Введение

Важным условием получения доброкачественного молока и увеличения срока его свежести является чистота молочных резервуаров и всех соприкасающихся с ним коммуникаций и аппаратуры. Их загрязнение один из главных источников бактериального обсеменения молока.

При машинном доении коров молоко попадает непосредственно в емкость. Такой закрытый путь обеспечивает молоку достаточную чистоту. Но это достигается только при тщательном соблюдении санитарно-гигиенических режимов очистки и дезинфекции доильных аппаратов и молочного оборудования

Молочные поточные технологические линии животноводческих ферм, закольцованные молокопроводами в замкнутые системы промывают моющими дезинфицирующими средствами циркуляционным способом.

Последовательность промывки

Ополаскивание:

Для ополаскивания промывочная ванна заполняется холодной водой через электрический клапан. Затем начинают работать вакуумные насосы, система воздушной инженерии и пульсации. На этой стадии вода проходит по трубопроводу зала и сливается. Вода должно быть подогретой до температуры 35-40.°С, так как при более высокой температуре Альбумины и некоторые соли молока выпадают в осадок и прочно прилипают к поверхности, а более холодной воды жир переходит в твердое состояние, вязкость молока увеличивается, и он хуже смывается.

Помывка щелочью:

Промывка оборудования с помощью моющих средств. Ее эффективность зависит от состава и концентрации моющих средств. Количество моющего раствора должно соответствовать величине загрязненности поверхности. При его недостаточности снижается способность раствора удерживать во взвешенном состоянии отмытые загрязнения, часть их снова осаждается.[10]

Моющие средства представляют собой сложные смеси из нескольких компонентов:

Высокощелочные моющие средства, основной составной частью является едкий натрий до 90%, остальное тринатрийфосфат, триполифосфат, метасиликат натрия. Эти моющие средства применяют в концентрации 0.2…1% для циркуляционной автоматической мойки молочного оборудования из химически стойких материалов: нержавеющей стали, стекла и пластмассы.

Умерено щелочные моющие средства. Их применяют для ежедневной мойки доильной аппаратуры и молочного оборудования в концентрации от 0,25 до 0,75%. В их состав входит кальцинированная сода, фосфаты натрия, метасиликат натрия и поверхностно активные вещества (ПАВ) в различных соотношениях. К этой группе относятся моющие средства А,Б,В.

Нейтральные моющие средства. В их состав входят синтетические средства ПАВ и в незначительном количества полифосфаты. Реакция в этих растворах равна нейтральной, поэтому эти средства широко используют для мойки доильной аппаратуру и молочного оборудования.

Кислотные средства. Их применяют в виде 0…20.5% растворах азотной, соляной, уксусной и других кислот для удаления молочного камня. Кроме того, раствор быстро остывает, между тем температура раствора играет важную роль в процессе: холодный раствор обладает низкой моющей способностью. При повышении температуру раствора до 50°С его вязкость уменьшается в 2 раза, снижается поверхностное натяжение, в итоге качество промывки становится лучше. Более высокая температура может вызывать ожоги кожи человека и усиливает коррозионное действие раствора на оборудование. Поэтому при промывке в ручную не выше 45°С а, с температурой 65°С и выше применять при циркуляционном безразборном способе промывки.

1. Обзор аналогов на базе других микроконтроллеров.

Автомат промывки молокопровода позволяет управлять всем процессом промывки и производить промывку доильных аппаратов и линейных трубопроводов в полностью автоматизированном режиме без участия персонала фермы.

Автомат промывки молокопровода оснащен системой программирования, при помощи которой приготавливаются моющие растворы. Корпус автомата и его основные детали изготавливают, как правило, из нержавеющей стали.

Промывка доильной установки основана на непрерывной циркуляции воды в замкнутой системе.

Автомат промывки молокопровода состоит из трубопровода, который выполнен из нержавеющей стали и осуществляет перемещение моющей жидкости к молокопроводу (находится в коровнике) от устройства промывки доильных аппаратов. Трубопровод включает в себя колена, элементы креплений и соединительные муфты.

