Системы автоматизации в фермерских хозяйствах

 
 
 
 
 
С. Н. Костарев, Т. Г. Середа 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 
В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 681.5 
ББК 32.966 
К71 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р экон. наук, зав. кафедрой информационных технологий и автоматизированных систем 
Пермского национального исследовательского политехнического университета 
Файзрахманов Р. А.; 
канд. биол. наук, доцент кафедры агрохимии и почвоведения Пермского государственного  
аграрно-технологического университета имени академика  
Д. Н. Прянишникова Чащин А. Н. 
 
 
 
 
 
Костарев, С. Н.  
К71   
Системы автоматизации в фермерских хозяйствах : монография / 
С. Н. Костарев, Т. Г. Середа. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 112 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1878-2 
 
Изложены подходы и технологии проектирования систем управления для аграрного сектора. Для внедрения современных методов систем автоматизации в фермерских хозяйствах необходим анализ и синтез логических моделей управления. Предложены комплексные технологические схемы управления микроклиматом, полива. 
Значительный объем монографии посвящен вопросам диагностики болезней животных. Рассматриваются вопросы автоматизации гистологического анализа.  
Для специалистов, работающих в области аграрного хозяйства. 
 
 
 
 
 
 УДК 681.5 
 ББК 32.966 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1878-2 
‹ Костарев С. Н., Середа Т. Г., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ʝˆˎ˃˅ˎˈːˋˈ 
 
Список используемых сокращений ........................................................................... 6 
 
Введение ....................................................................................................................... 7 
 
Глава 1. ПОНЯТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
......................... 9 
1.1. Ретроспектива средств автоматизации ........................................................... 9 
1.2. Современное понятие автоматизированных систем ................................... 10 
1.2.1. Задачи и функции автоматизированных систем 
.................................... 10 
1.2.2. Методы, стадии и этапы создания АС 
.................................................... 11 
 
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ..................... 16 
2.1. Управление и автоматизированные системы 
............................................... 16 
2.1.1. Классификация автоматизированных информационных систем ........ 19 
2.1.2. Состав и задачи автоматизированных систем управления .................. 19 
2.2. Понятие о дискретных устройствах .............................................................. 21 
2.2.1. Общее описание дискретных устройств 
................................................. 21 
2.2.2. Математическое описание дискретных устройств 
................................ 25 
 
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТНЫХ СХЕМ 
ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ..................................................................................... 29 
3.1. Мнемоника релейно-контактных схем ......................................................... 29 
3.2. Разработка схем автоматизации с использованием                                   
программно-аппаратного комплекса на основе ПЛС ОMRON 
......................... 31 
3.2.1. Процессорное обеспечение Omron ......................................................... 31 
3.2.2. Программное обеспечение Omron .......................................................... 32 
3.2.3. Описание среды программирования CX-One ........................................ 33 
3.2.4. Разработка программы на языке лестничных диаграмм ...................... 34 
 
Глава 4. ПРИМЕРЫ РАЗРАБОТКИ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ                          
ДЛЯ ЖИВОТНОВОДСТВА. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА 
КОРМЛЕНИЯ СОБАК 
........................................................................................... 40 
4.1. Ретроспектива систем автоматизации кормления животных 
..................... 40 
4.2. Материалы и методы ...................................................................................... 41 
4.3. Разработка технологической схемы кормления 
........................................... 41 
4.4. Разработка проекта автоматизированной системы ..................................... 42 
4.4.1. Разработка блока логических уравнений для подготовки корма ........ 45 
4.4.2. Разработка системы команд для контроля наполнения поилок 
........... 46 
4.4.3. Разработка экрана оператора кинолога .................................................. 47 
4.4.4. Симуляция работы схемы ........................................................................ 47 
 
Глава 5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА 
... 50 
5.1. Разработка автомата на жесткой логике для управления                           
системой полива ..................................................................................................... 50 
5.2. Исследование существующей системы орошения ...................................... 50 
3 
 

