Инновационные технологии в инкубации. Журнал "ПТИЦЕВОДСТВО". Февраль 2018 г.

Постригань С.А. , генеральный директор ООО «СЕГАНЭЛ»

Маковей Л.П., сотрудник отдела развития ООО «СЕГАНЭЛ»

Аннотация:

В статье представлены инновационные технологии, касающиеся программного обеспечения процесса инкубации, основанного на особенностях метаболизма эмбрионов современных высокопродуктивных кроссов сельскохозяйственной птицы.

Ключевые слова:  метаболическое тепло, контроль температуры, контроль зональности, программное обеспечение, интеллектуальные системы, оборудование для инкубации.

В рамках программы импортозамещения в сельском хозяйстве перед птицеводческой отраслью стоят задачи увеличения поголовья птицы, что требует наращивания и реорганизации производственных мощностей и усовершенствования технологических процессов, прежде всего, в области инкубации. Но за годы затяжного спада сельхозпроизводства, птицеводство, как и животноводство, постепенно лишилось опытных, квалифицированных специалистов – технологов, зоотехников, операторов и техников, так называемых КИПовцев. Проблема недостатка квалифицированных кадров может быть решена несколькими способами. Один из них – это разработка и создание автоматизированных птицеводческих программ и комплексов. И этот способ является предпочтительным, особенно в ближайшее время, так как обучение и стажировка новых кадров займут достаточно продолжительное время, не говоря уже о профессиональном опыте, который накапливается годами и десятилетиями. Автоматизированные же программы дадут не только быстрое, но и перспективное решение кадровой проблемы, так как позволят уменьшить необходимое в будущем количество специалистов.

Кроме того, системы должны быть не просто автоматизированными, но интеллектуальными. Развитие живого организма, особенно его эмбриона, как в случае инкубации яйца птицы, процесс сложный, тонкий и уязвимый. Негибкое механистичное управление таким процессом может привести, если не к гибели зародыша, то к его некорректному развитию и значительному ухудшению его жизнеспособности.

Основным условием, обеспечивающим развитие зародыша в яйце, является тепло. А критическим фактором, влияющим на вывод полноценного суточного молодняка, является температурный режим, строго соответствующий потребностям зародыша на различных стадиях инкубации. 

Традиционно  при инкубации регуляция температурного режима в камере  осуществлялась в основном за счёт принудительного нагрева/охлаждения воздуха механическими агрегатами (нагревательными элементами и радиаторами охлаждения).  Продукты жизнедеятельности зародыша, например, метаболическое тепло (метаболическая теплота), не рассматривались и не использовались, как системный ресурс, а только лишь, как отрицательный фактор и побочный эффект, который необходимо преодолевать, затрачивая дополнительные ресурсы (электроэнергию и воду), что повышало стоимость производства. Кроме того такое принудительное решение проблемы приводило к неизбежному возникновению ярко выраженной температурной зональности в камере и, соответственно, к перегреву/переохлаждению определённого количества яиц в камере, т.е. ухудшению показателей выводимости яиц.

Инновационность технологий SEGANEL заключается в новом подходе к метаболическому теплу. Оно используется в инкубаторах SEGANEL как ресурс и движущая сила процесса регуляции температурного режима и как расчётный параметр для алгоритмов его регуляции во второй фазе инкубации. Это достигается тщательным управлением физическими процессами теплообмена и воздухообмена в камере с помощью рефлекторной интеллектуальной инкубационной системы SEGANEL. Эффективный контроль и управление параметрами воздушной среды (температура, влажность, воздухообмен) в инкубаторе достигается использованием во второй фазе инкубации ряда конкретных технологий.

Чем старше зародыш, тем больше для обменных процессов его жизнедеятельности требуется кислорода и тем больше он выделяет углекислого газа и тепла [1]. Все эти показатели находятся в прямой зависимости. Технология «Контроль качества воздуха» работает на основе расчёта количества метаболического тепла, выделяемого эмбрионом (яйцом). И на основании изменений этого показателя система управляет воздухообменом в инкубационной камере. Необходимое качество воздуха (количество кислорода в воздухе) поддерживается в камере путём автоматического управления воздушными заслонками. Схема процесса воздухообмена изображена на рис. 1.

