Автоматизация производства сельскохозяйственной продукции на современном этапе. 2

Министерство сельского хозяйства  Российской Федерации

Федеральное агентство по сельскому  хозяйству

Федеральное государственное образовательное  учреждение высшего  
профессионального образования

Иркутская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра информатики и математического моделирования

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: Автоматизация производства сельскохозяйственной продукции на современном этапе

                                     Выполнила:

                                               Студентка  5 курса

                                                               Экономического факультета

                                                           Специальность: 080801.65

                                                                         Червоняк В.Б

                                 Проверил:

                                                                       ст. преподаватель Асалханов П.Г.

Иркутск -2013

Содержание 

Введение

В сельском хозяйстве  автоматизация технологических  процессов начала развиваться только с 60-х годов прошлого века. Это  способствовали успехи в комплексной  механизации и электрификации сельхоз производства. Сначала автоматизация была только частичной, т. е. автоматизировали отдельные производственные процессы и установки. Со временем начали создавать системы комплексной автоматизации, с помощью которых автоматизировались не только основные, но и вспомогательные производственные процессы и операции. Возникли автоматизированные поточные линии, а также производственные объекты: птицефермы, животноводческие комплексы, кормоцехи, теплицы и тепличные комбинаты, зерноочистительные и зерноочистительно-сушильные пункты и т. п.

Следует выделить, что  цель автоматизации не ограничивается только снижением затрат труда и  повышения эффективности использования  техники. Она способствует созданию энерго и ресурсосберегающих технологий, а также повышению продуктивности животных и птицы, урожайности сельскохозяйственных культур. Большое значение имеет создание благоприятных, а иногда даже комфортных условий для работников, занятых в автоматизированном производстве.

Автоматизация технологических  процессов и в дальнейшем усовершенствуется. Научно-исследовательские и проектные организации работают над созданием принципиально новых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), в структуру которых вводятся компьютерные технологии.

Благодаря функционированию компьютерных технологий такие системы  управляют технологическими процессами в оптимальных режимах и дают возможность значительно уменьшить  затраты труда и одновременно увеличить количество, а улучшить качество продукции.

Содержанием предмета «автоматизация технологических процессов» является изучение основ строения систем автоматизации и освоение принципов действия конкретных схем и систем автоматизации процессов и установок в животноводстве, птицеводстве, тепличном хозяйстве и т. д. Поскольку

Сельское хозяйство  все больше оснащается электрическим  и технологическим оборудованием  с применением разных приспособлений и систем автоматизации, современный  специалист с техническим образованием должен быть обучен со строением разных систем АТП, которые применяются и предусмотрены для применения в аграрном производстве.

Цель курсовой работы рассмотреть автоматизацию производства сельскохозяйственной продукции на современном этапе.

Из цели вытекают следующие  задачи:

• рассмотреть теоретические основы автоматизации производства сельскохозяйственной продукции;
• рассмотреть технологии автоматизации производства сельскохозяйственной продукции;
• рассмотреть ГИС «Точный фермер».

В первой главе будут рассматриваться теоретические основы автоматизации. Так же будет затронута тема повышения эффективности деятельности предприятия с помощью автоматизации производства, где будут рассмотрены цели необходимые для достижения эффективности. Кроме этого в данной главе будет рассматриваться направления автоматизации, таких как растениеводство и животноводство так же и управленческой деятельности предприятия.

Во второй главе переходим  к изучению технологии автоматизации  производства сельскохозяйственной продукции, в данной главе мы рассмотрим автоматизацию  на примере полеводства и животноводства.

В третей главе будет  рассмотрена ГИС «Точный фермер», в которой будут описаны возможности системы точного земледелия, основная задача, так же аппаратная и программная часть данной системы.

1 Теоретические основы автоматизации производства сельскохозяйственной продукции

Автоматизация производства - это применение автоматических и  автоматизированных устройств и  систем для полного или частичного освобождения человека от выполняемой  им работы по управления и контролю при получении, обработке, передаче и использовании энергии, материалов, информации и др.

В России созданы крупные  специализированные животноводческие комплексы, птицефабрики, зверофермы, тепличные комбинаты, где производство основано на промышленной основе, что  позволяет в полной мере использовать современные технические средства автоматики. Например, на современных птицефабриках для вывода цыплят, утят и другой птицы применяются полностью автоматизированные инкубаторы, где автоматически поддерживаются постоянная температура и влажность воздуха и через определенные промежутки времени специальным механизмом яйца переворачиваются с боку на бок. Птичники оборудуют автоматическими установками искусственного освещения, которые продлевают световой день. Дополнительное освещение включается осенью и зимой до рассвета, днем при пасмурной погоде и вечером, когда естественного освещения слишком мало.

