CC BY
210
УДК 621.865.8:636
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Н.М. Морозов, академик РАН И.И. Хусаинов, кандидат с.-х. наук А.С. Варфоломеев, магистр
Институт механизации животноводства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Дан анализ развития роботизированных технологий в животноводстве, рассмотрены основные направления создания роботов для автоматического выполнения процессов кормления: дозаторы-смесители, смесители-кормораздатчики, подравниватели кормов, доения коров (дояры-роботы, интегрированные системы доения и управления стадом). Показана роль ведущих фирм по созданию и применению роботов в животноводстве. Отмечено, что на российском рынке животноводческих роботов присутствуют компании De Laval (Швеция), Gea Farm Technologies (Германия), Lely (Голландия) и др. При этом фирма De Laval является самым активным участником отечественного рынка доильных роботов, которые применяются как в фермерских хозяйствах, так и на крупных молочных комплексах. Одним из главных факторов, сдерживающих темпы применения роботов для доения коров, является высокая стоимость их приобретения и обслуживания. В то же время к 2020 году прогнозируется рост числа робото-технических комплексов для доения коров в мире до 60 тысяч, а в России - до 1,2-1,4 тысяч единиц. Одной из наиболее перспективных в животноводстве является автоматизированная система кормления крупного рогатого скота, обеспечивающая бесперебойное обеспечение животных кормами. Ключевые слова: роботы-дояры, роботы по приготовлению и раздаче кормов, роботы-подравниватели кормов, экономическая эффективность.
Введение. Выполнение технологических процессов содержания и кормления животных требует значительных физических усилий. Анализ затрат труда работников на выполнение всех технологических процессов при производстве молока показал, что наибольший удельный вес приходится на выполнение операций доения - 37%, раздачу кормов - 26,5%, очистку стойл и проходов от навоза - 15,5%. Применение роботизированных систем выполнения указанных процессов позволяет свести к минимуму или полностью устранить затраты труда и изменить физическую напряженность на объектах.
Исходя из всего многообразия роботизированных систем для выполнения технологических операций, наибольшие достижения в создании роботизированных систем в животноводстве имеет место для выполнения операций кормления животных - дозаторы-смесители, смесители-кормораздатчики, под-равниватели кормов и интегрированные роботизированные системы кормления и дое-
ния коров - роботы-дояры, интегрированные роботизированные системы доения и управления стадом. Впервые автоматические системы доения коров появились в Нидерландах в 1992 году. Значительная трудоемкость процесса доения, неуклонно повышающиеся требования к качеству молока и высокая стоимость труда наемных работников стимулировали инвестирование в производство высокотехнологичного и наукоемкого оборудования для молочных ферм в этой стране.
Цель исследования. Основная цель создания робота - освободить фермера от необходимости его пребывания на ферме при доении коров в определенные часы [1,5]. Использование роботов по данным специалистов фирмы «Lely» позволяет значительно сократить затраты труда на доение животных по сравнению с карусельной установкой.
Материалы и методы. Преимуществом системы добровольного доения и доильных роботов является высокое качество молока, которое достигается за счет выполнения под-
готовительно-заключительных операций и мониторинга качества молока по долям вымени. Затраты рабочего времени на доение роботом при свободном доступе коров и дополнительные затраты времени на подгон животных составляют 7-8 ч в год на одну корову. В доильных установках группового доения на выполнение всех операций требуется 12-17 ч на одну корову в год.
Стремление повысить эффективность использования наиболее капиталоемкой дорогостоящей части доильного робота - манипулятора - привело к созданию многобоксовых доильных роботов, укомплектованных одним манипулятором [2,4]. Определенная экономия при этом достигается за счет применения единой вакуумной системы, единого резервуара для сбора, охлаждения и хранения молока.
Все существующие автоматические доильные системы можно условно разделить на три группы: один доильный бокс с одним роботом и одной «рукой»; роботизированные системы, состоящие из нескольких доильных боксов, обслуживаемых одним роботом с одной «рукой»; система, оснащенная двумя-тремя роботами, каждый из которых обслуживает несколько доильных боксов.
Доильные роботы функционируют 24 часа в сутки, из которых 21 ч отводится на процесс доения, а 3 ч - для двух циклов мойки и очистки лазерного сенсора. Один робот при этом способен обслуживать 50-70 коров. В России первый доильный робот начал функционировать в декабре 2007 г. на ферме ЗАО «Племзавод «Родина» Волгоградского р-на Вологодской области. Руководителями предприятия была выбрана система добровольного доения VMS компании De Laval. Всего было закуплено три доильных робота, которые поочередно вводились в эксплуатацию. Сначала работали два робота (обслуживали соответственно 48 и 60 коров), а к концу ноября 2008 г. - три (обслуживали 187 коров) [3,4]. В ближайшем будущем среднегодовые темпы роста ферм с доильными роботами в России составят 15-25% (табл.). Фирма De Laval является самым активным участником отечественного рынка доильных роботов.
Таблица. Распределение российского рынка доильных роботов (ДР) между основными производителями этого вида оборудования
Компании Фермы, оснащенные ДР Доля рынка, %
De Laval 212 56
GEA 22 6
Bou Matic 20 5
Lely 19 5
Impulsa AG 16 4
Остальные 91 24
Всего 380 100
Животноводческие объекты, с которыми работает фирма, разнообразны - от фермерских хозяйств до крупных молочных комплексов. Так, в дер. Плюсково Козельского р-на Калужской области введена в эксплуатацию семейная роботизированная молочная ферма на базе К(Ф)Х Потапова И.А. - участника ведомственных целевых программ по поддержке начинающих фермеров и развитию семейных ферм.
Главной особенностью доильного робота является специальная конструкция доильного бокса, которая позволяет коровам, не сворачивая, быстро заходить в доильный бокс и быстро выходить из него. Стремление повысить эффективность использования наиболее дорогостоящей части доильного робота -манипулятора - привело к созданию многобоксовых доильных роботов, укомплектованных одним манипулятором. Определенная экономия достигается за счет применения единой вакуумной системы, применения единого резервуара для сбора, охлаждения и хранения молока и др. элементов робота, допускающих централизацию.
С учетом повышенного спроса крупных молочных ферм на доильные залы роторного типа фирма De Laval разработала автоматизированную доильную карусель (Automatic Milking Rotary De Laval AMRTM). Впервые среди доильных залов этого типа она оснащена роботизированными манипуляторами для подготовки вымени животных к доению, надеванию доильных аппаратов и дезинфекции сосков вымени после доения (можно устанавливать до пяти манипуляторов). При этом обслуживаний персонал освобождается от тяжелой и рутинной физической работы, сокращается время доения коров.
В течение последних 15 лет в странах с развитым молочным скотоводством растет интерес к системам автоматического доения из-за их очевидных преимуществ перед традиционными групповыми доильными установками и комплексом типа «Карусель». Главное преимущество - сокращение расходов на оплату труда примерно на 2/3 по сравнению с использованием установок со стаканами «Елочка», что для фермеров европейских стран при дороговизне рабочей силы имеет большое значение. Внедрение автоматических доильных установок на небольших фермах с традиционным двукратным доением, по данным голландских специалистов, повышает надой молока до 15% за счет увеличения числа доений при свободном доступе коров к доильной установке, что, в свою очередь, способствует сравнительно быстрой окупаемости затрат на нее. В Европе цена робота, способного доить 50-70 коров, колеблется от 80 до 170 тыс. евро, в США — 150-170 тыс. долл. В то же время традиционная «Елочка» стоит на 50-70% дешевле.
Результаты обсуждения. И поскольку человеческий труд в Европе остается самым дорогим, стремление производителей молока сэкономить на его оплате стимулирует интерес к доильным роботам. Еще одна важная проблема при внедрении роботов - особый подход к дойному стаду. Прежде всего, необходима тщательная выбраковка коров по параметрам вымени и сосков. Выбраковывать при этом приходится от 5 до 10% поголовья. Затем нужно приучить коров к доильной установке. На это уходит от двух недель до одного-двух месяцев, в течение которых существенно падает молочная продуктивность. Стоимость применения роботизированной системы доения на объекте в 400 коров составляет в среднем 150 млн руб. - 6 роботов De Laval. К 2020 г. прогнозируется рост числа робототехнических комплексов для доения коров в мире до 60 тысяч единиц. Эффективность использования роботизированных систем для доения коров заключается не только в известных преимуществах автоматизации индустриального производства, но и в достижении технологического
эффекта путем создания физиологически более благоприятных условий для животных.
Количество роботизированных доильных систем в настоящее время в России составляет около 1,0 тыс. ед. В ООО "Червишевс-кий" Тюменской области запущена в эксплуатацию первая роботизированная система добровольного доения коров. Каждый из четырех роботов, установленных в хозяйстве, доит по 65 коров. Два помещения на 260 гол. обслуживают всего 6 человек. Стоимость применения роботов составляет 12 млн руб., из которых 90% субсидировал областной бюджет. Несмотря на изначально высокую стоимость роботизированных систем, их внедрение позволяет добиться значительной экономии в сравнении с доением в доильном зале на объектах с поголовьем стада в 60-180 гол. При использовании технологии доильного зала владельцы ферм вынуждены выбирать: либо вкладывать значительные средства в роботизированный доильный зал, либо тратить массу времени на дойку с помощью дешевого, но неэффективного оборудования. По оценкам специалистов, стоимость получения 1 ц молока (стадо из 70-140 коров) традиционным образом составляет 2,15-3,65 долл. США, что в 3 раза выше, чем в стадах численностью 400 гол. В то же время, использование роботизированных систем в стаде с поголовьем 70-140 гол. снижает стоимость 1 ц молока до 1,30-2,00 долл. США.
Вологодская область занимает лидирующее положение в России по такому показателю, как применение роботов для доения коров: в колхозе «Аврора» (Грязовецкий р-н) применяются 8 роботов De Laval (460 коров); в племзаводе «Родина» (Вологодский р-н, пос. Огарково) - 12 роботов De Laval. В Калужской области: на 20 фермах уже внедрено около 100 роботов, позволяющих увеличить получение молока на 15%. В Мордовии в 2012 г. КФХ «Луч» (Темниковский р-н) получило грант на создание роботизированной семейной фермы на 240 коров с применением 4 роботов De Laval. В Рязанской области ООО «Вакинское Агро» (Рыбновский р-н) использует 33 робота фирмы De Laval, что является крупнейшим в Европе роботизиро-
ванным молочным комплексом. Сегодняшние системы автоматического доения различаются, в основном, по числу одновременно обслуживаемых коров. Главные части робота - это «рука», способная совершать трехмерные движения, устройство для надевания и снятия доильных стаканов, система очистки сосков и вымени при помощи щеток и моющего раствора, контрольные и сенсорные приборы, весы, компьютер, интерфейс, программное обеспечение, системы контроля качества молока, идентификации животных.
Для оценки эффективности применения роботизированных систем выполнения технологических операций используется показатель «капиталоемкость роботизации», равный отношению стоимости узла или сборочной единицы робота, выполняющего данную операцию, к затратам времени при ручном ее выполнении. Наиболее капиталоемкой операцией роботизации доения являются подготовительно-заключительные операции, выполняемые манипулятором и системой управления роботом: очистка сосков, сдаивание первых струй молока, надевание доильных стаканов и последовательная профилактика. Продолжительность ручного выполнения этих операций составляет 0,73 мин., а доля стоимости у одноместного доильного робота - 59% от его общей стоимости. Стоимость одноместного доильного робота у различных фирм колеблется в пределах 6-10 млн руб. Рынок роботизированной системы для реализации индивидуального или группового кормления животных представлен фирмами «Pellonpaja OY» (Финляндия), Mul-lerup A/S, De Laval и др. Одной из наиболее перспективных является автоматизированная система кормления Triomatic фирмы Trioliet. Главное достоинство ее состоит в том, что для ее бесперебойной работы необходимо лишь поддерживать требуемый запас кормов, все остальные операции выполняются автоматически в соответствии с заданной программой кормления животных.
Система при этом состоит из кормозаготовительного отделения и робота-кормораздатчика. В отделении для заготовки кормов размещены отсеки для накопления и хране-
ния исходных данных компонентов кормо-смеси (на несколько дней). Днище каждого из отсеков выполнено в виде транспортера, перемещающего корм к передней части отделения, над которой установлена подвижная режущая система, производящая выемку заданного количества корма из указанного отсека. Отобранные исходные компоненты кормосмеси транспортером подаются в подвесной робот-кормораздатчик. Механизм кормового робота основан на подвесной системе: процесс движения осуществляется по оборудованной в верхней части коровника монорельсовой дороге и управляется дистанционно, с помощью электронного оборудования. Автомат дозирует и раздает корм в соответствии с заложенными в программу параметрами, что позволяет разработать индивидуальные рационы для коров.
Применение автоматической системы кормления фирмы Lely Vector позволяет увеличить производительность труда на 10-15%. Сдерживающим фактором полномасштабной роботизации в животноводстве является высокая стоимость технических средств. Чтобы фермеры применяли такую технику, она должна стоить меньше, чем человеческий труд, обеспечивать экономию рабочего времени и издержек, стоимость которых позволяла бы окупить инвестиции в приемлемые сроки.
Целью разработки в области роботизации животноводческих предприятий является повышение производства продукции животноводства за счет рационализации и снижения энергоемкости процесса приготовления и раздачи кормов путем разработки и создания робота-раздатчика кормов. Применение системы Lely Vector обеспечивает равномерное и своевременное кормление коров определенными порциями, что позволяет с высокой эффективностью получать качественное молоко. План кормления и склад управляются с помощью компьютера с пользовательским интерфейсом. Кроме того, система позволяет программировать рационы и выдавать необходимые отчеты. Робот точно знает, сколько корма находится на кормовом столе, когда и где корм понадобится, и это все осуществляется без вмешательства обслуживающего
персонала. Применение системы обеспечивает непрерывную подачу свежих кормов, что сокращает их потери и порчу.
Рассматриваемая технология Lely Vector, применяемая в комплексах «Ручьи» Ленинградской области, состоит из четырех реконструированных дворов старой фермы ЗАО «Новое время» и новой молочно-товарной фермы на 1100 дойных коров. В ходе реализации инвестиционного проекта реконструировано два корпуса для коров: корпус для телят в возрасте 2-11 месяцев и 11-18 месяцев. В состав новой молочной фермы вошли два коровника со скотопрогонами и доильно-мо-лочный блок с доильной установкой типа «Карусель» и системой охлаждения молока с 36 до 4°С. В составе племзавода «Ручьи» име-ются заводы по переработке молока и мяса, линии по доработке овощей и картофеля, свинокомплекс на 10600 голов. В 2014 г. произведено 8050 т молока, надой на корову составил почти 8000 кг, что вдвое выше отраслевого показателя.
Приготовление кормов осуществляется в соответствии с программой, которая позволяет готовить 11 рационов. В составе центра по приготовлению кормов имеется центральный конвейер, к которому примыкают автоматизированные бункеры с компонентами кормов: один - для соломы, два - для сена, три - для дробленого зерна, жома, жмыха и т.д., три - для различных видов силоса. Отдельно к конвейеру примыкают три бункера для минералов, соли, премиксов с отдельным миксером для смешивания мелких компонентов. Корма в нужной дозировке попадают в миксер-смеситель, а затем в робот-раздатчик, который в течение 14 часов движется по коровникам, раздавая различные рационы корма с учетом срока лактации и физиологического состояния животных. Применение такой технологии кормления и автоматизированных средств механизации позволяет до 40% сократить потребность кормовых ресурсов, в т.ч. 20% - за счет повышения качества кормов, 20% - за счет цены компонентов. Цена применяемого робота для кормления составляет 38 млн руб.; кроме этого, затрачено 10 млн руб. на возведение ангара. А
общая стоимость реконструкции фермы и строительства молочного комплекса составила 730 млн руб. Стоимость одного ското-места - в пределах 350 тыс. руб.
В хозяйствах молочного направления кроме доильных роботов применяются и другие - подравниватели кормов, активно используемые в хозяйствах Татарстана, Кировской, Свердловской и других областей. По данным компании Lely, только за первое полугодие 2015 года продано 20 таких робо-тов-подравнивателей. Эффективность кормления животных находится в значительной зависимости от решения проблемы раздачи кормов. На выполнение этого процесса затрачивается 25-35% рабочего времени при производстве молока или привеса скота.
Каждым 100 головам КРС нужно ежесуточно раздавать по 3-4 т и более кормов. При этом корм необходимо своевременно доставлять и нормировано распределять между животными. Технологическая схема раздачи кормов при использовании робототехники сводится к следующим этапам: загрузка кормов в мобильный кормораздатчик - доставка их к местам скармливания - транспортирование вдоль фронта кормления - дозированная выдача в кормушки - очищение кормушек. Однако при традиционной технологии в процессе кормления животные неравномерно поедают корма, из-за чего образуются так называемые «лунки» на кормовом столе, затрудняющие доступ животных к кормам. Подталкивание корма к животным в обычных условиях осуществляется, как правило, вручную [3]. Применение роботов-подравни-вателей устраняет ручной труд и улучшает условия кормления животных. Робот-подрав-ниватель кормов периодически сдвигает корма к кормовой решетке и перемешивает их для обеспечения однородности. Робот перемещается и ориентируется в пространстве по различным маршрутам при помощи гироскопа и ультразвука, определяет пройденное расстояние при помощи сенсоров на задних колесах и индуктивного сенсора. Количество маршрутов программируется до шестнадцати при помощи пульта управления. Подрав-ниватель кормов питается от аккумулятор-
ных батарей и оснащен энергосберегающим электродвигателем. При этом он может пододвигать к кормовой решетке массу кормов высотой до 65 см, а максимальная ширина полосы корма - до 200 см.