Технология также учитывает качество воздушной среды за пределами камеры – в помещении инкубатория. При плохой вентиляции в помещении, а значит, недостаточном содержании кислорода в окружающем воздухе или его повышенной температуре система повысит скорость воздухообмена в камере, увеличив угол открытия воздушной заслонки, тем самым позволяя поддержать необходимое эмбриону количество кислорода и нивелируя температурную зональность внутри инкубатора.  Поскольку управление воздухообменом осуществляется в тесной связи с управлением температурным режимом в инкубаторе, непосредственно влияющим на физические параметры воздушной среды – плотность воздуха и, соответственно, количество содержащегося в нём кислорода.

Температурный режим поддерживается с помощью технологии «Контроль температуры яйца». Она позволяет избежать перегрева яйца при активном выделении им тепла во второй фазе инкубации и, особенно, в её финальной стадии – перед выводом.

Охлаждение происходит за счёт съёма метаболического тепла со скорлупы, которая является естественным природным теплообменником (радиатором). Для яйца она служит радиатором охлаждения, а для окружающего воздуха – нагревательным элементом. Съём тепла происходит не непосредственно со скорлупы, а с так называемой тепловой короны – образующейся вокруг яйца оболочки нагретого метаболическим теплом воздуха. Это происходит за счёт специфики эндотермического процесса испарения воды.

С помощью технологии «Контроль температуры яйца» система регулирует уровень влажности воздушной среды в камере. Часть воды, подаваемой на вентилятор перемешивания, испаряется сразу, а часть разбрызгивается и образует мелко дисперсионную смесь (водный туман), которая равномерно распределяется воздушным потоком по всему объёму камеры.  Микро капли  воды из воздуха, испаряются в первую очередь там, где идёт максимальное тепловыделение. То есть непосредственно возле яйца, тем самым равномерно и своевременно охлаждая все яйца в камере, как по её периметру, так и в центре между рядами. Специфика процесса испарения позволяет минимизировать зональность. Так как с яиц, выделяющих большее количество тепла и нагревающих окружающий воздух до более высокой температуры, съём тепла происходит с большей интенсивностью.

Использование метаболического тепла эмбриона для охлаждения воздуха при испарении воды позволяет не только отказаться от постоянного использования радиаторов охлаждения, но и добиться большей гомогенности температуры в камере, чем при использовании радиаторов. В работе системы SEGANEL радиаторы используются только для аварийной работы, в случае нарушений работы системы увлажнения или контроля температуры, а также в случае критического ухудшения качества воздушной среды за пределами камеры.  Таким образом, расход воды существенно уменьшается и составляет до 2–4 литров в час, что позволяет уменьшить затраты на подачу, охлаждение и канализирование воды. Схема процесса теплообмена изображена на рис. 2.

Технология «Контроль зональности в камере» позволяет избежать переохлаждении яйца в нижней части камеры в холодное время года, особенно при недостаточно хорошей теплоизоляции камер от пола инкубатория. Она позволяет уменьшить разницу температур между верхней и нижней зонами камеры с 1,0-1,5 до 0,2-0,3 гр. С.  Это достигается с помощью периодического кратковременного включения нагревателей. Длительность, периодичность и степень нагрева регулируются технологией «Контроль зональности в камере» согласованно с основными алгоритмами контроля влажности и воздухообмена. Схема процесса выравнивания температур изображена на рис. 3.

За счёт точного поддержания корректного температурного режима на всех стадиях инкубации технология не только позволяет уменьшить окно вывода и увеличить процент вывода, но и повысить качество и жизнеспособность выведенного молодняка, обеспечивая благоприятный режим для формирования всех физиологических систем эмбриона.

Интеллектуальная инкубационная система SEGANEL способна самостоятельно адаптироваться к особенностям инкубации яйца разных пород и видов птицы без кардинальной перенастройки системы. Так как  основным расчётным параметром в работе системы является метаболическое тепло, то основной алгоритм системы не изменяется, а лишь подстраивается к новым вводным данным, поступающим от датчиков температуры и влажности.  Таким образом, система будет актуальна и для вновь созданных в дальнейшем высокопродуктивных кроссов с.-х.  птицы.

