В условиях интенсивно развивающихся цифровых технологий активное их внедрение ведётся во всех областях сельскохозяйственного производства, в частности в области применения удобрений. Основными задачами интеллектуализации сельского хозяйства являются автоматизация, роботизация, сбор и обработка информации на всех этапах производства сельскохозяйственной продукции при снижении стоимости её производства и минимизации влияния человеческого фактора. Автоматизация в сфере сельскохозяйственного производства – одна из самых сложных составляющих интеллектуализации ввиду специфики процессов и большого количества ручных операций [1].
Существует несколько определений автоматизации, но суть их сводится к внедрению современных для каждого периода времени устройств управления и контроля за протекающими технологическими процессами производства с целью увеличения производительности при минимизации ручного труда [1 – 3]. В качестве оценочной характеристики автоматизации производственных процессов в сельском хозяйстве может выступать степень или уровень автоматизации: частичная, комплексная и полная автоматизация. Суть последней заключается в полной передаче функции управления и принятия решений техническим средствам, что на данном этапе развития в сельском хозяйстве, а в частности при внесении удобрений, невозможно. При этом в рассматриваемой области агрохимического обеспечения сельского хозяйства более актуальна и реализуема частичная автоматизация, так как при проведении операции внесения твёрдых минеральных удобрений или любой другой оператор принимает непосредственное участие.
Автоматизация позволяет повысить производительность труда и объёмы производства; улучшить качество продукции и снизить расходы сырья; оптимизировать процессы управления; повысить безопасность, экологичность и экономичность производства; отстранить человека от производств, опасных для здоровья; исключить человеческий фактор из производства; освоить ранее невозможные способы производства (в вакууме, при высоком давлении, различных температурных режимах и т. д.); улучшить как отдельные элементы технологии, так и всю технологию в целом.
Цель исследования – оценка и анализ существующих методов автоматизации сельскохозяйственного оборудования, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и технических средств её реализации для выбора наиболее оптимальных способов автоматизации технологического оборудования и сельскохозяйственных машин.
Основная задача исследования сводилась к анализу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на основе современного микроконтроллерного оборудования с целью проведения лабораторных исследований и создания функционирующей системы автоматизации на их базе
Материал и методы исследования. В рамках исследования рассматривались современные методы и способы автоматизации технологического и сельскохозяйственного оборудования. В процессе исследования были использованы аналитический, информационно-логический и сравнительный методы.
Результаты исследования. Суть современных методов автоматизации заключается в работе с машинами и оборудованием через развитый ввод и сбор сигналов головным управляющим устройством от контролирующих датчиков и вывод сигналов на исполнительный механизм [4, 5].
Наиболее распространённым средством автоматизации является автоматизация на базе ПЛК (программируемый логистический контроллер) и на базе микроконтроллерного оборудования.
Программируемый логистический контроллер (ПЛК, PLC) – разновидность вычислительной машины (компьютера), чаще всего используемая в промышленности и производстве для автоматизации технологических процессов. Является отдельным полноценным устройством, позволяющим длительное время практически без вмешательства человека в режиме реального времени контролировать производственные и технологические процессы, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды. ПЛК применяют чаще всего на современных крупных производственных предприятиях, при проектировании систем числового программного управления станков (ЧПУ) [6 – 8].
Существует несколько основных критериев ПЛК при его выборе: по мощности, по видам, по количеству портов ввода/вывода сигналов, по расположению портов ввода/вывода, по области применения, по конструкторскому исполнению [6 – 8].
Под мощностью ПЛК понимается разрядность (8, 16, 32, 64) и быстродействие центрального процессора, объём разных видов памяти, число портов и сетевых интерфейсов.
От количества цифровых и аналоговых портов ввода/вывода зависят разветвлённость и возможности автоматизации того или иного процесса. Количество подключённого к ПЛК оборудования, датчиков и контроллеров, количество портов варьируется от минимального 15 портов – наноконтроллер до сверхбольшого – свыше 2000 портов. От этого показателя варьируются цена и сложность проектов автоматизации.
По расположению портов ввода/вывода ПЛК можно разделить на: моноблочные ПЛК – осуществление удаления или замены модулей ввода/вывода невозможно; модульные ПЛК – смена модулей возможна в зависимости от задач; распределённые ПЛК – модули ввода/вывода вынесены за пределы контроллера и соединены с использованием интерфейсов, например RS-485.
