Математическая модель функционирования роботизированного устройства для выпаивания поросят-сосунов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 611.363631.277.01 637.11

DOI 10.24411/0131-5226-2019-10198

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫПАИВАНИЯ ПОРОСЯТ-СОСУНОВ

1 2 И.Е. Плаксин канд. техн. наук; С.И. Плаксин канд. физ.-мат. наук

А.В. Трифанов1 канд. техн. наук;

1 Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

2ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный педагогический университет», Новосибирск, Россия

В структуре потребления мяса свинина находится на втором месте с показателем в 25,5 килограммов на душу населения. Высокому потребительскому спросу на данный вид продукции способствуют энергетическая ценность свинины и сравнительно низкая стоимость по сравнению с говядиной и бараниной. По дальнейшим прогнозам производство свинины будет только расти; его объем к 2022 году увеличится еще на 1,5 миллиона тонн. Интенсивный рост внутреннего производства свинины способствует снижению доли импортной продукции, объем которой в 2018 году составил 80 тысяч тонн. Одновременно со снижением импорта ежегодно растет экспорт свинины. В настоящее время объем экспорта свинины составляет порядка 80 тысяч тонн, причем согласно прогнозу к 2024 году он увеличится более чем в три раза. С учетом того, что Россия перешла на полное самообеспечение по данному виду продукции, дальнейшее развитие отрасли напрямую зависит от увеличения экспорта свинины, субпродуктов и свиного шпика. Однако в условиях жесткой конкуренции на внешнем рынке в ценовом сегменте, для увеличения объема экспорта свинины необходимо более эффективное использование генетического потенциала животных, а также снижение производственных издержек. Одним из основных направлений для решения обозначенных проблем является увеличение числа отнятых поросят от свиноматки за один опорос. Этого можно достичь с помощью применения различных способов докармливания и искусственного выкармливания поросят-сосунов. Существующие на сегодняшний день способы характеризуются увеличением стрессовых ситуаций и распространением заболеваний желудочно-кишечного тракта поросят-сосунов. В данной статье предлагается технико-технологическое решение роботизированного устройства для выпаивания поросят-сосунов. Для определения его основных технико-технологических параметров разработана математическая модель его функционирования с учетом нормативных показателей расхода компонентов готовой кормовой смеси в зависимости от возраста поросят-сосунов. При построении модели применен метод математического моделирования, предусматривающий расчетно-конструктивный подход, основанный на использовании нормативных и статистических данных по расходу сухой кормовой смеси, питьевой воды, а также воды для промывки системы в зависимости от возраста выпаиваемых поросят-сосунов. На основе разработанной математической модели определены размеры емкостей для сухой кормовой смеси, питьевой воды и воды для промывки системы и объем дозирующих емкостей. Для практического применения полученной математической модели написана программа на языке Pascal ABC. Программа позволяет роботизированному устройству определять необходимый объем сухой кормовой смеси и питьевой воды для приготовления готовой кормосмеси в зависимости от дня выпаивания поросят-сосунов.

Ключевые слова: сельское хозяйство; свиноводство; свиноматка; подсосный период; роботизированное устройство.

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19 Вып. 3(100)_

Для цитирования: Плаксин И.Е., Трифанов А.В., Плаксин С.И. Математическая модель функционирования роботизированного устройства для выпаивания поросят-сосунов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 3(100). С 153-160

MATHEMATICAL MODEL OF ROBOTIC DEVICE FUNCTIONING FOR SUCKLING

PIGLETS FEEDING

I.E. Plaksin, Cand.Sc. (Engineering); S.I. Plaksin, Cand. Sc. (Physics and

A.V. Trifanov, Cand. Sc. (Engineering); Mathematics)

'Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

2Novosibirsk State Pedagogical University, Novosibirsk, Russia

In the structure of meat consumption, the pork occupies the second place with an indicator of 25.5 kilograms per capita. Caloric value of pork and its relatively low cost compared to beef and lamb contribute to the strong retail demand for this type of product. According to further forecasts, the pork production will only grow; its volume will increase by another 1.5 million tons by 2022. The intensive growth of domestic pork production promotes the reduction in the imported products share, the volume of which in 2018 amounted to 80 thousand tons. At the same time, the pork exports grow annually. At present, the volume of pork exports is about 80 thousand tons, and according to the forecast, by 2024 it will more than triple. Since Russia has become fully self-sufficient in terms of this product, the further development of the industry depends directly on the increase in the pork, by-products and backfat exports. However, the increase in pork exports under the strong competition in the external market in the price segment requires the more effective use of the genetic potential of animals as well as lower production costs. One of the main directions to address the specified problems is to increase the number of weaned piglets per farrowing. This can be achieved by using various methods of complementary and artificial feeding of suckling piglets. The current relevant methods feature a higher number of stressful situations and the spread of gastrointestinal diseases of suckling piglets. The article describes a technical and technological solution of a robotic device for suckling piglets feeding. In order to determine its main technical and technological parameters, a mathematical model of its functioning was created taking into account the normative values of premixed feed components depending on the suckling piglets' age. The method of mathematical modeling was applied to create the model, which provides a computational and structural approach, based on the use of normative and statistical data on consumption of dry feed mixture and drinking water depending on the age of weaned suckling piglets and the water for the system washing. The created mathematical model allowed calculating the dimensions of containers for dry feed mixture, drinking water and washing water as well as the volume of metering containers. A program in Pascal ABC was written for practical application of the mathematical model, which allowed the robotic device to determine the necessary volume of dry feed mixture and drinking water to prepare the ready feed mix depending on the feeding day of suckling piglets.

