчиков, отсутствию влияния на датчики окружающей среды, правильному подключению датчиков к плате. Проводка датчиков должна быть достаточного сечения и хорошо изолирована, однако следует учитывать, что микроконтроллеры семейства ATmega2560 оперируют напряжение не более 5 В, а, следовательно, в качестве проводки подойдет широкий круг кабелей, легко доступных на современном рынке.

Устройство управления может быть запитано от любого адаптера, способного выдавать постоянный ток напряжением 5 В, также возможно оснащение автономным источником питания, батареей или аккумулятором различной степени емкости. В таком случае устройство получит полную автономность от внешнего питания.

Для считывания данных с микроконтроллера, он должен быть подключен к персональному компьютеру, имеющему USB - разъем любого поколения, оснащенному ОС Windows с установленной на него программной средой Arduino IDE, распространяемой бесплатно.

Программный код, с помощью которого микроконтроллер управляет системой, написан на языке C++ и учитывает математическую модель тепломассообмена внутри силоса при активном вентилировании. Показатели температуры и влажности зерна, обеспечивающие максимальный срок хранения его в металлически силосах большой емкости представлены в таблице 1.

Таблица 1 Срок хранения, мес. Влажность зерна, % Температура зерна, °С 12 13,0-15,5 10 12 До 14,5 20 10-11 14,5-15,5 20

Программный код для управляющего микроконтроллера, автоматически обеспечивающий оптимальные показатели микроклимата внутри силоса, написанный на языке C++:

#include "DHT.h"

#define Rpin 3;

#define DHTTYPE DHT22  

DHT dht(DHTPIN1, DHTTYPE);

#define DHTPIN1 0

DHT dht(DHTPIN2, DHTTYPE);

#define DHTPIN2 1

DHT dht(DHTPIN3, DHTTYPE);

#define DHTPIN3 2

const float BETA = 3950;

int inputPin = 4;              

int pirState = LOW;            

int val = 0;  

void setup() {

    Serial.begin(9600);

  Serial.println(ftp("Proverka sistem"));

  dht.begin();

pinMode(Rpin, OUTPUT);

}

void loop() {

  val = digitalRead(inputPin);

   int analogValue1 = analogRead(A0);

   int analogValue2 = analogRead(A1);

   int analogValue3 = analogRead(A2);

  float celsius1 = 1 / (log(1 / (1023. / analogValue1 - 1)) / BETA + 1.0 / 298.15) - 273.15;

  delay(1500);

  float celsius2 = 1 / (log(1 / (1023. / analogValue2 - 1)) / BETA + 1.0 / 298.15) - 273.15;

  delay(1500);

  float celsius3 = 1 / (log(1 / (1023. / analogValue3 - 1)) / BETA + 1.0 / 298.15) - 273.15;

  delay(1500);

  float hum1 = dht.readHumidity1();

  float temp1 = dht.readTemperature1();

  float ftp1 = dht.readTemperature1(true);

  float hum2 = dht.readHumidity2();

  float temp2 = dht.readTemperature2();

  float ftp2 = dht.readTemperature2(true);

  float hum3 = dht.readHumidity3();

  float temp3 = dht.readTemperature3();

  float ftp3 = dht.readTemperature3(true);

  if (isnan(hum) || isnan(ttmp) || isnan(ftp)) {

    Serial.println(ftp("No data on sensors"));

    return;

  }

float hif = dht.computeHeatIndex1(ftp1, hum1);

float hic = dht.computeHeatIndex1(temp1, hum1, false);

float hif = dht.computeHeatIndex2(ftp2, hum2);

float hic = dht.computeHeatIndex2(temp2, hum2, false);

float hif = dht.computeHeatIndex3(ftp3, hum3);

float hic = dht.computeHeatIndex3(temp3, hum3, false);

  Serial.print(ftp1("Vlazhnost1: "));

  Serial.print(hum1);