Устройство промывки линейного молокопровода состоит из нижней и верхней промывочных труб. Осуществляет подключение доильных аппаратов в ходе промывки системы

1.1 Автомат промывки и управления T200.

Рисунок 1. Блок управления T200

Основные преимущества:

· Микропроцессорное управление

· Низкий расход воды

Возможности:

Управление в этих усовершенствованных автоматах осуществляется с помощью микропроцессора. В них используется несколько программ промывки, рассчитанных на различные условия, существующие на фермах.

Автомат T200 компании ДеЛаваль, обеспечивая тщательную промывку, смывает все остаточные загрязнения потоком воды, который сразу после этого поступает в слив, благодаря чему исключена циркуляция малых частиц молока и загрязнений внутри промывочной системы танка.

Дополнительным преимуществом этого автомата по сравнению со стандартными системами является значительно меньший расход воды в основном цикле промывки.[5]

Преимущества:

Автомат T200 компании ДеЛаваль является лучшим в отрасли устройством для промывки. Если быть кратким, то он сокращает расход воды на 46 %, моющих средств – на 43 %, а сокращение затрат времени может достигать 60 % по сравнению с современными циркуляционными промывочными системами. Работать с дисплеем удобно и просто.

1.2 Автомат промывки и управления SineTherm A

Рисунок 2. Блок управления SineTherm A

SineTherm — испытанный в течение многих лет и прочный автомат промывки. SineTherm гарантирует высочайшую эффективность и надежность при промывке всех мSineTherm — испытанный в течение многих лет и прочный автомат промывки. SineTherm гарантирует высочайшую эффективность и надежность при промывке всех молокопроводящих деталей и, тем самым, конечно, лучшее качество молока.[6]

В качестве «одиночного» средства промывки в ванне он очень просто монтируется. Относительно размеров доильного зала — верхней границы для этого автомата не существует:

— SineTherm A — для малых и средних доильных установок. — SineTherm B — для средних и больших доильных установок.

· Вы экономите до 30% воды

· Благодаря регистрации второго уровня воды в ванне для промывки расход воды можно уменьшить до 30%

· Вы экономите на трудозатратах

· Как SineTherm A, так и E могут автоматически дозировать моющие средства

· Вы экономите на эксплуатационных издержках

· Благодаря новому электронному управлению можно точно, просто и быстро настроить абсолютно все периоды и параметры промывки под требования на Вашем предприятии

· Вы экономите время и нервы

· Цифровой дисплей постоянно выдает Вам информацию для контроля за всеми процессами, а также сообщения об ошибках

· Экономия на долгий срок

· Высококачественная электроника защищена в герметичном корпусе современного дизайна

1.3 Автомат промывки UNIWASH 3

Автомат промывки Uniwash 3 от компании SAC является необходимой частью системы доения. Он предназначен для автоматической промывки молочных труб доильных залов и молокопроводов по специальной программе после доения,а также для ополаскивания до начала доения.

Он состоит из программируемых органов управления со средствами сбора данных, дозирующими насосами для моющего раствора и дезинфицирующего раствора, и водных клапанов для наполнения моечной ванны. Заметим, что возвратная вода поступает из нижней части установки Uniwash 3 в моечную ванну. Моечная установка должна располагаться рядом с моечной ванной, что предотвращает конденсацию на электронных компонентах пара, поступающего из моечной ванны

Автомат промывки можно оснастить датчиком температуры воды в моечной ванне. Датчик температуры должен устанавливаться на внутренней стороне моечной ванны рядом с дном. Температура воды измеряется перед началом мойки и непосредственно перед поступлением моющей воды в слив. Во время мойки показания температуры воды могут считываться на дисплее. Автомат промывки Uniwash 3 активизирует сигнал тревоги, если конечная температура моющей воды падает ниже установленного значения. Конечная температура не должна быть ниже 40С вплоть до слива воды.

Заказчик должен обеспечить источник подачи воды, оборудованный невозвратным клапаном и запорным краном ½”. В случае риска подачи воды, содержащей примеси, рекомендуется установить водяной фильтр с патрубком ½”. Относительно давления и объема воды специальных требований не существует. Однако, в том случае, если промывочная ванна не наполняется в течение предварительно определенного времени, будет активизироваться сигнал тревоги. Дозирующие насосы должны быть снабжены всасывающими шлангами и трубами стойкими к химическим реактивам. Концы труб должны быть обрезаны под углом, чтобы они могли всасывать раствор со дна емкостей с химическими реактивами.