        Программное обеспечение интеллектуальной инкубационной системы SEGANEL позволяет учитывать множественные вводные переменные, зависящие от изменений температуры и качества воздуха. А также корректировать их во всех алгоритмах (контроль температуры, контроль влажности и контроль качества воздуха) в режиме реального времени. Разработанная система оперативно реагирует на изменения условий, определяя приоритетный на данный момент алгоритм управления и согласовывая с ним работу остальных алгоритмов для эффективного и точного поддержания заданных оператором инкубатория параметров по температурному режиму и уровню влажности, необходимых для конкретной партии яиц того или иного вида или кросса птицы.

Покажем это на нескольких примерах конкретных ситуаций в процессе инкубации.

Пример 1.

На этапе запуска камеры с яйцом в режиме разогрева для выхода на заданные параметры приоритетной задачей является нагрев и соблюдение уровня влажности. Система работает нагревателями. Воздушные заслонки  закрыты (вентиляторы подачи воздуха не активны). Подача воды для увлажнения начинается при подъёме температуры с +36 ^оС.

Пример 2.

После активизации обменных процессов жизнедеятельности эмбриона приоритетной задачей становится обеспечение яйца достаточным количеством кислорода при необходимой температуре и влажности. Система уменьшает мощность нагревателей и приоткрывает заслонки, регулируя уровень влажности и скорость воздухообмена.

Пример 3.

В середине инкубации потребление кислорода и выделение тепла яйцом увеличивается. Для поддержания заданных оператором температурных параметров приоритетной задачей становится уже не нагрев, а охлаждение воздуха в камере, при соблюдении заданных параметров влажности. Система отключает нагреватели, увеличивает угол открытия  заслонок для того, чтобы ускорить воздухообмен. А также увеличивает подачу воды на вентилятор перемешивания, для того, чтобы при возросшей интенсивности испарения, позволяющей охладить воздух до заданной температуры, и возросшей скорости воздухообмена уровень влажности не падал (так как влага удаляется из камеры вместе с отработанным воздухом), а оставался в соответствии с заданным значением.

Пример 4. 

Во второй половине инкубации основными задачами остаются поддержание заданных параметров воздуха (температуры, влажности и насыщенности кислородом). Но инкубационная камера – открытая система, а не автономное замкнутое пространство. На состояние воздушной среды внутри камеры влияют и внешние факторы. Например, понижение температуры в помещении инкубатория и, как следствие, подача в камеру более холодного воздуха. Это может происходить при большой амплитуде суточных колебаний температуры или форс-мажорных обстоятельствах, спровоцированных человеческим фактором (например, оставленная открытой дверь инкубатория). В этом случае избежать понижения температуры внутри камеры можно включив нагреватели или уменьшив угол наклона заслонок, тем самым уменьшив скорость воздухообмена и скорость теплопотери. Из двух способов система определит приоритетным тот, который не только решит задачу, но и позволит сэкономить энергозатраты. Система уменьшит угол открытия воздушных заслонок, а также сократит подачу воды, чтобы снизить испарение, а значит, съём метаболического тепла. Таким образом, охлаждение воздуха в камере останется на заданном уровне. Хочется подчеркнуть, что замедление воздухообмена не приведёт к ухудшению качества воздуха, так как поступающий в камеру извне более холодный воздух плотнее и в меньшем его объёме количество атомов кислорода будет прежним, то есть достаточным. И только при исчерпании всех физических возможностей регулирования скорости воздухообмена и уровня влажности система включит нагреватели.

При повышении температуры в помещении инкубатория система организует процесс охлаждения воздуха в камере обратным образом – ускорит воздухообмен и увеличит подачу воды для интенсификации испарения. А в экстренном случае включит радиаторы охлаждения.

Как показывает последний пример в интеллектуальной инкубационной системе SEGANEL предусмотрены дублирующие  алгоритмы и возможности, позволяющие повысить надёжность работы инкубатора в различных условиях даже при форс-мажорных обстоятельствах или ошибках, спровоцированных человеческим фактором. Система также оснащена неотключаемой сигнализацией,  оповещающей технический персонал о необходимости предпринять действия по стабилизации работы, недоступные для самой системы. Такие, например, как устранение нарушения электропитания или подвода воды, механическое повреждение целостности камеры и прочее.