  Serial.print(ftp1("%  Temperatura1: "));

  Serial.print(temp1);

  Serial.print(ftp1("°C "));

  Serial.print(ftp2("Vlazhnost2: "));

  Serial.print(hum2);

  Serial.print(ftp2("%  Temperatura2: "));

  Serial.print(temp2);

  Serial.print(ftp2("°C "));

  Serial.print(ftp3("Vlazhnost3: "));

  Serial.print(hum2);

  Serial.print(ftp2("%  Temperatura3: "));

  Serial.print(temp2);

  Serial.print(ftp3("°C "));

  if (temp1 >= 30&&hum1>=25) {            

  digitalWrite(Rpin, HIGH);

  Serial.println("Fan is on");

  } else {

  digitalWrite(Rpin, LOW); //

  Serial.println("Fan is off");

       }

       if (temp2 >= 35&&hum2>=30) {            

  digitalWrite(Rpin, HIGH);

  Serial.println("Fan is on");

  } else {

  digitalWrite(Rpin, LOW); //

  Serial.println("Fan is off");

       }

       if (temp3 >= 25&&hum3>=20) {            

  digitalWrite(relayPin, HIGH);

  Serial.println("Fan is on");

  } else {

  digitalWrite(Rpin, LOW); //

  Serial.println("Fan is off");

       }

delay(500);

}

Источники:

1. Разработать рекомендации по хранению, вентилированию, обеззараживанию зерна в силосах новых конструкций из сборного железобетона с конструктивной защитой диаметром 6 м и в металлическом исполнении 15,2; 18,2; 22,8 м. / Отчет (промежуточный) Кубанского филиала ВНИИЗ. Краснодар. - 1982. - С.13-28.

2. Жидко В. И., Резчиков В. А., Уколов В. С. Зерносушение и зерносушилки / В. И. Жидко, В. А. Резчиков, В. С. Уколов. - М.: Колос. 1982. - С. 71.

3. Зиборов Д. М., Кулаго А. Е., Мерзликин В. Г., Терентьев В. А., Тушканов Д. А. Вывод дифференциального уравнения для определения формы равновесного слоя на вращающемся цилиндре и его решение/ Д.М. Зиборов, А.Е. Кулаго, В.Г. Мерзликин, В.А. Терентьев, Д.А. Тушканов // Экономически эффективные и экологически чистые инновационные технологии. Сборник трудов второй международной научно-практической конференции. - 2016. - С. 249-257.

4. Новоселов С. В. Инструкция по активному вентилированию зерна и маслосемян (техника и технология) / С. В. Новоселов // ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР. - М, 1989. - С. 66.

5. Зиборов Д. М. Совершенствование мобильных предприятий питания / Зиборов Д.М. // Наука и бизнес: пути развития. - 2014. - № 9 (39) - С. 68-71.

6. Разработать рекомендации по хранению, вентилированию и обеззараживанию зерна в силосах новых конструкций из сборного железобетона с конструктивной защитой ∅6 м. и в металлическом исполнении ∅15,2; 18,0 и 22,8 м. / Отчет о НИР. ВНИИЗ. - М, 1983. - С. 20-35.

7. Клейн, Е. Э. Шишкина Д.И. Методы повторного использования пищевых отходов / Е. Э. Клейн, Д. И. Шишкина // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности: Сборник научных статей VII международной научной конференции. - 2021. - С. 70-72.

8. Разработать рекомендации по хранению, вентилированию и обеззараживанию зерна в силосах новых конструкций из сборного железобетона с конструктивной защитой и металлическом исполнении диаметром 15,2 и 22,8 м. / Отчет Казахского филиала ВНИИЗ. - Целиноград, 1982. - С. 10-42.

9. Титов Е.И., Соколов А.Ю., Литвинова Е.В., Шишкина Д.И. Влияние волокон пищевых на функционально-технологические свойства мясных систем / Е. И. Титов, А. Ю. Соколов, Е. В. Литвинова, Д. И. Шишкина // Все о мясе. - 2021. - № 4 - С. 30-36.