5.3. Синтез автомата управления системой полива 
............................................ 50 
5.4. Моделирование работы системы орошения 
................................................. 54 
 
Глава 6. ПРИМЕРЫ РАЗРАБОТКИ  
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ  
МОНИТОРИНГА ЗАБОЛЕВАНИЙ ДЛЯ ВЕТЕРИНАРОВ .......................... 55 
6.1. Модель распознавания патологий морфоструктурных изменений               
в тканях животных ................................................................................................. 55 
6.1.1. Методика исследований ........................................................................... 55 
6.1.2. Построение и обучение нейронной сети ................................................ 57 
6.1.3. Распознавание патологий 
......................................................................... 59 
6.2. Разработка последовательностного автомата распознавания                     
индикаторов патологий при гистологическом анализе 
...................................... 60 
6.2.1. Методика исследований ........................................................................... 60 
6.2.2. Построение последовательностного автомата 
....................................... 61 
6.3. Проектирование прибора экспресс-анализа на антигены                           
семейства коронавирусов ...................................................................................... 65 
6.3.1. Разработка технологической карты прибора по определению             
антигенов коронавируса 
..................................................................................... 65 
6.3.2. Анализ и синтез логических схем управления ...................................... 66 
6.3.3. Синтез устройства диагностики антигенов коронавирусов ................. 66 
6.3.4. Синтез устройства управления контейнером (модуль 1) ..................... 68 
6.3.5. Синтез устройства управления барабаном (модуль 2) ......................... 69 
 
Глава 7. ПРИМЕРЫ РАЗРАБОТКИ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 
ДЛЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ .......................... 71 
7.1. Разработка системы цифровой передачи данных                                         
по силовым электрическим сетям в сельской местности .................................. 71 
7.1.1. Обзор технологий передачи данных 
....................................................... 71 
7.1.2. Симуляция разработанной модели 
.......................................................... 73 
7.1.3. Анализ верификации модели канала передачи данных 
........................ 74 
7.2. Разработка системы организации контроля пропускного режима 
для автотранспортных предприятий .................................................................... 76 
7.2.1. Описание работы системы ....................................................................... 76 
7.2.2. Разработка релейно-контактной схемы .................................................. 77 
7.2.3. Симуляция работы схемы ........................................................................ 79 
7.2.4. Разработка интерфейса оператора для сенсорного монитора 
.............. 80 
7.2.5. Создание базы данных 
.............................................................................. 82 
7.3. Проектирование бортовых компьютеров                                                     
для сельскохозяйственной техники 
...................................................................... 84 
7.3.1. Назначение средств автоматизированного мониторинга ..................... 85 
7.3.2. Состав диагностических модулей ........................................................... 85 
7.3.3. Составление логических уравнений и разработка                                    
программного обеспечения работы оборудования ......................................... 86 
 
4 
 

7.4. Разработка автоматизированной системы управления                                
технологическим процессом сушки древесины 
.................................................. 88 
7.4.1. Основные факторы, описывающие динамику сушки древесины 
........ 88 
7.4.2. Синтез логических уравнений ................................................................. 91 
 
Заключение 
................................................................................................................. 93 
 
Список используемой литературы .......................................................................... 94 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
....................................................................................................... 97 
Приложение 1. Коды программ для проектирования                                         
автоматизированной системы кормления собак ................................................. 97 
Приложение 2. Коды программ для проектирования                                               
автоматизированной системы полива ................................................................ 103 
Приложение 3. Коды программ для проектирования анализатора 
для определения штаммов антигенов коронавирусов 
...................................... 105 
Приложение 4. Коды программ для управления микроклиматом                       
на фермах .............................................................................................................. 107 
Приложение 5. Коды программ для управления сушкой древесины ............. 109 
 
 
 
 
5 
 

ʠ˒ˋ˔ˑˍˋ˔˒ˑˎ˟ˊ˖ˈˏ˞˘˔ˑˍ˓˃˜ˈːˋˌ 
 
АС – автоматизированная система 
БД – база данных 
ДУ – дискретные устройства 
ПЛК (PLC) – программируемый логический контроллер 
МП – микропроцессор 
ИУ – исполнительное устройство 
ПО – программное обеспечение 
ЭВМ – электронно-вычислительная машина 
РКС – релейно-контактная схема 
LD – релейно-контактная логика или лестничные диаграммы  
IL – список инструкций 
SFC – последовательные функциональные диаграммы 
 
6 
 

ʑ˅ˈˇˈːˋˈ 
 
Целью монографии является разработка методики построения автоматизированных систем в процессе их функционирования и развития, приобретения 
навыков, связанных с автоматизацией процессов и производств в аграрном секторе. 
Автоматизация и создание автоматизированных систем являются на данный момент одной из самых ресурсоемких областей деятельности всего общества. Одной из причин активного развития данной области является то, что автоматизация служит основой коренного изменения процессов управления, играющих важную роль в деятельности человека и общества. Создаются процессорные системы управления, действие которых направлено на поддержание или 
улучшение работы объекта с помощью комплекса средств сбора, обработки, передачи информации и формирования управляющих сигналов или команд. 
Автоматизированная система должна обладать рядом параметров, обуславливающих ее востребованность в различных сферах сельского хозяйства. 
В целях соответствия системы данным параметрам к ней предъявляются следующие требования: 
- гибкость системы; 
- возможность специализации автоматизированной системы на выполнение конкретного типа задач; 
- надежность в работе; 
- возможность совмещения с ЭВМ различных производителей; 
- низкое ресурсопотребление; 
- управляемость (настройка и регулировка оптимальных параметров функционирования системы, их регулирование оператором); 
- расширяемость (возможность сравнительно легкого добавления новых 
элементов системы, наращивания дополнительных сегментов); 
- простота эксплуатации. 
При разработке автоматизированной системы особое внимание следует 
уделять организации интерфейса, позволяющего осуществлять взаимодействие 
машинного комплекса и оператора ЭВМ, который может не обладать дополнительными знаниями в этой области. Правильная организация интерфейса есть 
залог продуктивного использования автоматизированной системы. 
Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут 
быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и систем распределенного ввода-вывода с организацией обмена данными по различным интерфейсам. 
Для удобства отладки и написания программ разработчики предусмотрели пакет программирования, который не требует существенных ресурсов компьютера и является простым инструментом для всех категорий специалистов. 
Для интеграции программирования микропроцессорных систем в основном используются три языка программирования: LD (релейно-контактная логика или 
7 
 

лестничные диаграммы), IL (список инструкций) и SFC (последовательные функциональные диаграммы). 
Монография содержит семь глав, первая часть монографии посвящена 
описанию задач анализа и синтеза систем управления. Вторая часть содержит 
описание прикладных программ в области животноводства, растениеводства и 
прикладных технических систем. 
8 
 