От области внедрения автоматизации зависит, в каких условиях будет работать ПЛК, какая необходима степень защиты, количество подключаемого оборудования, вычислительная мощность и остальной набор функций. Область применения ПЛК в большинстве случаев является основополагающим критерием его выбора. По области применения ПЛК подразделяют на: общепромышленные универсальные ПЛК; коммуникационные ПЛК; ПЛК управления роботами; ПЛК спецназначения; ПЛК управления перемещением и позиционированием. Основными же недостатками ПЛК являются невозможность применения на мобильных машинах; высокий уровень «вхождения» программиста и операторов для работы; необходимость получения платной лицензии на все виды использования ПЛК и программного обеспечения к ним; высокая стоимость разработки проектов автоматизации, установки оборудования и компонентов; отличия в разработке и применении ПЛК разных фирм-производителей, отсутствие совместимости в большинстве случаев.
В результате вышеизложенного можно сделать вывод, что использование данного вида систем АСУ ТП невозможно на мобильной передвижной технике и нецелесообразно в научных целях, что не в полной мере подходит для данного этапа исследования.
В настоящее же время широко внедряется автоматизация на основе микроконтроллерного оборудования. Микроконтроллер (одноплатный компьютер) – это специальная микросхема, оснащённая микропроцессором, оперативной памятью (ОЗУ) и (или) постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) и другими периферийными устройствами, предназначенная для управления электронными приборами. Следует отметить, что большинство ПЛК в своей основе строятся на комплексах микроконтроллеров, заключённых в специализированный моноблок с определённой степенью защиты и набором необходимых портов ввода/вывода, кнопками управления, дисплеями и собственной операционной системой RTOS. По сути ПЛК – это и есть микроконтроллер, оборудованный периферийными устройствами под конкретные задачи.
В качестве наиболее часто используемых периферийных устройств у микроконтроллеров можно выделить универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод; различные интерфейсы ввода/вывода, такие, как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet, GPIO т.д.; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; компараторы; широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер); таймеры; контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых; контроллеры дисплеев и клавиатур; радиочастотные приёмники и передатчики; массивы встроенной флеш-памяти; встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер; разнообразные датчики и исполнительные механизмы.
Основные задачи микроконтроллера: принимать и обрабатывать сигналы, исходящие из внешних источников, например датчиков; управлять подключенными устройствами через реле управления (рабочие органы оборудования, насосы, электродвигатели) основываясь на запрограммированной логике; накапливать обработанные сведения, а также адаптировать и выводить их в виде, удобном для человека.
Микроконтроллеры широко применяются на современных сельскохозяйственных машинах, в частности на распределителях твёрдых минеральных удобрений. На данных машинах микроконтроллеры выполняют функцию управления рабочими органами распределителя, контролируют параметры ввода/вывода информации, регулируют норму внесения в зависимости от необходимой дозы внесения. Для управления рабочими органами на данных машинах ставятся различные виды датчиков и исполнительных механизмов, которые отвечают за количество удобрений, поступающих на рабочие органы, измеряют и подстраиваются под момент инерции на распределяющем диске, измеряют массу удобрений, оставшихся в бункере и поступивших на распределяющий диск, и другие параметры технологического процесса внесения твёрдых минеральных удобрений. В качестве исполнительных механизмов на данных машинах выступают актуаторы – перемещающие на заданное расстояние дозирующие заслонки, тем самым увеличивая или уменьшая дозу внесения удобрений, при этом синхронизируясь со скоростью передвижения машинно-тракторного агрегата (МТА). На машинах с гидравлической системой приводов используются электромагнитные клапаны и краны, регулирующие давление масла в гидросистеме, тем самым увеличивая или уменьшая частоту вращения рабочих органов. Для внесения на краю поля используется отключение одного из разбрасывающих дисков, это происходит посредством разъединения электромеханической муфты в механических приводах и перекрытия магистрали посредством электромагнитного клапана или крана в гидравлических приводах. Но связующим элементом в системе машина – оператор является микроконтроллер, который принимает сигналы от датчиков, обрабатывает их, выводя информацию на дисплей оператора, и передаёт на исполнительные механизмы, автоматически регулируя заданную дозу внесения в зависимости от скорости движения МТА и геопозиции на поле. Исходя из этого можно сделать вывод, что наиболее ответственная роль в работе системы автоматизации распределителя минеральных удобрений отводится микроконтроллеру и его характеристикам.
В связи с тем, что область применения микроконтроллерного оборудования постоянно расширяется и под потребности каждого конкретного устройства необходимы микроконтроллеры с определёнными свойствами и параметрами, число их модификаций постоянно растёт, а с ним растёт и количество предприятий – производителей данного оборудования, и его выбор становится не таким очевидным.