Все настройки автомата промывки осуществляются через контрольную панель на Uniwash 3.

Панель управления состоит из графического дисплея и расположенных вокруг него 8 кнопок. При активизации кнопки символ, появляющийся на дисплее, указывает функцию кнопки. Кроме того, на дисплее рядом с кнопкой отображается линия.[2]

Рисунок 3. Блок управления UNIWASH 3

2. Разработка структурной схемы

Структурная схема описывает основные функциональные части разра-батываемого устройства, их назначение и связи между ними. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графиче-ских обозначений.

Рисунок 4. Блок-схема системы промывки молокопровода.

Для создания нашего проекта была разработана структурная блок схема управления. Бок управления должен состоять из следующих обязательных блоков: микроконтроллера, дисплея, клавиатуры, светодиодов (которые заменяю блок реле) и датчиком уровня воды.

2.1 Блок обработки данных.

Микроконтроллер является основным блоком управления и обработки данных. Он задает последовательность, параметры и режимы промывки, а так же при помощи него осуществляется управление периферийными устройствами и обработка данных с датчиков.

2.2 Блок индикации.

Блок индикации LM016L предназначен для управления блок схемы совместно с клавиатурой, задаются необходимые параметры или режимы промывки, которые выводятся на дисплей

2.3 Датчики.

Жидкость – вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в котором оно находится.

Датчики уровня жидкостей необходимы для контроля уровня жидкостей в ёмкостях или трубопроводах. По функционалу датчики уровня делятся на уровнемеры и сигнализаторы.

В зависимости от поставленных задач подбирается необходимый тип оборудования, уровнемеры или сигнализаторы. В нашем случаи используется датчик сигнализатор, для того что бы определить заданное положение уровня воды в ёмкости.

2.4 Блок клавиатуры.

Допустим нам надо подавать команды нашему девайсу. Проще всего это делать посредством обычных кнопок, повешенных на порт. Но одно дело когда кнопок две три, и другое когда их штук двадцать. Не убивать же ради этого двадцать выводов контроллера. Решение проблемы есть — матрицирование. То есть кнопки группируются в ряды и столбцы, а полученная матрица последовательно опрашивается микроконтроллером, что позволяет резко снизить количество нужных выводов ценой усложнения алгоритма опроса.

В качестве клавиатуры выберем мембранную матричную клавиатуру 3х3 в нем достаточно кнопок для управления нашей блок схемой.

2.5 Расширитель портов.

PCF8574 содержит 8-битный порт ввода-вывода общего назначения, чтение или запись данных осуществляется любым микроконтроллером или другим устройством по шине I2C. Расширитель имеет низкий потребляемый ток и выходы с регистром-защелкой с высокими характеристиками по току для прямой передачи сигнала на светодиоды и т.п. Также в устройстве есть линия прерывания (INT), которая может быть подключена к логике прерывания микроконтроллера. Посылая сигнал прерывания по этой линии, дистанционный ввод - вывод сообщает микроконтроллеру о поступающих на его порты данных, без необходимости поддерживать связь через I2C-шину. Это значит, что PCF8574 может оставаться простым "подчиненным" устройством.[11]

3. Разработка схемы электрической принципиальной.

Схема системы промывки молокопровода разрабатывалась и симулировалась в САПР Proteus 8.7, который имеет все необходимые элементы для создания нашего проекта.

- Микроконтроллер Arduino UNO

- Клавиатура 3х3

- Кнопка (вместо датчика уровня воды)

- Дисплей LM016L

- Светодиоды (заменяют блок реле)

- Расширитель портов PCF8574

Рисунок 5. Принципиальная схема устройства.

3.1. Выбор микроконтроллера.

Arduino Uno – плата от компании Arduino, построенная на микроконтроллере ATmega 328.