Важное значение при использовании робота имеет безопасность, для чего он оснащен детектором предотвращения столкновений. При распознавании препятствия он обеспечивает немедленную остановку движения [5]. Робот-подравниватель работает в соответствии с заданной программой, совершая до 8 обходов фермы в сутки. Как правило, после каждого обхода роботом коровы начинают подниматься и подходить к кормушкам, тем самым стимулируется поедание животными кормов. Постоянное наличие корма стимулирует передвижение коров и повышает потребление корма (+3,5%), особенно ночью. Увеличение потребления корма способствует росту продуктивности скота. Исследованиями установлено, что продуктивность коров увеличивается до 7105 кг на голову за счет постоянного доступа к кормам, лучшего моциона и поедаемости кормов. Увеличение производства молока при этом составляет на ферме в 200 коров до 70% в год. Общий экономический эффект от применения робота-подравнивателя составляет 1005,1 тыс. руб.
Вывод. Проведен анализ развития роботизированных технологий в животноводстве. Показана роль ведущих ферм по созданию системы доения и кормления животных. Применение роботов устраняет ручной труд,
упрощает условия доения и кормления животных и повышает эффективность производства продуктов животноводства.
Литература:
1. Винников И.К. Автоматизация и роботизация доения коров в параллельно-проходных станках // Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 4. С. 12-15.
2. Кирсанов В.В., Щукин С.И. Методы и модели создания новых типов автоматизированных и роботизированных доильных аппаратов // Тр. 8-й Межд. науч.-практ. конф. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. Ч. 3. С. 8-15.
3. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по созданию инновационной техники с интеллектуальными системами для животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 3(15). С. 4-16.
4. Мишуров Н.П., Соловьева Н.Ф., Цой Ю.А. Современные роботы в сельском хозяйстве // Техника и оборудование для села. 2010. № 5. С. 46-48.
5. Робот-подравниватель кормов Lely Juno запущен в Пермском крае. URL: http://agro2b.ru/ru/news/24919-Robotpodravnivatel-kormov-Lely-Juno-zapushten.html
Literatura:
1. Vinnikov I.K. Avtomatizaciya i robotizaciya doeniya korov v parallel'no-prohodnyh stankah // Tekhnika v sel'-skom hozyajstve. 2009. № 4. S. 12-15.
2. Kirsanov V.V., SHCHukin S.I. Metody i modeli sozda-niya novyh tipov avtomatizirovannyh i robotizirovannyh doil'nyh apparatov // Tr. 8-j Mezhd. nauch.-prakt. konf. M.: GNU VIEHSKH, 2012. CH. 3. S. 8-15.
3. Ivanov YU.A. Napravleniya nauchnyh issledovanij po sozdaniyu innovacionnoj tekhniki s intellektual'nymi sis-temami dlya zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2014. № 3(15). S. 4-16.
4. Mishurov N.P., Solov'eva N.F., Coj YU.A. Sovremen-nye roboty v sel'skom hozyajstve // Tekhnika i oborudo-vanie dlya sela. 2010. № 5. S. 46-48.
5. Robot-podravnivatel' kormov Lely Juno zapushchen v Permskom krae. URL: http://agro2b.ru/ru/news/24919-Robotpodravnivatel-kormov-Lely-Juno-zapushten.html
THE LIVESTOCK ROBOTIC SYSTEMS' USING EFFICIENCY N.M. Morozov, RAS academician I.I. Husainov, candidate of agricultural sciences A.S. Varfolomeev, master
Institute of livestock mechanization - a filial of FGBNY FNAC VIM
Abstract. The livestock robotic technologies development analysis is given, the main directions of robots' creation for feeding automatic processes performance: dozes-mixers, feeders-mixers, feed-levellers, cows' milking (robots-milkers, milking and herd management's integrated systems) are considered. The leading firm's role in the livestock robots' creation and application is shown. It is noted that in the Russian market of livestock robots there are such companies as De Laval (Sweden), Gea Farm Technologies (Germany), Lely (Holland), etc. At the same time, De Laval is the most active participant of the milking robots' domestic market, which are used both on farms and large dairy complexes. One of the main factors constraining of the cows milking robots application pace is their purchase and maintenance's high cost. At the same time, by 2020, it is predicted the growth of number of robotic systems for cows' milking in the world till 60,000, and in Russia - till 1,2-1,4 thousand units. One of the most promising in livestock is cattle feeding's automated system, ensuring animals' feeding uninterrupted supply.
Keywords: robots-milkers, robots for feed preparation and distribution, robots-feed's levellers, economic efficiency.