Недавно появившиеся одноплатные компьютеры, такие, как Arduino, способны одновременно принимать и обрабатывать информацию от нескольких датчиков, посылать сигналы на управляющий механизм, а также накапливать информацию и управлять несколькими процессами [9, 10]. Однако и у этих плат есть свои ограничения и минусы, особенно связанные со спецификой сельскохозяйственного оборудования (запылённость, вибрации, скачки напряжения, агрессивные среды, влажность и т.д.). Это скачки напряжения, магнитные поля и другие помехи, которые могут вывести из строя данные контроллеры или заставить их работать некорректно. Учитывая данные особенности, необходимо выбрать наиболее подходящий микроконтроллер или в ряде случаев микропроцессор (табл. 1).
1. Возможности применения микроконтроллеров в сельскохозяйственном производстве
Критерий
Модель
ARM
MSP
DSP TMS
Intel
AVR
Разрядность, бит
8, 16, 32, 64
8, 16
8, 16, 32
8, 16, 32, 64
8, 16
Возможность использования в сельскохозяйственном производстве
да
в частных случаях
да
с доп. защитой
в частных случаях
Степень информативности
(документированности РФ)
хорошая
средняя
средняя
низкая
отличная
Периферийные устройства
большое количество
среднее количество
среднее количество
большое количество
малое количество
Среды программирования
множество, платных и бесплатных
условно-бесплатная
условно-бесплатная
очень мало, все платные
очень много
Порог вхождения
высокий
средний
высокий
очень высокий
низкий
Микроконтроллеры AVR – в основном это 8-битные микроконтроллеры, но с недавнего времени фирма Atmel выпускает и 32-битные под называнием AVR32 [11]. Главным их достоинством является хорошая информационная обеспеченность, а также относительно низкий порог вхождения для начинающих разработчиков. Данный вид микроконтроллеров относится к Гарвардской архитектуре, к системе команд RISC. Также для AVR существует множество IDE (интеллектуальных средств разработки), самой популярной из которых является Atmel Studio (раньше AVR Studio). Одноплатные компьютеры Arduino, популярные для автоматизации мелкосерийного или бытового оборудования, используют именно данную архитектуру, но с развитием 32- и с недавнего времени 64-битных микроконтроллеров, а также с возросшими требованиями потребителей к увеличению объёма вычислительной мощности, эти микроконтроллеры практически потеряли свою актуальность.
В настоящее время микроконтроллеры AVR не смогут обеспечить большую часть потребностей в автоматизации и тем более роботизации современного сельского хозяйства. Но могут быть использованы для задач сбора и преобразования информации или управления малоответственными (лёгкими) технологическими процессами производства сельскохозяйственной продукции, а также в лабораторных условиях.
Одним из лидеров в данном сегменте промышленности, как в технологическом, так и в вычислительном сегменте, являются микропроцессоры Intel. В частности, семейство процессоров Intel Quark X100x и одноплатные компьютеры на базе данного процессора, обладающие высокой по сравнению с конкурентами вычислительной мощностью и многозадачностью, что позволяет управлять несколькими сложными процессами одновременно.
Однако главными недостатками процессоров Intel является их высокая стоимость и энергопотребление, высокий порог вхождения, малое распространение в России. Причём высокая стоимость относится как к самому оборудованию, так и к средам интеллектуальной разработки для программирования данных процессоров. Всё вышесказанное приводит к малой распространённости данных микропроцессоров.
Микроконтроллеры MSP и DSP TMS от американской компании Texas Instruments являются современными и получили более широкое распространение, чем микроконтроллеры AVR. В целом продукция компании Texas Instruments имеет два направления в данном сегменте – это семейство контроллеров MSP430 и семейство DSP TMS320.
Семейство MSP430 – семейство 16-рязрядных микроконтроллеров с низким энергопотреблением. Их преимущество заключается в простоте работы, хорошей документированности и низком уровне энергопотребления. Минимальный набор команд делает их удобными для работы начинающих специалистов. Они используются во многих сферах деятельности, в частности при изготовлении электроники бытового назначения.
К недостаткам MSP430 можно отнести низкую вычислительную мощность, не позволяющую их использовать для современных задач, на решение которых направлена автоматизация, и они не предназначены для промышленного оборудования.
Семейство DSP TMS320 – это мощные, современные 32-разрядные микроконтроллеры, отчасти использующие архитектуру ARM. Данные микроконтроллеры обладают внушительной вычислительной мощностью, а также богатой разветвлённой периферией. Поддерживают множество каналов передачи данных. Они разрабатывались для использования в промышленном оборудовании разного назначения. С этой целью корпорация Texas Instruments изготавливает их с высокой степенью надёжности и защищённости, сопоставимой с ПЛК.