Плата имеет на борту 6 аналоговых входов, 14 цифровых выводов общего назначения (могут являться как входами, так и выходами), кварцевый генератор на 16 МГц, два разъема: силовой и USB, разъем ISCP для внутрисхемного программирования и кнопку горячей перезагрузки устройства. Для стабильной работы плату необходимо подключить к питанию либо через встроенный USB Разъем, либо подключив разъем питания к источнику от 7 до 12В. Через переходник питания плата также может работать и от батареи формата Крона.

Основное отличие платы от предыдущих – для взаимодействия по USB Arduino Uno использует отдельный микроконтроллер ATmega8U2. Прошлые версии Arduino использовали для этого микросхему программатора FTDI.[9]

Несложно догадаться, что благодаря своему итальянскому происхождению, слова “Arduino” и “Uno” взяты именно из этого языка. Компания назвалась “Arduino” в честь короля Италии 11 века Ардуина, а Уно переводится с итальянского как “первый”.

Рисунок 6. Плата Arduino UNO.

Характеристики:

· Микроконтроллер

ATmega328

· Рабочее напряжение

5В

· Напряжение питания (рекомендуемое)

7-12В

· Напряжение питания (предельное)

6-20В

· Цифровые входы/выходы

14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов)

· Аналоговые входы

6

· Максимальный ток одного вывода

40 мА

· Максимальный выходной ток вывода 3.3V

50 мА

· Flash-память

32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком

· SRAM

2 КБ (ATmega328)

· EEPROM

1 КБ (ATmega328)

· Тактовая частота

16 МГц

Физические характеристики:

Максимальная длина и ширина печатной платы Uno составляет 6.9 см и 5.4 см соответственно, с учетом разъема USB и разъема питания, выступающих за пределы платы. Четыре крепежных отверстия позволяют прикреплять плату к поверхности или корпусу. Обратите внимание, что расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 не кратно традиционным 2.54 мм и составляет 4 мм.

3.2. Выбор клавиатуры.

Иногда мы сталкиваемся с проблемой нехватки портов на Arduino. Чаще всего это относится к моделям с небольшим количеством выводов. Для этого была придумана матричная клавиатура. Такая система работает в компьютерных клавиатурах, калькуляторах, телефонах и других устройств, в которых используется большое количество кнопок.[1]

Для Arduino чаще всего используются такие клавиатуры(рис. 7.)

Самыми распространенными являются 16 кнопочные клавиатуры 4x4. Принцип их работы достаточно прост, Arduino поочередно подает логическую единицу на каждый 4 столбцов, в этот момент 4 входа Arduino считывают значения, и только на один вход подается высокий уровень. Это довольно просто, если знать возможности управления портами вывода в Arduino, а так же портами входа/ввода. Для программирования можно использовать специализированную библиотеку Keypad.

Рисунок 7. Матричная клавиатура.

3.3. Выбор дисплея.

В нашей блок схеме используется LCD дисплей LM016L на основе микроконтроллера HD44780.

Рисунок 8. Дисплей LM016L.

Достоинством символьных многострочных LCD является то, что заботу о подаче требуемых напряжений на массив "ЖК-конденсаторов" берет на себя встроенный управляющий контроллер. На рис.1 показана структурная схема типового LCD с организацией 16х2, которая идентична для всех моделей независимо от фирмы-изготовителя. Основу составляет специализированный контроллер, обычно выполненный в виде одной или двух микросхем-"капелек", реже - в виде фирменной SMD-микросхемы. По назначению выводов и системе команд он совпадает с родоначальником серии - HD44780. Общепринятое название таких микросхем "Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver", из чего следует их двойная функция - контроллер управляет интерфейсом, а драйвер "зажигает" сегменты.[4]

Контроллер синхронизируется внутренним RC-генератором G1, имеющим частоту 250 ±50 кГц. Напряжение подсветки подается через выводы А и К на светодиоды, которые освещают ЖК-панель с торца или обратной стороны корпуса. Светодиоды включены матрицей и соединены параллельно-последовательно. В связи с этим напряжение подсветки довольно высокое 4,0...4,2 В.

