MATHEMATICAL, SOFTWARE AND HARDWARE SUPPORT OF THE CONCEPTUAL MODEL OF THE INFORMATION SYSTEM OF PRECISION AGRICULTURE

This study analyzes the current situation of application of precision farming technologies and solutions by agricultural enterprises of the Republic of Kazakhstan. The main players and used solutions have been identified. The statistics of application, as well as the potential of use is examined. Within the framework of the analysis of the applied solutions the advantages and disadvantages of competitors in the market were determined. It was defined that the applied systems provide the possibility of remote management, but EGISTIC is more focused on the management of all processes of the farm, including the warehouse, while John Deere is focused on the management and analytics of agricultural machinery. EGISTIC offers features for warehousing and inventory planning, something not found in the base version of John Deere Operations Center. John Deere focuses on data sharing which can be important for large farms or groups of farmers. EGISTIC makes extensive use of satellite imagery to analyze field conditions which can be a great asset for identifying problem areas and planning interventions. Depending on the specific needs and priorities of an agribusiness, one system may be preferable to another. If machinery management is the main focus, John Deere might be the best choice. If in-depth analysis of field conditions and inventory control is important, EGISTIC may be more appropriate. By analyzing, the directions for research are highlighted. A conceptual model of information system for precision farming is developed. Hardware for realization of the conceptual model is possible on the basis of universal programmable logic controller of modular architecture being developed. Within the limits of the given research the conceptual model of the universal programmable logic controller of modular architecture and the structural model of the software of the universal programmable logic controller of modular architecture have been developed. The interaction with the conceptual adaptive model of information and communication system is also considered. This paper analyzes the key principles and functions of both the universal programmable logic controller and the information and communication system, as well as their possible integration within a single concept

Determination of the speed of a microprocessor relay protection device of open architecture with a reed switch and the industrial internet of things

The paper presents the development of a microprocessor-based relay protection device on open architecture. Currently, there is a problem with modern microprocessor relay protection: the impossibility to replace the damaged element with alternatives from other manufacturers. The solution to this problem is the use of devices with open architecture. The study developed a structural model of a microprocessor-based relay protection device based on an open architecture with the industrial Internet of things application. Open architecture is achieved through open protocols and the principle of modularity. The industrial Internet of things technology transfers the control action of triggering blocking. A microprocessor-based relay protection device prototype based on an open architecture was developed. The simulation of the developed device was conducted. The appearance of higher harmonics and aperiodic components in the short-circuit current was not considered during modeling. Due to the study's limitations in the form of lack of load, current and voltage sensors, such as Hall sensors, and inductance coils, the subject of this study is only the speed of operation. A high multiplicity current generation setup was assembled for experimental testing. The developed relay protection device on an open architecture trips faster than the traditional solution. The application of the Internet of Things allowed it to ensure the blocking of non-selective tripping. The obtained results are provided by structural simplification compared to traditional solutions and speed of information transfer with the application of the Internet of things. The developed open architecture device with the industrial Internet of things technology application gives new possibilities for relay protection systems, including flexibility to meet the requirements in connection with the introduction of distributed powe

Визначення величини ударного струму короткого замикання для побудови релейного захисту на герконах і мікропроцесорах

