CC BY
14
УДК 613.171 DOI 10.51794/27132064-2022-1-22
ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ НА МОЛОЧНЫХ ФЕРМАХ
Р.А. Мамедова, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: rozamamedova@mail.ru
Аннотация. С ростом роботизации технологических процессов на животноводческой ферме по производству молока, как следствие, происходит увеличение затрат на электроэнергию. Представлена типовая планировка коровника на 125 голов с роботизированной системой доения и кормления с расходом электроэнергии 500-700 кВтч/гол. в год, где для экономии энергозатрат применяются солнечные фотоэлементы, расположенные на всей поверхности кровли коровника, и биогазовая установка, вырабатывающие около 3100 кВтч в год на одну корову. Основными источниками потребления электроэнергии при роботизации являются следующие технологические процессы: доение (33%), работа воздушного компрессора (26%), охлаждение молока (18%) и др. Потребление электроэнергии при эксплуатации доильных роботов на молочной ферме составляет 35-40% от общих годовых эксплуатационных затрат. Рассмотрены затраты энергопотребления доильными роботами Lely Astronaut и Merlin фирмы FullWood в зависимости от их конфигурации. Предлагается создать модель для координирования работы отдельных роботизированных устройств на ферме и управления системой энергоснабжения на основе информации, полученной от датчиков; например, можно заблокировать робота для уборки навоза в зоне кормления, когда робот-кормораздатчик (AMF) подает новый корм, или если датчик показывает, что большая часть коров находится в стойлах, то можно включить в работу робота для уборки навоза, так как в это время навозные проходы наиболее свободны. Сложность создания такой модели заключается в интеграции различных значений датчиков и рекомендаций по принятию решений.
Ключевые слова: животноводческая ферма, роботизация, энергопотребление, доильный робот, доение, управление.
Введение. Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, обеспеченность молочной продукцией в стране должна составлять 90% [1]. Как известно, интенсификация производства молока приведет к увеличению потребления энергии, что потребует внесения изменений в систему управления энергопотреблением на ферме. Величина и эффективность (использование энергии на килограмм произведенного молока или на душу населения) потребления энергии на молочных фермах будут варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая такие, например, как: тип содержания (пастбищный, стойловый, привяз-ный, беспривязный и т. д.), тип доильной системы (например, обычная автоматизированная доильная установка или доильный робот (AMS)), время доения, инфраструктура, имеющаяся рядом с животноводческим комплексом, климатические условия и т. д. [2]. Потребление электроэнергии при произ-
водстве молока на животноводческих фермах является одним из основных факторов, влияющих на себестоимость производимой продукции. Увеличение затрат на электроэнергию в значительной степени связано с ростом роботизации технологических процессов на животноводческой ферме.
Согласно исследованиям [3, 4], в молочном животноводстве от 56% до 70% общего потребления электроэнергии приходится на процесс доения и охлаждения. При этом во время процесса доения основным потребителем электроэнергии является вакуумный насос. Также следует учесть эксплуатационные расходы роботизированных систем на ферме. По данным [4], потребление электроэнергии при эксплуатации доильных роботов на молочной ферме составляет 35-40% от общих годовых эксплуатационных затрат.
Материалы и методы. Основной целью исследования является сокращение энергопотребления за счет различных вариантов
использования оборудования и его энергоэффективности, а также применения возобновляемых источников энергии в зависимости от типоразмера и планировки животноводческого комплекса по производству молока. Для повышения энергоэффективности на молочной ферме при увеличении производства молока требуется комплексный подход, позволяющий определить влияние основных факторов [5].
На рисунке 1 представлена схема основных взаимосвязей систем на животноводческой ферме. Управление системами кормления, поения, доения, микроклимата и др. осуществляется через соответствующие биологические, технические и энергетические системы. При этом основная часть сигналов поступает в результате контакта подсистем «Ж» (животное) и «М» (машина) и по соответствующим радиоканалам передается через базовые станции (БС) на автоматизированные рабочие места (АРМ) специалистов (зоотехник, ветврач, селекционер и др.).
Система правового законодательства (НТП, СвнПиН, СНиП, РМ ТСН и т.д.)