Keywords: agriculture; pig breeding; sow; suckling period; robotic device.

For citation: Plaksin I.E., Plaksin S.I., Trifanov A.V. Mathematical model of robotic device functioning for suckling piglets feeding. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 3(100): 153- 160 (In Russian)

Введение

Свиноводство является одной из важнейших отраслей животноводства в обеспечении продовольственной

безопасности страны. Целью

свиноводческих предприятий любой производственной мощности является обеспечение населения экономически доступной и экологически безопасной продукцией, содержащей все необходимые для развития организма человека вещества.

На сегодняшний день в России наблюдётся тенденция на увеличение потребления всех видов мяса (рис.1) [1].

Ш Птица #Свинина 88 Говядина Баранина ■ Другие виды мяса

Рис.1. Динамика потребления всех видов мяса на душу населения с учетом экспорта, кг/год

Очевидно, что общее количество мяса, приходящееся на душу населения России, составляет 75 килограммов в год. Причем большая часть этого количества приходится на мясо птицы и свинину, что в процентном отношении составляет 45% и 34 % соответственно.

Но, несмотря на лидирующие позиции, в отрасли птицеводства в 2018 году наблюдалось сокращение производства, в силу следующих факторов: кризис перепроизводства, увеличение

себестоимости, закрытие ряда

птицекомплексов, распространение

заболеваний. Совокупность приведенных факторов привела к увеличению оптовых и розничных цен на готовую продукцию, и, следовательно, к снижению

потребительского спроса.

Сложившаяся ситуация способствует повышению спроса на свинину, объем производства которой ежегодно растет благодаря реализации государственных программ по реконструкции и техническому переоснащению старых свинокомплексов, а также постройке новых свиноводческих предприятий, предусматривающих

применение современных наукоемких технико-технологических и планировочных решений.

На фоне увеличения собственного производства ежегодно сокращается доля импортной свиноводческой продукции, общий объем которой в 2018 году составил порядка 80 тыс. тонн при квоте в 430 тыс. тонн [1]. В тоже время экспорт свинины, свиных субпродуктов и свиного шпика ежегодно увеличивается. Данная ситуация наблюдается вследствие выхода России на полную самообеспеченность данным видом продукции. В 2018 году экспорт свиноводческой продукции составил 85 тыс. тонн и, по дальнейшим прогнозам, данный показатель будет только увеличиваться. По предварительным оценкам на 2019 год экспорт свинины составит 100 тыс. тонн, что превышает аналогичный показатель 2018 года на 17 % [2].

Дальнейшее развитие отрасли свиноводства напрямую связано с ежегодным увеличением объема экспорта данного вида продукции, который к 2024 году доложен составить 270 тыс. тонн. Но, для достижения данного показателя необходимо снижение себестоимости продукции, предусматривающей более эффективное использование генетического потенциала животных, а также снижение производственных издержек.

Одним из основных направлений достижения поставленной цели является увеличение числа отнятых поросят от свиноматки за один опорос. На сегодняшний день для этого применяется

перераспределение поросят к приемным свиноматкам и различные виды ручной и автоматизированной подкормки поросят-сосунов [3-5].

Данные способы обладают рядом недостатков, таких как большое количество стрессовых ситуаций из-за борьбы за соски, а также возможность распространения заболеваний желудочно-кишечного тракта, что приводит к снижению ежесуточных привесов всего гнезда [6].

Для решения обозначенных проблем в данной статье предложено технико-

решение устройства для поросят-сосунов, полную замену

технологическое роботизированного выпаивания обеспечивающее свиноматки.

Для рационального использования сухой кормовой смеси, питьевой воды, воды для промывки системы разработана

математическая модель функционирования роботизированного устройства для выпаивания поросят-сосунов,

предусматривающая использование

нормативных показателей по расходу компонентов готовой кормовой смеси в зависимости от возраста поросят-сосунов.

Данная математическая модель позволяет определять необходимый объем компонентов кормовой смеси в любой момент времени выпаивания поросят-сосунов.

Целью данного исследования является определение технико-технологических

параметров роботизированного устройства для выпаивания поросят сосунов. Методы исследований

Для определения количества каждого из компонентов для приготовления готовой кормовой смеси роботизированным устройством для выпаивания поросят-сосунов, а также для его промывки после каждого кормления был применен метод математического моделирования,

предусматривающий расчетно-

конструктивный подход, основанный на использовании нормативных и

статистических данных по расходу сухой кормовой смеси, питьевой воды, а также воды для промывки системы в зависимости от возраста выпаиваемых поросят.