Кроме того, производимые компанией SEGANEL электронные приборы (системы управления), реализующие работу программного обеспечения технологии SEGANEL, разработаны и выполнены таким образом, что их обслуживание не требует специальной подготовки технического персонала инкубатория. Например, входные и выходные каналы прибора выполнены в виде сменных взаимозаменяемых силовых субмодулей, снабжённых световой индикацией исправности, что облегчает поиск и устранение неисправностей без обращения к производителю.  Срок службы системы рассчитан на 10–12 лет. Каждые 5–6 лет работы необходимо произвести корректировку программного обеспечения и полную проверку, и настройку электронных схем в лаборатории производителя.

На базе технологии SEGANEL компания разработала несколько автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) для разного типа инкубационных камер, как зарубежных (с вентиляторами подачи воздуха – МИКО 2.0), так и отечественных (с воздушными заслонками).  Система может быть установлена как на барабанные (МИКО 1.1), так и на тележечные (МИКО 2.1) камеры, обеспечивая не только точный и независимый контроль поворотных механизмов, но и защиту от возможных неисправностей (некорректное положение лотка или заклинивание механизма). В таком случае система остановит движение и подаст сигнал о неисправности.

Интеллектуальная система инкубации SEGANEL позволяет не только обеспечить полное управление всем технологическим процессом, но и улучшить организацию всего производственного процесса предприятия и логистики с помощью программного комплекса PROCON с  интуитивно-понятным интерфейсом для пользователя любого уровня (рис. 4).

Полное управление всем технологическим процессом:

• Отображение состояния цеха в реальном времени, без задержек. Удобная понятная таблица заданий позволяет создавать неограниченное количество шаблонов для разных кроссов и автоматически выставляет задание на камеры каждый день в указанное время. При работе по таблице компьютер контролирует, несанкционированные вмешательства в режимы инкубации.
• Закладка «Склад» предназначена для создания новых партий (дата поступления, количество яиц, наименование птицы, производитель, дней на складе, брак).
• Закладка «Производство» помогает полностью отслеживать и управлять движением партий яиц и цыплят в процессе производства.  В рубриках вкладки вносятся такие данные как: миражи, брак, вывод, довывод. Программа автоматически рассчитывает такие показатели как: процент вывода и выводимость, что позволяет отслеживать качество яйца и качество инкубации.

Разнообразные виды и способы отчетности:

• Сбор информации в архив, формирование массивов статданных и любых видов отчетов: графических, по технологическому процессу, действий сотрудников, поступление на склад, передвижение партий яиц по инкубаторию, отслеживание по партии и по камере.
• Настраиваемые права доступа для пользователей: операторов, заведующих цехом, бухгалтеров, директоров.
• Голосовое оповещение

Преимущества использования программного комплекса PROCON:

• Наличие у руководителя достоверной информации о производстве и работе сотрудников в реальном времени.
• Уменьшение затрат рабочего времени персонала при подготовке отчетных документов на 70%.
• Экономия времени при анализе режимов инкубации для последующей корректировки.
• Увеличение пропускной способности цеха.

Преимущества интеллектуальной системы инкубации SEGANEL в целом:

• Увеличение процента вывода и сокращение окна вывода.
• Сохранность суточного молодняка.
• Снижение себестоимости продукции.
• Экономия природных ресурсов и энергоносителей.
• Сокращение финансовых затрат, благодаря автоматизации процесса и повышению производительности труда (один оператор может обслуживать большее количество инкубационных камер)
• Сведение к минимуму ошибок сотрудников и влияния человеческого фактора.
• Аналогов данной технологии в настоящее время не представлено. 

Примечания:

1 – Базовыми для расчётных формул алгоритмов были приняты данные об общих выделениях тепла (явное и скрытое) эмбрионами кур, уток и гусей при температуре воздуха в инкубаторе 37, 8 °С, его относительной влажности 60% и скорости воздуха около 0, 1 м/с (см. Буртов Ю.З., Голдин Ю.С., Кривопишин И.П. «Инкубация яиц / Справочник.», таб. 56).

Литература:

1. Коркина В.Д., Бродач М.М.   Англо-русский терминологический словарь ASHRAE по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха и охлаждению / Под ред. профессора В.Д. Коркина, доцента М.М. Бродач. — Москва: «АВОК-Пресс», 2002. — 240 с.

2. Буртов Ю.З., Голдин Ю.С., Кривопишин И.П. Инкубация яиц / Справочник. − М.: Агропромиздат, 1990. − 239 с.