Рис. 1. Блок-схема материальных потоков управления на животноводческой ферме
С развитием технологий содержания молочного скота растет влияние «машинного» фактора («М») в системе «Ч-М-Ж». Машина вследствие повышения уровня автоматиза-
ции и интеллектуализации производства «забирает» все больше функций человека-оператора (ЧО), с одной стороны; а с другой, контролируя определенные показатели животного своими датчиками и сенсорами, «старается» контролировать и подсистему «животное» («Ж»). Таким образом, формируется модель для управления другими подсистемами, например, такими, как доение, кормление, уборка навоза и др. При этом передаваемые «машине» функции «ЧО» по мере развития «М» повышают уровень автоматизации и интеллектуализации производства последнего, автономности его использования, достигая своего максимума при роботизированном обслуживании животных.
На рисунке 2 представлена типовая планировка семейной молочной фермы на 125 голов, на которой доение происходит с помощью двух доильных роботов (ЛМБ), кормление осуществляется роботизированным кормораздатчиком (ЛМБ), для удаления навоза используется робот, также имеются электрические щетки для коров [6]. В результате расход электроэнергии на данной ферме составил 500-700 кВт-ч/гол. в год. На крыше коровника площадью 1363 м2 установлены фотоэлементы для получения солнечной энергии. В течение всего года биогазовая установка снабжает молочный коровник энергией около 1500 кВт-ч на корову. Комбинация биогазовой установки и фотоэлектрической системы может производить около 3100 кВт-ч на корову в год [7]. Предлагается создать модель для координирования работы отдельных роботизированных устройств на ферме и управления системой энергоснабжения на основе полученной информации от датчиков. Например, можно заблокировать робота для уборки навоза в зоне кормления, когда робот-кормораздатчик подает новый корм, или если датчик показывает, что большая часть коров находится в стойлах, то можно включить в работу робота для уборки навоза, т. к. в это время навозные проходы наиболее свободны. Сложность создания такой модели заключается в интеграции различных значений датчиков и рекомендаций по принятию решений.
I I I I I I I I I I I
Рис. 2. Типовая планировка коровника на 125 гол. с роботизированной системой доения и кормления [6]
Результаты и обсуждение. В таблице 1 приведены данные потребления электроэнергии доильными роботами фирмы Lely. Рассчитывалось потребление энергии доильным аппаратом и воздушным компрессором. Как видно из таблицы, разница в энергопотреблении между первой и второй системой (более, чем в 2 раза) вызвана, в основном, использованием компрессора для открывания-закрывания ворот - из-за ротационного винтового компрессора, используемого в A3 Next, который был слишком большим по сравнению с реальными потребностями и менее эффективным по сравнению со спиральным компрессором, используемым в A4.
В то же время затраты электроэнергии при доении на доильном роботе A3 Next составили около 20,0 кВт-ч в день, тогда как доильный робот А4 потреблял 28,8 кВт-ч. Разница в потреблении электроэнергии при доении может быть, в основном, связана с манипулятором робота и вакуумным насосом.
В таблице 2 приведены данные исследований влияния приводов на энергоэффективность доильных роботов при эксплуатации. Доильный робот M2erlin потребляет больше энергии по сравнению с Merlin 4. Как предполагают Hohendinger M. и соавторы [8], это следствие перехода с пневматических приводов на электрические.