Результаты исследований

обрабатывались с использованием программных средств: MS Excel и MS Word. Для написания программы использовался язык программирования Pascal ABC. [7] Результаты и обсуждение

Учитывая тенденции развития свиноводческой отрасли,

предусматривающие ежегодное увеличение объема экспорта, актуальной задачей на сегодняшний день является разработка технико-технологических решений,

обеспечивающих производственных следовательно, и продукции.

Одним из производственного

издержек себестоимости

снижение

и,

готовой

важнейших этапов цикла выращивания свиней на мясо, является подсосный период. Благодаря высокому генетическому потенциалу, за один опорос свиноматка может приносить до 19 поросят, но одновременно с увеличением количества рожденных поросят возникает проблема нехватки сосков, приводящая к высокому проценту падежа, достигающему 15%, обусловленного высоким процентом стрессовых ситуаций из-за борьбы за соски, задавливанием поросят свиноматкой ввиду снижения их жизнеспособности,

распространением болезней желудочно-кишечного тракта.

Применяемые на сегодняшний день способы выкармливания и докармливания поросят-сосунов не решают обозначенных проблем. Исходя из этого в Институте агроинженерных и экологических проблем разрабатывается роботизированное

Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_

устройство для выпаивания поросят-сосунов, представлена на рисунке 2 [6,8]. принципиальная схема работы которого

Рис.2. Принципиальная схема функционирования роботизированного устройства для выпаивания

поросят-сосунов

Основными технологическими

операциями в цикле приготовления готовой кормовой смеси являются, точное определение дозы сухой кормовой смеси -заменителя цельного молока (ЗЦМ), питьевой воды и воды для промывки системы после каждого кормления поросят-сосунов. Именно от этих параметров зависят технические характеристики

разрабатываемого роботизированного

устройства для выпаивания поросят-сосунов.

На основе нормативных данных по расходу сухой кормовой смеси, питьевой воды, а также воды для промывки системы роботизированного устройства для выпаивания поросят-сосунов [9] разработана математическая модель посуточного и общего расхода сухой кормовой смеси, питьевой воды и воды для промывки

системы, в процессе искусственного выпаивания поросят-сосунов.

Срок искусственного выпаивания поросят-сосунов составляет 28 дней с момента рождения и получения порции молозива от свиноматки, то есть с 1 по 28 день с момента рождения поросенка [10]. Максимально возможное количество поросят-сосунов, выпаиваемых

роботизированным устройством составляет 14 голов. Смесь для выпаивания поросят готовится согласно следующей пропорции: на один килограмм сухой кормовой смеси приходится пять литров питьевой воды [9]. Среднесуточное нормативное потребление готовой смеси одним поросенком-сосуном в разные временные промежутки его выпаивания приведено в таблице 1 [9].

Таблица 1

Среднесуточное потребление готовой смеси поросятами сосунами

№ суток Общее количество потребляемой Количество кормлений в

готовой смеси одним поросенком день, (раз)

за день, (мл)

1-4 360 12

5-10 500 6

11-20 800 5

21-28 1000 4

Считаем, что количество сухой кормовой смеси, необходимое поросенку-сосуну в день, в каждом из четырех временных промежутков содержания (табл. 1) является постоянной величиной. Плотность р готовой смеси в каждом временном промежутке выпаивания поросенка-сосуна является постоянной нормативной величиной. Количество сухой кормовой смеси ^(1:) (1: £ { 1,. . .,2 8} ) на всем промежутке выпаивания является «кусочно-постоянной» функцией

натурального аргумента t и имеет вид:

г 360

Л(0 =

6

500

~6~

800

~6~ 1000

■ р, если 1 < t < 4

■ р, если 5 < t < 10 р, если 11 < t < 20

■ ■ р, если 21 < t < 28,

(1)

^ 6

где р - плотность готовой смеси, г/мл; 1 - номер суток выпаивания поросенка сосуна.

Аналогично считаем, что количество питьевой воды в каждом из четырех временных промежутков содержания (табл. 1) также является постоянной величиной. Количество питьевой воды ( ) (

) на всем промежутке

выпаивания является «кусочно-постоянной» функцией натурального аргумента t и имеет вид:

/2(0 =

- 360-5 ■Р

6

500 ■ 5 ■Р

6 }

800■5 ■ Р

6 >1

1000 ■ 5 ■Р

, если 1 < t < 4 , если 5 < t < 10 , если 11 < t < 20 , если 21 < t < 28

( )

смеси

Общее количество сухой кормовой необходимое для одного

М

ЗЦМз

поросенка-сосуна за цикл выпаивания роботизированным устройством, находим

суммированием:

360 500

МЗЦм = 4- — -Р + 6- — -р + 10

10220 = о -Р

800 ■ р 1000-р

( )

Общее количество питьевой воды М в, необходимое поросенку-сосуну за цикл выпаивания, определяем в виде:

360■5-р 500■5-р 800■5-р 1000■5■р

Мв = 4--^+6--—10---—— + 8----^

6 6 6 6

51100 = — ■ Р

Для промывки системы

роботизированного устройства для выпаивания поросят сосунов предполагается использование насоса повышения давления и форсунок. