Инновационная система дистанционного мониторинга состояния хранящегося зерна

Великая цифровая революция свершилась и ее плоды стали доступными для широкого применения в большинстве сфер бытовой и профессиональной деятельности. Перманентно развивающиеся цифровые технологии все глубже проникают в соответствующие операционные области, предоставляя постоянно расширяющиеся и в перспективе безграничные возможности получения, обработки и передачи данных. Именно в цифровых системах может быть достигнуто сочетание высокой точности, чувствительности, селективности, интеллектуальности, объектной ориентированности, масштабируемости, упрощенной повторяемости и приемлемой стоимости.

Принципиально важной особенностью цифровых систем является их структурная иерархичность, обеспечивающая возможность разработки новых функциональных решений с использованием и на базе уже имеющихся - это упрощает и ускоряет новую разработку, делает необязательным погружение в детали реализации используемых сторонних функций.

Спецификой сложившейся сегодня ситуации является существенная неравномерность процессов цифровой ассимиляции в различных сферах профессиональной деятельности. Это обусловлено рядом причин, но основная из них — в определенной традиционности профессиональных воззрений.

Сказанное напрямую относится и к профессиональной сфере обеспечения сохранности зерна. В этой сфере с применением цифровых технологий, в частности, просматривается возможность перехода от формально обобщенных характеристик хранящихся масс зерна к точечным и усредненным оценкам его параметров, к расчетным прогнозам сохранности зерна в реальном масштабе времени. И такой переход можно рассматривать как назревшую смену парадигмы.
Описываемая ниже цифровая система дистанционного мониторинга состояния хранящегося зерна (СДМСЗ) является прообразом систем такого нового класса.
В этой системе осуществляется оперативный контроль критически важных параметров в критически важных точках зерновой массы.

СДМСЗ состоит из комплекта измерителей параметров зерновой массы (ИПЗМ) и подсистемы, обеспечивающей передачу данных, визуализацию и сигнализацию.
Результаты онлайн измерений отображаются на удаленном персональном компьютере, в т. ч. возможно многопользовательское подключение через сеть Интернет, с отображением категорий состояния зерна: «НОРМАЛЬНО», «ТРЕВОЖНО», «ОПАСНО».
ИПЗМ устанавливают в критически опасные зоны зерновой насыпи (верхний и наиболее прогреваемые слои).

ИПЗМ объединяет в себе датчик зараженности зерна насекомым вредителями, датчики температуры и относительной влажности межзернового воздуха.
Датчик зараженности зерна основан на подсчете насекомых, падающих в ловушку с ситовой поверхностью.

Общая рабочая длина ИПЗМ 1,2 м. Зона улавливания насекомых составляет по высоте 0,8м. Две зоны измерения температуры и относительной влажности межзернового воздуха расположены в верхней и нижней части зоны улавливания насекомых.
Конечный эффект от применения системы: сокращение потерь зерна; предотвращение поступления на стол человеку ядовитого пораженного плесенями и насекомыми вредителями зерна; предотвращение разрушений элеваторов в результате самовозгорания.
Опытное внедрение СДМСЗ осуществлено на одном из хлебоприемных предприятий Воронежской области. Проведение работ профинансировано АО «Мельинвест». В целом, разработка системы осуществлялась под эгидой Министерства промышленности и торговли РФ.

В комплект указанной СДМСЗ входят следующие элементы:
- группа измерителей параметров зерновой массы (ИПЗМ) для использования в зерновом складе – 5 шт.;
- группа измерителей параметров зерновой массы (ИПЗМ) для использования в силосах железобетонного элеватора – 5 шт.;
- блок питания и преобразования интерфейсов (групповой) - 2 шт.;
- комплект соединительных кабелей и коммутационных коробок – 2 компл.;
- модуль беспроводной связи WiMax на базе всепогодной точки доступа Nanostation M6 WiFi/TDMA AP/CPE.802.11n.5,9-6,4 ГГц, антенна 16 дБ с грозозащитой ETH-SP с установочной стойкой – 3 шт.
- компьютер (notebook) c операционной системой Windows 7;
- роутер;
- программный комплекс Master SCADA;
- программное приложение СДМСЗ, разработанное для программной среды Master SCADA.
 