Таблица 1. Энергопотребление доильными роботами на четырех семейных фермах* [4]
№ п/п Ферма Поголовье дойных коров, гол. Кол-во доильных аппаратов, ед. Потребление электроэнергии доильным аппаратом, кВт-ч/день Потребление электроэнергии воздушным компрессором, кВт-ч/день Общее потребление электроэнергии, кВт-ч/день Общее потребление электроэнергии, кВтч/гол Общее потребление электроэнергии за доение, кВт-ч Общий расход электроэнергии на 100 л молока (кВт-ч/100 л)
1 Одинарный бокс Lely Astronaut A3 Next 61 1 19,97 40,35 60,32 0,99 0,33 2,44
2 Одинарный бокс Lely Astronaut A4 68 1 28,82 16,61 45,43 0,67 0,24 2,07
3 Двойной бокс Lely Astronaut A4 117 2 36,71! 32.11 68,82! 0,59х 0,21: 1,801
4 Двойной бокс Lely Astronaut A4 117 2 51,52 29,82 81,34 0,70 0,27 2,25
*рабочий вакуум 43 кПа, частота пульсаций 65:35 1 система очистки паром Pure отключена
Таблица 2. Сравнение потребления энергии доильными роботами Merlin 4 и M2erlin фирмы FullWood [8]
Наименование Мерлин 4 М2ерлин
поголовье 56 гол. надой 1577,9 кг/день поголовье 66 гол. надой 1872,2 кг/день
кВт-ч/день Вт-ч/кг кВт-ч/день Вт-ч/кг
Общее потребление активной энергии в день 38,33 24,3 35,83 19,2
Доильный робот 2,33 1,5 5,53 3,0
Вакуумный насос 9,17 5,8 7,43 4,0
Воздушный компрессор 10,75 6,8 6,75 3,6
Система очистки 16,08 10,2 16,12 8,6
В результате меньшая потребность в сжатом воздухе для меньшего количества пневматических приводов вызвала снижение энергопотребления воздушного компрессора. В статье Calcante A. [4] и соавторов представлены исследования по поводу разницы между энергопотреблением различными компонентами доильной роботизированной системы. В качестве причины они предположили замену прежней пневматической руки для горизонтальных перемещений на электрический привод. Shortall J. и др. [9] приводят данные потребления электроэнергии воздушным компрессором доильного робота на уровне 16,5 Вт-ч/кг и 26% от общего потребления, при этом диапазон допустимых пределов энергопотребления составил 13-23 Вт-ч/кг молока. По сравнению с текущими данными среднее потребление энергии, ориентированное на эти компоненты, составляет 17,5 Вт-ч/л молока (Merlin 4) и 15,6 Вт-ч/л молока (M2erlin) [8].
Согласно исследованиям, Shortall et al. [9] приводит следующие показатели энергопотребления во время процесса доения: 33% от общей потребляемой электроэнергии и 20,7 Вт-ч/кг молока (диапазон - 14-26 Вт-ч /кг молока); процесс доения включает следующие операции: молокоотведение, работа вакуумного насоса и различных электрических устройств, связанных с доильным роботом, нагрев воды в AMS. В обеих системах Merlin
AMS потребность в электроэнергии для сжатого воздуха была ниже при 6,8 Вт-ч/кг молока (Merlin 4) и 3,6 Вт-ч/кг молока (M^erlin). Различия в энергоэффективности спирального компрессора в системе Merlin 4 по сравнению с энергоэффективностью поршневого компрессора в системе M2erlin не учитывались.
Как считает Hohendinger M. [8], поршневые компрессоры больше подходят для более низких коэффициентов использования. Следовательно, поршневой компрессор больше подходит для уменьшенного числа обслуживаемого поголовья и нестационарной потребности в сжатом воздухе в системе M2er-lin. Поскольку электроприводы имеют преимущества в регулируемости и передаче энергии по сравнению с пневмо- или гидроприводами [10], предполагается, что выигрыш в энергоэффективности достигается за счет различных систем навесных рычагов. Охлаждение молока было третьим по величине потребления электроэнергии процессом, на долю которого приходилось 18% от общего потребления. Это привело к потреблению 11,3 Вт-ч электроэнергии на каждый литр произведенного молока (диапазон 6,421,6 Вт-ч/кг) [9].
Выводы. Основными источниками потребления электроэнергии как автоматизированными, так и роботизированными системами остаются процесс доения и работа вакуумных насосов. Тенденции указывают на то, что несмотря на увеличение потребления электроэнергии на животноводческих фермах, связанное с увеличением количества доек доильным роботом, потребление электроэнергии на литр производимого молока снижается. Как утверждают Calcante A. и со-авт., потребление электроэнергии в основном обусловлено управлением фермой (т. е. используется очистка доильных стаканов паром или нет, выбор эффективного и подходящего по размеру воздушного компрессора для открытия/закрытия входных и выходных ворот, перемещение манипулятора к вымени), а не характеристиками самого доильного робота. Необходимо создание модели, включающей в себя рекомендации по коор-
динации работы отдельных роботизированных устройств на ферме и управление системой энергоснабжения на основе полученной информации от датчиков с соблюдением технологических норм и зооветеринарных требований к содержанию животных на молочной ферме.