Корм птицы также  получают из автоматизированных кормушек. В России созданы опытные птицефабрики-автоматы с полной механизацией всех работ. Здесь осуществлена комплексная автоматизация управления машинами и установками с помощью компьютеров и программных устройств.

На животноводческих фермах оборудованы автоматизированные поточные линии доения коров и  первичной обработки молока, приготовления и раздачи кормов. В животноводческих помещениях автоматически обеспечивается оптимальный микроклимат. На большинстве животноводческих ферм полностью автоматизированы системы водоснабжения, вентиляции и отопления помещений.

Использование автоматизированных систем вентиляции в овоще- и плодохранилищах позволяет резко уменьшить потери сельскохозяйственной продукции при хранении. Комплексные автоматические агрегаты и линии, которыми оснащены современные предприятия по первичной переработке скоропортящихся сельскохозяйственных продуктов, значительно сокращают потери, лучше сохраняют качество вырабатываемых продуктов питания.

В теплицах с искусственным  климатом в наших северных районах  круглый год выращивают овощи, цветы  и даже фрукты. При этом температура и влажность воздуха и почвы в теплицах поддерживаются на постоянном уровне с помощью автоматических компьютеризированных установок искусственного климата. Вентиляция и дополнительное освещение включаются так же автоматически, обеспечивая растениям оптимальный световой режим и чистоту воздуха. Многие теплицы в России оборудованы автоматическими дождевальными установками.

Большое значение для  сельского хозяйства, как и для  другой отрасли, имеет постоянное снабжение  электроэнергией. В районах, удаленных от линий электропередачи, электроэнергия производится местными, гидроэлектрическими, дизель-электрическими и др. станциями. Такие электростанции, как правило, полностью автоматизированы, т. е. пуск и остановка первичных двигателей, регулировка напряжения в сети, подача топлива, защита от коротких замыканий осуществляются автоматически по заданной программе или по сигналам дистанционного управления.

Многие системы водоснабжения  на горных и отдаленных пастбищах, обеспечивающие подачу глубинной воды на поверхность с помощью глубинных насосов, приводимых в действие ветряными двигателями, также автоматизированы.

В работе электрических  сетей, систем водоснабжения и орошения большую роль играет телемеханика, позволяющая управлять работой  машин на расстоянии. С помощью компьютеров один человек - диспетчер - может, например, не выходя из помещения, включать и выключать все дождевальные установки на сельскохозяйственных полях все одновременно или каждую отдельно, как того требует ситуация; регулировать подачу воды в каналы орошения; менять режим работы установок искусственного климата в теплицах и помещениях животноводческих ферм; включать и отключать отдельные линии в сетях электроснабжения; регулировать вентиляцию и тепловой режим овощехранилищ.

Автоматизация отдельных процессов, а затем и комплексная автоматизация всего производства с применением автоматизированных систем управления (АСУ) - одно из основных направлений научно-технического прогресса в области сельского хозяйства. 

1.1 Автоматизация производства, как инструмент повышения эффективности деятельности предприятия.

Автоматизация сельскохозяйственного  производства имеет не только технико-экономическое, но и большое социально-политическое значение. Комплексная механизация  и автоматизация позволяет повысить производительность и улучшить условия труда, увеличить количество и качество получаемой продукции, освободить сотрудников от тяжелого физического труда и однообразного умственного, снизить потери и себестоимость продукции, увеличить сроки службы сельскохозяйственной техники.

Для достижения указанных целей  необходимо предусматривать следующее:

• постоянное совершенствование сельскохозяйственных технологических процессов в направлении их перевода из периодических прерывистое в непрерывные с соединенным или независимым транспортным движением;
• научное обобщение мирового опыта автоматизации сельского хозяйства, установление оптимального объема и очередности автоматизации технологических процессов, выявление типовых решений и их аналогов в промышленности с целью разумного использования серийной аппаратуры автоматики, непрерывное совершенствование методов автоматизации и алгоритмов управления;
• определения статических и динамических характеристик сельскохозяйственных объектов автоматизации, математическое описание объектов управления (моделирование);
• изучение и установление функциональных зависимостей между контролируемыми параметрами сельскохозяйственной продукции и ее физических свойств (электрическими, оптическими акустическими, тепловыми, механическими, и т. д.) с целью их использования для построения измерительных преобразователей специфических для сельского хозяйства неэлектрических величин;
• разработка новых агрегатов и установок системы машин для сельского хозяйства с учетом требований и возможности их автоматизации;
• совершенствование методов оптимального проектирования и расчета средств автоматики с учетом расширения их функциональных задач и повышения аппаратной и эксплуатационной надежности.