Назначение и нумерация всех внешних выводов LCD унифицированы (рис.2). Это не зависит от количества строк и символов, будь то "8x1" или "16x2". Даже контакты светодиодной подсветки 15, 16 имеются на всех LCD, хотя при ее физическом отсутствии они будут просто "висеть в воздухе".

Небольшой нюанс. На печатной плате LCD порядок нумерации контактных площадок отличается от модели к модели. Например, встречаются следующие варианты: слева направо 1-16, справа налево 16-1, вперемежку 15, 16, 1-14. Подсказку следует искать визуально по отмаркированным цифрам на печатной плате. Контакты 15, 16 обычно дублируются еще одной парой контактов с маркировкой А и К соответственно. Электрически они соединены параллельно.

Конструктивно выводы могут располагаться сверху, снизу или на боковой стороне платы LCD. Это не суть важно, ведь соединяться с изделием они будут жгутом проводов длиной до 10 см. Крепление LCD производится винтами через 4 угловых отверстия.

3.4 Датчик уровня воды.

FCH11QDD05X, датчик уровня магнитный поплавковый с боковой установкой незаменим там, где существуют ограничения пространства, в котором нужно установить датчик. Для установки и работы требуется всего 32 мм по горизонтали и 37 мм по вертикали.[3]

Для изменения логики переключения с «Нормально открытый» на «Нормально закрытый» достаточно развернуть датчик на 180°. Материал датчика PP – полипропилен, позволяет применять FCH11QDD05X для контроля уровня воды и водных растворов, различных агрессивных жидкостей, кислот и щелочей.

Для применения на взрывоопасных и горючих жидкостях используется совместно с барьером искрозащиты БИС-А-206-Ех.

Рисунок 8. Датчик уровня жидкости FCH11QDD05X

Технические характеристики FCH11QDD05X:

· Материал датчика - РР (полипропилен);

Коммутируемая мощность, максимум – 50 Ватт;Коммутируемое напряжение, не более – 240 Вольт;Коммутируемый ток, не более – 0,5 Ампера;Температура контролируемой жидкости -20° … +80°С;Рабочее давление - атмосферное;Объемная плотность контролируемой жидкости, не менее 0,78 кГ/литр;Вес датчика 25 грамм.

4. Программная часть.

4.1. Разработка алгоритма работы устройства.

Рисунок 9. Алгоритм работы устройства.

5. Моделирование.

Для того что бы смоделировать и скомпилировать наше устройство использовалось САПР Proteus8.7.

Данное приложение является мощнейшим редактором для создания электрических принципиальных схем. Кроме этого тут есть полный набор функций для тестирования готовых решений и снятия амплитудно-частотных характеристик.[8]

Главными особенностями софта является следующее:

· Симулятор, предусмотренный в программе, способен воспроизводить функционал практически любых существующих электронных компонентов, включая микропроцессоры разной степени сложности.

· При помощи данной утилиты вы можете создавать электронные цепи любой конфигурации на основе реально существующих деталей. При этом амплитудно-частотные характеристики будут соответствовать, тем что мы видим в реальных схемах как минимум на 80%.

· Присутствует мощнейший набор сведений по любым используемым электронным компонентам. В результате мы можем мгновенно получить краткую информацию по различным деталям.

· Также в программе поддерживается функция 3D-моделирования печатных плат для создания реальных аналогов на их основе. Все размеры будущих компонентов сняты с оригинальных и полностью им соответствуют. В результате мы получаем на выходе заготовку, которая идеально подходит для установки деталей.

· В Proteus 8.6 поддерживается компиляция языка программирования C, что позволяет реализовывать любой программный код, значительно расширяя имеющийся базовый функционал.

Рисунок 10. Работа устройства в Proteus.

Заключение.

В ходе научной работы было разработано и реализовано система для промывки молокопровода на платформе Arduino UNO.

Проекция и работа устройства была проверено в среде моделирования Proteus 8.7. Устройство имеет малые габариты и функционирует достаточно хорошо, система может иметь широкое применение в современных фермах.

Все компоненты имеют низкую стоимость и доступный в свободной продаже по этому устройство не имеет особой сложности сборки. Из недостатков можно выделить только то что устройство не обладает всеми возможными режимами промывки и только некоторыми заданными.