Цифровая система дистанционного мониторинга состояния хранящегося зерна

Требование времени - внедрение цифровых системы во все области промышленной деятельности, в и, и в технологии АПК. Прошедшая выставка «Золотая осень-2017» убедительно подтвердила такую тенденцию цифровизации.
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, что упрощает и ускоряет новую разработку, делает необязательным погружение в детали реализации используемых сторонних функций.

Спецификой наблюдающейся ситуации является существенная неравномерность процессов цифровизации в различных сферах профессиональной деятельности. Это обусловлено рядом причин, но основная из них состоит в определенной традиционности профессиональных воззрений.

Сказанное напрямую относится и к 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 оценкам с их последующим усреднением и интегрированием, к расчетным прогнозам сохранности зерна в реальном масштабе времени. И такой переход можно было бы рассматривать как назревшую смену парадигмы. [1], [2]
Описываемую ниже цифровую систему дистанционного мониторинга состояния хранящегося зерна (СДМСЗ) можно было бы рассматривать, как представителя 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. с возможностью многопользовательское подключения через сеть Интернет, при этом на экран пользователя выводится одна из категорий текущего состояния зерна: «НОРМАЛЬНО» - «ТРЕВОЖНО» - «ОПАСНО».

ИПЗМ устанавливают в критически опасные зоны зерновой насыпи (верхний и наиболее прогреваемые слои). Это устройство 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.
Положительный эффект от применения системы  проявляется  в виде сокращения потерь зерна; предотвращения поступления на стол человеку ядовитого пораженного плесенями и насекомыми вредителями зерна; предотвращения 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 М6 WiFi/TDМА АР/СРЕ.802.1 ln.5,9-6,4 ГГц, антенна 16 дб с грозозащитой ETH-SP с установочной стойкой - 3 шт.
• компьютер (notebook) с операционной системой Windows 7;
• роутер;
• программный комплекс Master SCADA;
• программное приложение СДМСЗ, разработанное для программной среды Master SCADA.

Общая структура системы и внешний вид основного ее элемента представлены на рис. 1, 2.

 
 

 
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 знамений 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 обработки данных — вычисления скорости изменения параметров (температура, относительная влажность межзернового воздуха), рассчитываемая методом наименьших квадратов на интервале времени; интервал времени задается интерактивно в режиме исполнении проекта;
• функция расчета интенсивности счета уловленных насекомых — единиц в час, единиц в сутки;
• функция вывода на мнемосхему и на график обработанных данных — скорости изменения параметров (температура, относительная влажность, количество насекомых, упавших в ловушку, интенсивность 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, количество насекомых). Пороги значений скоростей назначаются интерактивно в режиме исполнении проекта;

Сигнальные пороги в системе имеют три уровня — предупредительный, опасный, аварийный. [3]
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;
• подготовка имитационных зерновых проб с фиксированными влажностями;
• загрузка подготовленных зерновых проб в испытательную емкость;
• установка в испытательную емкость ИПЗМ;
• 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 клешей, 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.

Использованная 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.
 
Закладной Г. А., д. б. н., проф., ВНИИЗ - филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
Марков Ю. Ф., канд.техн. наук, Кубанский филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
 
Статья опубликована в сборнике:
 
Актуальные вопросы развития устойчивых, потребитель-ориентированных технологий пищевой и перерабатывающей промышленности АПК: 20-ая Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти В.М. Горбатова, 7-8 декабря 2017 г. – М.: ФГБНУ «ВНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 2017. – С. 125-128
 

---