Большие задачи стоят  в области механизации и автоматизации  ручного труда. Почти 50% операций в сельском хозяйстве выполняется с применением ручного труда. В системе машин для сельского хозяйства предусмотрено механизировать и автоматизировать около 300 операций, выполняемых вручную.

Существенное сокращение ручного  труда обеспечивает применение манипуляторов и промышленных роботов. Манипулятор - это отдельный механизм, выполняющий под управлением оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям рук человека. Промышленный робот - это автоматически программно-управляемый манипулятор. Промышленные работы знаменуют собой качественно новую ступень в развитии автоматизации промышленного и сельскохозяйственного производства, существенно изменяют роль человека в производственном процессе. От традиционных автоматических систем они отличаются тем, что способны выполнять за человека универсальные ручные операции со сложными пространственными перемещениями.

С внедрением манипуляторов и роботов  в корне меняется вся организация  технологического процесса, поскольку  много ручных операций при существующей технологии невозможно автоматизировать традиционными средствами.

1.2 Направление автоматизации сельскохозяйственного производства

Автоматизация производства - это  одно из направлений научно-технического прогресса. Она позволяет освободить человека полностью или частично от выполняемой им работы, заменив его функции машиной. Человеку остается лишь управлять и контролировать работу того или иного автомата. Стоит сказать, что промышленная автоматизация, а также автоматизация сельского хозяйства позволяет повысить уровень производительности труда, увеличить уровень выпускаемой продукции, повысить ее качество, облегчить при этом труд человека и сэкономив время.

На сегодняшний день существуют целые крупные автоматизированные животноводческие комплексы – птицефабрики, свинофермы, зверофермы, на которые используются технические современные средства автоматики. К примеру, на современных птицефабриках для выведения птенцов используются специальные автоматы – инкубаторы, управляют которыми встраиваемые компьютеры. В этих инкубаторах поддерживается необходимая температура, а благодаря специальному механизму, яйца через равные промежутки времени переворачиваются с боку набок, чтобы проходил их равномерный нагрев. Кроме того, для повышения яйценоскости у птиц, птичники оборудуют автоматическими системами освещения, чтобы продлить световой день в зимний период, либо при пасмурной погоде.

На животноводческих фермах уже  широко применяются автоматические линии доения коров, а также раздачи  и приготовления кормов. Специальные  автоматы позволяют поддерживать в  коровниках, свинарниках оптимальный  микроклимат, автоматически осуществляется и вентиляция, водо- и теплоснабжение.

Особо важную роль автоматические системы  вентиляции играют в овоще-, плодохранилищах  и элеваторах. Благодаря им, значительно  снижены потери при хранении сельхозпродукции. В тепличных хозяйствах при помощи компьютеризированных автоматических установок искусственного климата в парниках поддерживается постоянный уровень влажности, температура почвы – это дает возможность выращивать овощи и фрукты даже в северных районах нашей страны.

В управленческой деятельности сельского хозяйства так же используются компьютеры. Полностью автоматизирована система бухгалтерского учета, а сервер терминального доступа, установленный на сельхозпредприятии обеспечивает быструю и бесперебойную работу компьютерных программ.

Выводом к данной главе можно  сделать то, что автоматизация - одно из основных направлений научно-технического прогресса. Механизация и автоматизация сельского хозяйства повышает производительность труда, способствуют увеличению выпуска сельскохозяйственной продукции, росту ее качества. Эти процессы тесно связаны с применением индустриальной технологии производства в сельском хозяйстве, совершенствованием планирования и управления. Машины, механизмы, компьютеры, автоматические системы облегчают труд людей, улучшают условия труда.

Комплексная автоматизация  в сельском хозяйстве позволила  существенно сократить затраты  на оплату труда. Поскольку там, где  раньше требовались целые бригады, сейчас может справиться один человек- оператор автоматизированной системы. Такая экономия позволят направить средства на дальнейшее развитие этой отрасли.