Литература:
1. Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности РФ. URL: https://www.minobrnauki.gov.ru/ common/upload/library/2020/15/Doktrina_prodovolstve-nnoy_bezopasnosti.pdf
2. Shine P. Energy Consumption on Dairy Farms: A Review of Monitoring // Energies. 2020. V. 13(5). Р. 1288.
3. Automatische Melksysteme in Sachsen. URL: https:// publikationen. sachsen. de/bdb/artikel/18690/documents/ 25137
4. Calcante A. Analysis of electric energy consumption of automatic milking systems in different configurations and operative conditions // J. Dairy Sci. 2016. № 5. P. 4043.
5. Кирсанов В.В., Баишева Р.А. Контроль и управление в сложной биотехнической системе молочной фермы // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020. Т. 21(5). С. 625-632.
6. Bernhardt H. Energy management of automatic dairy farms with integration in regional grids // An ASABE meeting presentation. Washington, 2017. Р. 1700262.
7. Bernhardt H. Development of the technical structure of the "cow energy" concept // Agronomy. 2021. № 11. Р. 1915.
8. Hohendinger M. Impacts of divergent moving drives on energy efficiency and performance of various ams in operative conditions // Agriculture. 2021. № 11. Р. 806.
9. Shortall J. Daily and seasonal trends of electricity and water use on pasture-based automatic milking dairy farms // J. Dairy Sci. 2018. № 2. P. 1565-1578.
10. Bartenschlager J. Handhabungstechnik mit Robotertechnik. Wiesbaden, 1998.
Literatura:
1. Ob utverzhdenii Doktriny prodovol'stvennoj bezopas-nosti RF. URL: https://www.minobrnauki.gov.ru/common /upload/library/2020/15/Doktrina_prodovolstvennoy_be-zopasnosti.pdf
2. Shine P. Energy Consumption on Dairy Farms: A Review of Monitoring // Energies. 2020. V. 13(5). R. 1288.
3. Automatische Melksysteme in Sachsen. URL: https:// publikationen.sachsen.de/bdb/artikel/18690/documents/ 25137
4. Calcante A. Analysis of electric energy consumption of automatic milking systems in different configurations and operative conditions // J. Dairy Sci. 2016. № 5. P. 4043.
5. Kirsanov V.V., Baisheva R.A. Kontrol' i upravlenie v slozhnoj biotekhnicheskoj sisteme molochnoj fermy // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2020. T. 21(5).
5. 625-632.
6. Bernhardt H. Energy management of automatic dairy farms with integration in regional grids // An ASABE meeting presentation. Washington, 2017. R. 1700262.
7. Bernhardt H. Development of the technical structure of the "cow energy" concept // Agronomy. 2021. № 11. R. 1915.
8. Höhendinger M. Impacts of divergent moving drives on energy efficiency and performance of various ams in operative conditions // Agriculture. 2021. № 11. R. 806.
9. Shortall J. Daily and seasonal trends of electricity and water use on pasture-based automatic milking dairy farms // J. Dairy Sci. 2018. № 2. R. 1565-1578.
10. Bartenschlager J. Handhabungstechnik mit Robotertechnik. Wiesbaden, 1998.
ENERGY MANAGEMENT FACTORS ON DAIRY FARMS R.A. Mamedova, candidate of technical sciences Federal research agroengineering center VIM
Abstract. With the milk production technological processes' robotization growth on a livestock farm, as a result, energy costs are increasing. A typical cowshed plan for 125 heads with a robotic milking and feeding systems at 500-700 kWh /head electricity consumption per year is presented, with solar photovoltaic elements located on cowshed roofs surface and a biogas installation producing about 3100 kWh per cow per in year for energy costs' saving are used. The main electricity consumption sources during robotization are the following technological processes: milking (33%), air compressor operating (26%), milk cooling (18%), etc. Electricity consumption during milking robots' operation on a dairy farm is 35-40% of the total annual operating costs. The energy consumption costs by Lely Astronaut and Merlin ofFullWood's firm milking robots in depending on their configuration are considered. It is proposed a model for farm individual robotic devices operation coordinating and power supply controlling system to create based on information received from sensors; for example, it is possible manure cleaning robot in the feeding area to block when the robot-feeder (AMF) new feed delivering, or if the sensor shows that most of the cows are in their pen-stalls then it is possible a manure cleaning robot on including, since at this time the manure passages are the most free. Such model creating complexity lies in the various sensors' values integration and decision -making recommendations.
Keywords: livestock farm, robotization, energy consumption, milking robot, milking, management.