Микроконтроллеры на базе архитектуры АRМ. Архитектура ARM – на данный момент является самой популярной архитектурой в мире. Микроконтроллеры на её основе установлены практически на всех современных мобильных устройствах. Модельный ряд состоит как из 16-, 32-, так и 64-битных плат, что пока является редким явлением в данной сфере. Под лицензией АRМ выпускают продукцию множество фирм, таких, как STMicroelectronics, Intel XScale, NVIDIA Tegra, Texas Instruments, OMAP, Samsung Hummingbird и др. [12].
Одним из ярких представителей в данном сегменте выступает компания STMicroelectronics. Это европейская компания, специализирующая на производстве микроэлектронной продукции. Их микроконтроллеры STM32 и отладочные платы, такие, как Discovery и Nucleo, занимают лидирующие позиции на рынке. Данное семейство обладает очень хорошей документированностью и набором готовых решений для автоматизации и роботизации оборудования, что повышает эффективность разработки электронных устройств на базе данного семейства. К главному недостатку STM32 можно отнести сложность разработки в связи с богатой периферией данных устройств. Однако STM32, несмотря на свои недостатки, занимает одну из лидирующих позиций в сфере микроконтроллерного оборудования и является отличным вариантом для автоматизации технологического оборудования и процессов в сельском хозяйстве.
В России также ведутся разработки в области микроконтроллеров. Однако половина из производимых в отечественной промышленности контроллеров – это аналоги зарубежных микроконтроллеров и производятся по лицензии. На данный момент больше всего продвинулись в этом вопросе и предоставляют конкурентноспособные микроконтроллеры такие производители, как АО «Ангстрем», АО «ПКК Миландр» и АО «НИИЭТ», а также ПАО «Микрон».
Общим же недостатком рассмотренных микроконтроллеров отечественного производства является их крайне низкая документированность и популярность в стране-производителе, которая, по некоторым данным, ниже, чем у конкурентов зарубежного происхождения. Всё это сильно сдерживает развитие российской компьютерной, микроэлектронной промышленности.
Вывод. На основе проведённого анализа был сделан вывод, что для отработки и моделирования процессов, происходящих в сельскохозяйственном производстве, достаточно использование одноплатных компьютеров Arduino на базе AVR и STM 32 на базе современных микроконтроллеров ARM. Они обладают хорошей документированностью и большим количеством периферийных устройств. Однако контроллеры Arduino по своим техническим характеристикам крайне чувствительны к перепадам напряжения, магнитным полям и прочим помехам, присутствующим на производстве, поэтому пригодны для использования только в лабораторных условиях. Микроконтроллер STM 32 с большим набором периферийных устройств и портов ввода/вывода можно использовать для построения системы автоматизации, которые в будущем будут применены на образцах сельскохозяйственных машин, в частности на распределителях твёрдых минеральных удобрений.
Литература
1. Александров С.Н., Косова Т.И. Комбикормовое производство для животноводства и птицеводства: Сырьевая база комбикормового производства; Минеральные корма; Технологические процессы производства комбикормов. М.: Машиностроение, 2013. 192 c.
2. Автоматизация производственных процессов в машиностроении. М.: Высшая школа, 2015. 416 c.
3. Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И., Замчалов Ю.П. Автоматизация производственных процессов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2014. 431 c.
4. Дастин Э., Рэшка Д., Пол Д. Тестирование программного обеспечения. Внедрение, управление и автоматизация. М.: Лори, 2013. 567 c.
5. Безменов В.С., Ефремов В.А., Руднев В.В. Автоматизация процессов дозирования жидкостей в условиях малых производств. Вологда: Инфра-Инженерия, 2010. 216 c.
6. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М: Горячая Линия-Телеком, 2009. 608 с.
7. Минаев И.Г., Самойленко В.В. Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера. Ставрополь: АГРУС, 2009. 100 с.
8. Минаев И.Г. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления / И.Г. Минаев, В.М. Шарапов, В.В. Самойленко [и др.]. Ставрополь: АГРУС, 2010. 128 с.
9. Блум Джереми Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 336 с.
10. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. СПб.: БХВ-Петербург, 2014. 400 с.:
11. Мортон Джон. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс/ Пер. с англ. Евстифеев А.В. СПб.: ДМК Пресс, 2015. 272 с.
12. Джозеф Ю. Ядро Cortex-M3 компании ARM. Полное руководство / пер. с англ. А.В. Евстифеева. М.: Додэка-XXI, 552 с.
№ 3 (83)