ʒˎ˃˅˃ͳǤ 
ʞʝʜʮʡʗʔʏʑʡʝʛʏʡʗʖʗʟʝʑʏʜʜʪʤʠʗʠʡʔʛ 
 
ͳǤͳǤ ʟˈ˕˓ˑ˔˒ˈˍ˕ˋ˅˃˔˓ˈˇ˔˕˅˃˅˕ˑˏ˃˕ˋˊ˃˙ˋˋ 
 
Современная техника, особенно такие ее разделы, как вычислительная 
техника, техника автоматического (автоматизированного) контроля и управления, телемеханика, автоматическая телефония и т. д., базируется на применении так называемых дискретных устройств (ДУ), которые иногда еще называют 
релейными устройствами или цифровыми автоматами. В самом общем смысле 
дискретным (релейным) устройством называется техническое устройство, предназначенное для преобразования по заданной программе входной информации, 
поступающей в виде дискретных сигналов, в выходную дискретную информацию [2]. 
Развитие релейной техники, техники дискретных устройств потребовало 
разработки соответствующих теоретических вопросов. Необходимо было теоретически обосновать правила построения АСКУ на дискретных устройствах, 
разработать методы исследования дискретных устройств, специальный математический аппарат. Основы математической логики были заложены ирландским математиком Дж. Булем (1815–1864 гг.), но теория дискретных устройств, 
как наука начала развиваться с конца 30-х годов и решает следующие задачи [18]: 
1. Равносильные преобразований дискретных устройств, т. е. задачу перехода от одной схемы дискретного устройства к другой при сохранении их 
равносильности, т. е. соответствия заданным условиям работы. 
2. Анализа, определения условий работы заданного дискретного устройства. 
3. Задачу синтеза, которая заключается в построении схемы дискретных 
уравнений по заданным условиям работы и является основной задачей теории 
дискретных устройств [17]. 
Строгие доказательства применимости булевой алгебры к исследованию 
структур релейно-контактных схем дали в 1935–1938 годах советский уче- 
ный В. И. Шестаков и американский К. Шеннон. В 1946–1947 годах в СССР и 
в 1950–1952 годах в США начинается современный этап развития теории дискретных устройств. 
В период с 1945 по 1949 год публикуется ряд статей советского уче- 
ного М. А. Гаврилова, посвященных отдельным вопросам теории релейных 
устройств, в 1950 г. выходит монография «Теория релейно-контактных схем», 
в которой заложены основы современной теории релейно-контактных схем и 
ее практического применения.  
Большой вклад в развитие теории, особенно применительно к ЭВМ, внес 
В. М. Глушков. Практика проектирования ставила новые задачи, решение которых требовало использования не только методов теории дискретной автоматики, но и таких смежных наук, как теория алгоритмов, теория информации 
9 
 

и др., и было связано с системным подходом к проектируемым устройствам автоматики. Все это привело к дальнейшему развитию теории дискретной автоматики и перехода ее в раздел технической кибернетики [16]. 
 
ͳǤʹǤ ʠˑ˅˓ˈˏˈːːˑˈ˒ˑːˢ˕ˋˈ˃˅˕ˑˏ˃˕ˋˊˋ˓ˑ˅˃ːː˞˘˔ˋ˔˕ˈˏ 
 
1.2.1. ʖ˃ˇ˃˚ˋˋ˗˖ːˍ˙ˋˋ˃˅˕ˑˏ˃˕ˋˊˋ˓ˑ˅˃ːː˞˘˔ˋ˔˕ˈˏ 
 
Автоматизированная система (АС) обычно состоит из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций [15]. 
В зависимости от вида деятельности выделяют, например, следующие виды АС: автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и др. 
В зависимости от вида управляемого объекта (процесса) АСУ делят, например, на АСУ технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) и т. д. 
ИАС – совокупность двух или более взаимоувязанных АС, в которой функционирование одной из них зависит от результатов функционирования другой 
(других) так, что эту совокупность можно рассматривать как единую АС [3]. 
Функция АС – совокупность действий АС, направленная на достижение 
определенной цели. 
Задача АС – функция или часть функции АС, представляющая собой формализованную совокупность автоматических действий, выполнение которых приводит к результату заданного вида. 
Алгоритм функционирования АС – алгоритм, задающий условия и последовательность действий компонентов автоматизированной системы при выполнении ею своих функций. 
 
Пользователь АС – лицо, участвующее в функционировании АС или использующее результаты ее функционирования. 
Для работы с АС создают специальные рабочие места пользователей 
(в том числе работников), получившие название «автоматизированное рабочее место» (АРМ). 
АРМ – комплекс средств, различных устройств и мебели, предназначенных для решения различных информационных задач. 
Общие требования к АРМ: удобство и простота общения с ними, в том 
числе настройка АРМ под конкретного пользователя и эргономичность конструкции; оперативность ввода, обработки, размножения и поиска документов; возможность оперативного обмена информацией между персоналом организации, с различными лицами и организациями за ее пределами; безопасность для здоровья пользователя. Выделяют АРМ для подготовки текстовых и 
графических документов; обработки данных, в том числе в табличной форме; 
создания и использования БД, проектирования и программирования; руководи10