A study of the functioning of reed switches under the influence of a magnetic field created by a current in a conductor in a transient mode with the presence of an aperiodic component has been carried out. A well-known method for determining current using reed switches was implemented. At the same time, it was determined that the originally formulated method did not give the required result within the limits of errors. This is most likely due to the peculiarities of the mechanism of movement of the reed switch contacts. Alternatively, the measurements were taken to take the return currents instead of the pick-up currents and the time between the return times. They are more stable. Simulation is performed, experimental determination of the value of surge current by measuring time is carried out. The main element of the created installation was the power transformer coil with low active and high inductive resistance. As part of the study, the reed switches were placed in a magnetic field with an aperiodic component, as in the transient mode. This study will show the applicability of reed switches for the construction of relay protection devices that will not need current transformers to obtain information about the primary current in the conductor. In the course of the research, it was found that the error in determining the magnitude of current was no more than 10 %. Using microprocessors, it is possible to build relay protection devices with a speed of up to 20 ms. This result makes it possible to build new devices. Since in the well-known developments, it was only said about determining the magnitude of current in a steady state. When building relay protection devices on reed switches, without using current transformers, it will be possible to build backup protections that duplicate not only the devices themselves, but also the primary measuring transformers with other sensitive elements. This will improve the reliability of the power supply.Проведено исследование функционирования герконов под влиянием магнитного поля, созданного током в проводнике в переходном режиме с наличием апериодической составляющей. Был реализован известный способ определения тока с помощью герконов. При этом было определено, что первоначально сформулированный способ не дал необходимого результата в рамках погрешностей. Связано это, скорее всего, с особенностями механизма движения контактов геркона. В качестве альтернативы при измерении были взяты токи возврата вместо токов срабатывания и время между моментами возвратов. Они являются более стабильными. Проведено моделирование, осуществлено экспериментальное определение величины удачного тока путем измерения времени. Основным элементом созданной установки была выбрана катушка силового трансформатора с низким активным сопротивлением и высоким индуктивным. В рамках исследования герконы были помещены в магнитное поле с наличием апериодической составляющей, как при переходном режиме. Данное исследование позволит показать применимость герконов для построения устройств релейной защиты, которые не будут нуждаться в трансформаторах тока для получения информации о первичном токе в проводнике. В ходе исследований установили, что погрешность определения величины тока составила не более 10 %. С применением микропроцессоров возможно построение устройств релейной защиты с быстродействием до 20 мсек. Данный результат дает возможность построения новых устройств, так как в известных разработках говорилось только об определении величины тока в установившемся режиме. При построении устройств релейной защиты на герконах, без использования трансформаторов тока, можно будет строить резервные защиты, дублирующие не только сами устройства, но и первичные измерительные трансформаторы другими чувствительными элементами. Это позволит повысить надежность электроснабженияПроведено дослідження функціонування герконів під впливом магнітного поля, створеного струмом в провіднику в перехідному режимі з наявністю аперіодичної складової. Був реалізований відомий спосіб визначення струму за допомогою герконів. При цьому було визначено, що спочатку сформульований спосіб не дав необхідного результату в рамках похибок. Пов'язано це, швидше за все, з особливостями механізму руху контактів геркона. В якості альтернативи при вимірюванні були взяті струми повернення замість струмів спрацьовування і час між моментами повернень. Вони є більш стабільними. Проведено моделювання, здійснено експериментальне визначення величини ударного струму шляхом вимірювання часу. Основним елементом створеної установки була обрана котушка силового трансформатора з низьким активним опором і високим індуктивним. В рамках дослідження геркони були поміщені в магнітне поле з наявністю аперіодичної складової, як при перехідному режимі. Дане дослідження дозволить показати застосовність герконів для побудови пристроїв релейного захисту, які не потребуватимуть трансформаторів струму для отримання інформації про первинний струм в провіднику. В ході досліджень встановили, що похибка визначення величини струму склала не більше 10 %. Із застосуванням мікропроцесорів можлива побудова пристроїв релейного захисту з швидкодією до 20 мсек. Даний результат дає можливість побудови нових пристроїв, так як у відомих розробках говорилося тільки про визначення величини струму в сталому режимі. При побудові пристроїв релейного захисту на герконах, без використання трансформаторів струму, можна буде будувати резервні захисту, дублюючі не тільки самі пристрої, але і первинні вимірювальні трансформатори іншими чутливими елементами. Це дозволить підвищити надійність електропостачанн

Розробка методу зменшення похибки визначення амплітуди змінного струму без використання трансформаторів

The object of the research is methods of current amplitude identification without using current transformers. Most solutions are built on reed switches, which have a limitation of the operation speed due to the mechanical nature of the reed contacts. Therefore, the time duration is a random variable with a significant variation. Thus, the problem that needs to be solved is the reduction of the error of current amplitude identification associated with the mechanical properties of contacts. According to the conducted literature analysis, the presence of contact bounce of reed switches increases the errors of sinusoidal current amplitude identification approximately up to 8–10 %. The mathematical modeling allowed us to investigate this phenomenon and research its influence on the method. The suggested model was then approved via in-situ modeling. Consequently, to reduce the errors of measuring the current amplitude via a reed switch, the replacement with an analog or discrete Hall sensor was proposed. A mathematical model of the discrete Hall sensor operation and a method for identifying the amplitude of the alternating current were developed. During the experiment, it was found that the analog Hall sensor has a limitation in measuring currents of large rates, at which the discrete sensor worked stably. Hence, the last was chosen. It is worth noting that the study of the behavior of the Hall sensor was limited to the value of the alternating current amplitude, four times the opening current with an average error of less than 3 %. The method suitable for discrete Hall sensors simplifies and reduces the cost of the measuring instrument design. However, the practical implementation of the suggested method requires also the application of devices concentrating the magnetic field on the Hall sensor surfaceОб’єктом дослідження є методи визначення амплітуди струму без використання трансформаторів. Більшість рішень побудовано на герконах, що мають обмеження по швидкості роботи через механічну природу язичкових контактів. Отже, тривалість часу є випадковою величиною зі значним розкидом. Таким чином, завданням, яке необхідно вирішити є зменшення похибки визначення амплітуди струму, пов’язаної з механічними властивостями контактів. Згідно з проведеним аналізом літератури, наявність брязкоту контактів герконів збільшує похибку визначення амплітуди синусоїдального струму приблизно до 8–10 %. Математичне моделювання дозволило дослідити це явище та вивчити його вплив на метод. Запропонована модель була схвалена за допомогою натурного моделювання. Отже, для зменшення похибок вимірювання амплітуди струму за допомогою геркона була запропонована заміна аналоговим або дискретним датчиком Холла. Розроблено математичну модель роботи дискретного датчика Холла та метод визначення амплітуди змінного струму. В ході експерименту було встановлено, що аналоговий датчик Холла має обмеження при вимірюванні струмів великих швидкостей, при яких дискретний датчик працював стабільно. Тому був обраний останній. Варто зазначити, що вивчення поведінки датчика Холла обмежувалося значенням амплітуди змінного струму, що в чотири рази перевищує струм розмикання, із середньою похибкою менше 3 %. Метод, що підходить для дискретних датчиків Холла, дозволяє спростити та знизити вартість конструкції вимірювального приладу. Однак практична реалізація запропонованого методу вимагає також застосування пристроїв, що концентрують магнітне поле на поверхні датчика Холл