 
В рассматриваемой СДМСЗ реализованы следующие функции:
- функция отображения текущих данных (температура (°С) и относительная влажность межзернового воздуха (%), количество насекомых, упавших в ловушку), с представлением этих данных в виде значений на мнемосхемах, в виде табличных форм, в виде графиков - с возможностью скроллинга. Период опроса данных задается при настройке проекта;
- функция регистрации данных (температура и относительная влажность межзернового воздуха, количество насекомых, упавших в ловушку), считанных с микроконтроллеров ИПЗМ с отметками времени в базе данных. Период записи данных в базу данных задается при настройке проекта;
 - функция расчета скорости изменения параметров (температура, относительная влажность межзернового воздуха) – расчет осуществляется методом наименьших квадратов на интервале времени, при этом интервал времени задается интерактивно в режиме исполнении проекта;
 - функция расчета интенсивности улавливания насекомых – расчет приводится к единицам в час, единицам в сутки;
 - функция вывода на мнемосхему и на графики значений параметров (температура, относительная влажность межзернвого воздуха, количество насекомых, упавших в ловушку)  и скоростей изменения параметров, интенсивности счета насекомых ед./час, ед./сутки.
 - функция сигнализации превышения назначенных порогов значений параметров (температура, относительная влажность, количество насекомых, упавших в ловушку, интенсивность счета насекомых). Пороги значений назначаются интерактивно в режиме исполнения проекта;
 - функция сигнализации превышения назначенных порогов для скоростей изменения значений параметров (температура, относительная влажность межзернового воздуха, интенсивность счета насекомых). Пороги значений скоростей назначаются интерактивно в режиме исполнении проекта;

Сигнальные пороги в системе имеют три уровня - предупредительный, опасный, аварийный.
Для оценки эффективности работы СДМСЗ и датчиков ИПЗМ проводились исследовательские испытания в лабораторных и в производственных условиях.

Исследовательские испытания системы в лабораторных условиях включали в себя следующие этапы работ:
- подготовка имитационных зерновых проб с фиксированными зараженностями насекомыми вредителями;
- подготовка имитационных зерновых проб с фиксированными влажностями;
- загрузка подготовленных зерновых проб в испытательную емкость;
- установка ИПЗМ в испытательную емкость;
- мониторинг измеряемых системой показателей — температура и относительная  влажность межзернового воздуха, индекс зараженности зерна насекомыми вредителями;
- оценка результатов, полученных в лабораторных условиях.

Испытания СДМСЗ в производственных условиях включали в себя следующие этапы работ:
- выбор силосов железобетонного элеватора с продолжительно хранящимся зерном;
- установка в выбранные силосы ИПЗМ;
- периодический контроль показателей зерна в силосах по действующим нормативам;
- выбор секций зернового склада с продолжительно хранящимся зерном;
- установка в выбранные секции ИПЗМ;
- периодический контроль показателей зерновой массы по действующим нормативам;
- сравнительная оценка результатов, полученных в производственных условиях;

По результатам опытной эксплуатации и исследовательских испытаний СДМСЗ сделаны следующие выводы:
- наличие в конструкции ИПЗМ легко снимаемых сборников вредителей позволяло устанавливать присутствие в контролируемых партиях зерна видовой состав и численность насекомых и клещей и по результатам этой оценки принимать соответствующие решения;
- параллельно проводились контрольные определения зараженности зерна насекомыми и клещами по ГОСТ 13586.6-93 «Зерно. Методы определения зараженности вредителями» в партиях зерна, где были установлены ИПЗМ;
- за весь период наблюдений в сборниках ИПЗМ было обнаружено 546 экземпляров насекомых и клещей, принадлежащих к 12 видам;
- за этот же период в проанализированных 40 средних пробах зерна по ГОСТ 13586.6-93 только в трех пробах были найдены всего 11 экземпляров вредителей, принадлежащих к 4 видам;
- таким образом, СДМСЗ позволяет дистанционно, не выходя из лаборатории и не затрачивая больших усилий на отбор проб зерна в хранилищах, оценивать текущее состояние зерновой массы по девяти измеряемым и вычисляемым параметрам;
- особенно важно, что СДМСЗ позволяет на более ранних стадиях, чем метод по ГОСТ 13586.6-93, обнаруживать в зерне насекомых и клещей. Это позволяет заблаговременно принимать соответствующие решения по сохранению зерна;
- дополнительные программные инструменты системы позволяют осуществлять контроль работоспособности элементов системы и разрабатывать пути улучшения эксплуатационных характеристик.

В целом, описываемая система имеет перспективы широкого распространения на предприятиях хранения и переработки зерна.

Литература
1. Горелова Е.И. «Основы хранения зерна». Москва: Агропромиздат,1986.
2. Карпов Б.А. «Технология послеуборочной обработки и хранения зерна». Москва: Агропромиздат, 1987.
3. Закладной, Г.А. Комплекс для сохранения зерна в металлических силосах / Г.А. Закладной // Хлебопродукты. – 2014. – № 8. – С. 40-41.
 
   
 
 
 
 

---