10. Алексеева Л. В., Кизатова М. Ж., Артамонова Э. Г. Применение метода планирования многофакторного эксперимента при постановке исследований по хранению зерна/ Л. В. Алексеева, М. Ж. Кизатова, Э. Г. Артамонова // Труды ВНИИЗ. - 1989. - Вып.111. - С. 144-153.

11. Кирнос, А. Е. Arduino - как средство автоматизация сельского хозяйства / А. Е. Кирнос // Вестник Кыргызстана. - 2018. - № 1(4) - С. 275-279.

11. Мачихина, Л. И., Алексеева Л. В., Закладной Г. А. Общий технологический регламент для элеваторов и хлебоприемных предприятий. / Мачихина, Л. И., Алексеева Л. В., Закладной Г. А. - М, 2005. - С.78.

12. Кечкин И. А. Особенности хранения зерна злаковых культур в металлических силосах и его охлаждения активным вентилированием / И. А. Кечкин // 131 Международная научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов отделения сельскохозяйственных наук российской академии наук. - 2016. - С. 131-134.

13. Кечкин И. А., Беляева М. А. Хранение зерна в металлических силосах с учетом критической скорости фильтрации/ И. А. Кечкин, М. А. Беляева // Материалы третьей международной научно-практической конференции. - 2020. - С. 374-384.

14. Кечкин И. А. Повышение эффективности процессов охлаждения зерна при активном вентилировании в металлических силосах большой ёмкости: диссертация ... кандидата технических наук: 05.18.12/ И.А. Кечкин //. - Москва, 2020. - 172 с.

15. Бобровский Е. А. Развитие спортивной инфраструктуры как фактор социально-экономического развития слабозаселенных территорий / Е. А. Бобровский // Электронный научный журнал. - 2018. - № 4 (37). - С. 8.

16. Škultéty, E. The Comparing of the Selected Temperature Sensors Compatible with the Arduino Platform / E. Škultéty, E. Pivarčiová, L. Karrach // Management Systems in Production Engineering. - 2018. - Vol. 26. - No 3. - P. 168-171.

17. Миненко А. В., Водясов П. В. Методы оценки эффективности модели совершенствования инфраструктуры развития АПК в форме территории опережающего социально-экономического развития / А. В. Миненко, П. В. Водясов // Экономика и бизнес: теория и практика. - 2019. - № 2. - С. 83-86.

Изобретение относится к автоматизации активного вентилирования зерна в силосах и может быть использовано при автоматизации процессов сушки и хранения зерновых культур, в металлических силосах большой емкости, оборудованных системой активного вентилирования. Способ включает размещение трех групп датчиков контроля температуры, влажности и скорости движения воздуха. Первую группу датчиков размещают в нижней части силоса, рядом с вентиляционной установкой. Вторую группу датчиков размещают в центральной части силоса в середине зернового слоя. Третью группу датчиков размещают в верхней части силоса, на зерновом слое, где также размещают устройство контроля давления воздуха. Данные датчиков поступают на управляющую плату контроллера, подающего сигналы на включение и выключение вентиляционной установки. Изобретение обеспечивает оптимизацию работы систем активного вентилирования зерна. 2 ил., 1 табл.

Способ автоматического контроля и управления системой активного вентилирования в металлических силосах для хранения зерна, включающий размещение трех групп датчиков контроля температуры, влажности и скорости движения воздуха, при этом первую группу датчиков размещают в нижней части силоса, рядом с вентиляционной установкой, вторую группу датчиков размещают в центральной части силоса в середине зернового слоя, третью группу датчиков размещают в верхней части силоса, на зерновом слое, где также размещают устройство контроля давления воздуха, данные датчиков поступают на управляющую плату контроллера, подающего сигналы на включение и выключение вентиляционной установки.