Determination of the Magnitude of Short-circuit Surge Current for the Construction of Relay Protection on Reed Switches and Microprocessors

A study of the functioning of reed switches under the influence of a magnetic field created by a current in a conductor in a transient mode with the presence of an aperiodic component has been carried out. A well-known method for determining current using reed switches was implemented. At the same time, it was determined that the originally formulated method did not give the required result within the limits of errors. This is most likely due to the peculiarities of the mechanism of movement of the reed switch contacts. Alternatively, the measurements were taken to take the return currents instead of the pick-up currents and the time between the return times. They are more stable. Simulation is performed, experimental determination of the value of surge current by measuring time is carried out. The main element of the created installation was the power transformer coil with low active and high inductive resistance. As part of the study, the reed switches were placed in a magnetic field with an aperiodic component, as in the transient mode. This study will show the applicability of reed switches for the construction of relay protection devices that will not need current transformers to obtain information about the primary current in the conductor. In the course of the research, it was found that the error in determining the magnitude of current was no more than 10 %. Using microprocessors, it is possible to build relay protection devices with a speed of up to 20 ms. This result makes it possible to build new devices. Since in the well-known developments, it was only said about determining the magnitude of current in a steady state. When building relay protection devices on reed switches, without using current transformers, it will be possible to build backup protections that duplicate not only the devices themselves, but also the primary measuring transformers with other sensitive elements. This will improve the reliability of the power supply

Створення прототипу інтегрованої системи моніторингу каналізаційних мереж у режимі реального часу на основі інтернету речей з використанням малопотужних датчиків

Improper monitoring of sewage networks may raise various issues such as overflows, pipe blockages, theft of manhole covers, leading to flooding and pollution, infrastructure damage, vehicles accidents, injury, and even death from falling into open manholes. The key objective of this research was to examine different elements and create a prototype architecture for a real-time sewer monitoring system. Implementation of the architecture involved constructing a data gathering station and experimenting with various wireless sensing devices to assess the precision of the sensors. In addition, the study sought to design a geographic information system that integrates algorithms capable of identifying sewer overflow, blocked pipes, and the presence of manhole covers. The performance of Sharp GP2Y0A41SK0F infrared, TF-Luna Benewake LiDar, TOF400 VL53L1X laser, JSN-SR04T ultrasonic distance sensors was tested in terms of their ability to monitor water level and manhole cover. Tests revealed the most favorable results in TOF400 VL53L1X at distances between 0.2 and 1.0 m (presumed distance to the manhole cover) with a standard deviation of 0.13–0.24, and in TF-Luna Benewake at distances between 1.0 and 5.0 m (presumed distance to the chamber bottom) with a standard deviation of 0.44–1.15. The deviation analysis has yielded equations that can be utilized to provide rough estimates of the accuracy levels of the aforementioned sensors, based on the measured distance. Additionally, the FC-28 analog and YL-63 infrared sensors were evaluated for detecting pipe blockages, with the YL-63 being more suitable. The outcomes of this study furnish valuable insights that can aid in achieving sustainable resolutions for issues related to sewer monitoringНеналежний моніторинг каналізаційних мереж може викликати різні проблеми, такі як переповнення, засмічення труб, крадіжка кришок каналізаційних люків, що призводить до підтоплень та забруднення навколишнього середовища, пошкодження інфраструктури, дорожньо-транспортних пригод, травм і навіть смерті внаслідок падіння у відкриті люки. Основною метою дослідження було вивчення різних елементів та створення прототипу архітектури для системи моніторингу каналізаційної мережі в режимі реального часу. Реалізація архітектури включала створення станції збору даних та експерименти з різними бездротовими сенсорними пристроями для оцінки точності датчиків. Крім того, дослідження було спрямоване на розробку геоінформаційної системи, що об'єднує алгоритми, які здатні ідентифікувати переповнення каналізаційних мереж, засмічення труб та наявність кришок люків. Продуктивність інфрачервоних Sharp GP2Y0A41SK0F, лідарних TF-Luna Benewake, лазерних TOF400 VL53L1X, ультразвукових JSN-SR04T датчиків відстані перевіряли з точки зору їхньої здатності контролювати рівень води та кришку люка. Випробування виявили найбільш сприятливі результати у TOF400 VL53L1X на відстанях від 0,2 до 1,0 м (передбачувана відстань до кришки люка) зі стандартним відхиленням 0,13–0,24 і у TF-Luna Benewake на відстанях від 1,0 до 5,0 м (передбачувана відстань до дна камери) зі стандартним відхиленням 0,44–1.15. В результаті аналізу відхилень були отримані рівняння, які можуть бути використані для отримання приблизних оцінок рівнів точності вищезазначених датчиків на основі виміряної відстані. Крім того, оцінені аналогові FC-28 та інфрачервоні YL-63 датчики для виявлення засмічень труб, причому YL-63 виявився більш підходящим. Результати дослідження дають цінну інформацію, яка може допомогти у досягненні стійких рішень питань, пов'язаних з моніторингом каналізаційних мере