2 Технологии автоматизации производства сельскохозяйственной продукции

При автоматизации производства применяются автоматизированные и автоматические устройства, а также системы для частичного или полного освобождения людей от выполняемых ранее ими работ по контролю и управлению при получении, обработке, использовании и передаче энергии, информации, материалов и др.

Автоматизация является главным направлением научно-технического прогресса. В сельском хозяйстве механизация и автоматизация  увеличивают производительность труда, способствуют росту качества сельскохозяйственной продукции и увеличению её выпуска. Эти процессы связаны с использованием индустриальной технологии производства в сфере сельского хозяйства, совершенствованием управления и планирования. Компьютеры, машины, механизмы, автоматические системы улучшают условия труда и облегчают труд людей.

В России были созданы большие специализированные животноводческие комплексы, зверофермы, птицефабрики, тепличные комбинаты, где всё производство сформировано на промышленной основе, это позволяет на все 100% использовать технические средства автоматики. Возьмём, к примеру, современные птицефабрики, где для вывода утят, цыплят и других птиц используются автоматизированные инкубаторы, в которых в автоматическом режиме поддерживается постоянная влажность воздуха, температура и через определённые интервалы времени с помощью специального аппарата яйца переворачиваются с одного бока на другой. Птичники оборудованы автоматическими устройствами искусственного освещения, которые нужны для увеличения длительности светового дня. Это освещение включается зимой и осенью до рассвета, днем, если стоит пасмурная погода, а также вечером при нехватке реального освещения.

Птицы также питаются из автоматизированных кормушек. Ещё  в России существуют опытные птицефабрики-автоматы, где всё полностью механизировано. На этих фабриках выполнена комплексная  автоматизация установками и  машинами под управлением программных устройств и компьютеров.

На животноводческих фермах доение коров, обработка молока, раздача и приготовление кормов осуществляется с помощью различных  автоматизированных установок. В животноводческих помещениях оптимальный климат поддерживается автоматически. В большем количестве животноводческих ферм системы вентиляции, водоснабжения и отопления помещения полностью автоматизированы.

Использование автоматизированных вентиляционных систем в плодо- и  овощехранилищах помогает намного  сократить потери при хранении сельскохозяйственной продукции. Наличие комплексных автоматических линий и установок, которыми сегодня оснащены почти все предприятия по переработке скоропортящейся сельскохозяйственной продукции, резко уменьшают потери, лучше поддерживают качество производимых продуктов питания.

В северных районах России круглый год выращивают цветы, овощи  и фрукты, в теплицах создавая искусственный  климат. В этих теплицах поддерживают температуру и влажность почвы  и воздуха на постоянном уровне при  помощи компьютеризированных устройств искусственного климата. Дополнительное освещение и вентиляция включается автоматически, обеспечивая оптимальную чистоту воздуха и световой режим. В России почти во всех теплицах установлены автоматические дождевые установки.

Автоматизация отдельных процессов и комплексная автоматизация целого производства с использованием АСУ (Автоматизированных Систем Управления) является главным направлением научно-технического прогресса в сфере сельского хозяйства.

2.1 Автоматизация в полеводстве

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

Вся сельскохозяйственная техника, рассматриваемая как объекты автоматизации, может быть разделена на три большие группы:

• отдельные сельскохозяйственные машины;
• агрегаты;
• поточные линии.

Вывод, в первом пункте данной главы  можно сказать о том, что переход к автоматизации технологических процессов в полеводстве благоприятно способствуют, во-первых, внедрение промышленных индустриальных методов и поточной технологии возделывания, уборки и обработки урожая, во-вторых, широкое распространение в сельском хозяйстве достижений науки и передовой практики и, в-третьих, разработка и массовый выпуск широкого класса высоконадежных, с малым собственным потреблением энергии, малогабаритных и относительно дешевых электронных, гидравлических и пневматических элементов автоматики.

2.2 Автоматизация в животноводстве

Для животноводства и птицеводства так же характерны все группы объектов автоматизации: автоматизируемые технологии и непосредственно объекты автоматизации. Автоматизируемые технологии (рис. 2) под разделяются на три группы:

• производство молока, яиц и мяса (откорм животных);
• выращивание молодняка для ремонта (воспроизводства) стада;
• заготовка, хранение, подработка, раздача кормов.

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

Выводом во втором пункте данной главы будет являться то, что автоматизация в животноводстве развивается, разрабатываются новые  технологии и системы, которые активно  используются на предприятиях страны.

3 Автоматизация управления производством продукции сельского хозяйства на примере ГИС «Точный фермер»

Точный фермер - геоинформационная система (ГИС), посредством которой автоматизируются процессы в сельском хозяйстве, а именно в области земледелия. Автоматизация сельского хозяйства с применением технологии точного земледелия («precision farming») инновационная область на стыке информационных технологий и сельского хозяйства.

Для эффективного управления сельскохозяйственным процессом подготовки, посева и сбора урожая необходимо использовать специальное современное оборудование, такое как системы спутниковой навигации, дозаторы, измерительные датчики и другое, которое позволяет при взаимодействии со специальным программным обеспечением получить точные расчеты различных сельскохозяйственных показателей и получить экспертную поддержку, тем самым поднять качество и количество урожая. Важным элементом процесса сбора и анализа, является программное и аппаратное обеспечение и их взаимосвязь. В процессе НИОКР должны быть апробированы и доработаны новые авторские алгоритмы обработки и анализа сельскохозяйственных данных, а так же схемотехнических решений нового оборудования для установки на сельскохозяйственную технику.

Экспертная система точного  земледелия «Точный фермер» состоит из Программы точного земледелия и аппаратного модуля для анализа и мониторинга данных. Устанавливаемые на сельскохозяйственную технику приборы точного земледелия осуществляют сбор необходимой информации для последующего обработки на компьютере.

Основными возможностями программной системы точного земледелия являются:

• обработка и анализ данных, полученных в процессе работы сельскохозяйственных машин;
• построение карт урожая;
• создание карт дифференцированного распыления удобрений;
• получение граничных карт поля;
• расчет статистических характеристик карты сельхоз угодья и  проведение сравнительного анализа карт

Применение систем точного земледелия способствует эффективному использованию сельскохозяйственной техники, повышению производительности сельскохозяйственных работ и соблюдение агротехнических сроков сева, устранению огрехов, уменьшение перекрытий, возможность использования техники в ночное время и при плохой видимости, а так же экономия семян, химикатов и ГСМ. Такой подход, как показывает международный опыт, обеспечивает гораздо больший экономический эффект и, самое главное, позволяет повысить воспроизводство почвенного плодородия и уровень экологической чистоты сельскохозяйственной продукции.

Основной задачей системы «Точный  Фермер» является сбор, преобразование, хранение и анализ данных о собранном  урожае, и аналитические функции для планирования будущей деятельности. На основании этих данных фермером принимаются решения об обработке и засевах тех или иных полей, частоте использования и количестве удобрений, применяемых на различных участках поля.

Аппаратная часть состоит из миникомпьютера и серии датчиков. Миникомьютер вместе с датчиками устанавливается на сельхозтехнику.

В зависимости от типа сельхозмашины и, соответственно, выполняемой функции, применяется следующий миникомпьютер:

• для сельхозмашин, выполняющих сбор зерновых культур (пшеницы) применяется миникомпьютер с модулем хранения и обработки информации
• для сельхозмашин, выполняющих функции распыления удобрений  применяется миникомпьютер с модулем управления

В задачу датчиков входит сбор статистической информации и передача её в модуль сбора.

Программная часть - это экспертная геоинформационная система. В её задачу входит обработка и анализ данных, полученных в процессе функционирования сельскохозяйственных машин, а также программирование их работы при помощи графического интерфейса. Программная часть дает пользователю следующие возможности:

• построение карт урожая с цветовой градацией в зависимости от количества собранного урожая на том или ином участке поля на основании данных, полученных с модуля сбора и обработки информации;
• построение карт распыления удобрений для переноса на миникомпьютер с модулем управления;
• построение граничных карт поля (при установке на ноутбука с подсоединенным GPS-устройством);
• получение наглядных отчетов высокой точности;
• построение карт сельхозугодий на основе аэрофотосъемки;
• расчет статистических характеристик карты сельхозугодия;
• проведение сравнительного анализа нескольких карт сельхозугодий.

          Это основные возможности программной части. 

Также программный комплекс обладает следующим функционалом:

• получение и обработка карт возвышенностей (высот над уровнем моря) поля;
• построение и обработка карт образцов почвы поля содержащих информацию о химическом составе;
• построение и обработка карт верификации (необходимы для проверки корректности выполнения работ по удобрению полей).