Розробка моделі вибору стратегії зниження забруднення повітря на основі предиктивного аналізу даних

This paper formalizes the model of choosing a strategy for reducing air pollution in an urban environment. The model involves determining the optimal location of biotechnological systems – biotechnological filter systems or smart air purification devices based on solving the problem of discrete optimization, taking into consideration the forecast of the air quality index. Two subtasks have been formalized, which make it possible to form a strategy for reducing air pollution. To solve one of the subtasks, a combined selective model for predicting the time series of the Air Quality Index (CSM) was built. The combined model software suite consists of the EMD-ESM hybrid model (Empirical Mode Decomposition-Exponential Smoothing Model), the HWM additive model (Holt-Winters Model), and the adaptive TLM (Trigg-Lich Model). To verify the proposed combined selective model, the time series of air quality indices (AQI) for the city of Nur-Sultan (data from 2010‒2021, period 6 hours) were selected. As a result of verification, it was established that in the case of short-term forecasting of the air quality index time series, the EMD-ESM model has an advantage according to the criterion of a minimum root mean square error (RMSE), δ=0.11. For the case of medium-term forecasting of 3<τ≤5, the combined selective model (CSM) has the advantage. The results reported here are input data for the task of choosing strategies for reducing the volume of air pollution in the urban environment. The study’s results make it possible to increase the flexibility of the formation of strategies for reducing air pollution since they avoid restrictions on the location of cleaners in specific urban areas. The consequence is the improvement of the environmental situation in the city and the development of the region in generalФормалізовано модель вибору стратегії зниження забруднення повітря в умовах міського середовища. Модель передбачає визначення оптимального розміщення біотехнологічних систем – фільтрів або розумних пристроїв очищення повітря на основі розв’язання задачі дискретної оптимізації з врахуванням прогнозу індексу якості повітря. Формалізовано дві підзадачі, які дозволяють сформувати стратегію зниження забруднення повітря. Для розв’язання однієї з підзадач побудовано комбіновану селективну модель прогнозування часового ряду індексу якості повітря (CSM). Програмний набір комбінованої моделі складають гібридна модель EMD-ESM (Empirical Mode Decomposition-Exponential Smoothing Model), адитивна модель HWM (Holt-Winters Model), та адаптивна модель TLM (Trigg-Lich Model). Для верифікації запропонованої комбінованої селективної моделі було обрано часові ряди індексів якості повітря (AQI) для м. Нур-Султан (Astana Air Quality DataSet) (дані з 2010–2021 рр., період 6 годин). В результаті верифікації отримано, що у випадку короткострокового прогнозування часового ряду індексу якості повітря перевагу за критерієм мінімальної середньої квадратичної похибки (RMSE) має модель EMD-ESM, δ=0.11. Для випадку середньострокового прогнозування 3<τ≤5 перевагу має комбінована селективна модель (CSM). Отримані результати є вхідними даними для задачі вибору стратегій зниження обсягу забруднення повітря в умовах міського середовища. Результати дослідження дають можливість збільшити гнучкість формування стратегій зниження забруднення повітря, оскільки дозволяють уникнути обмежень щодо розміщення очисників в конкретних міських зонах. Наслідком цього є покращення екологічної ситуації в місті та розвитку регіону в цілом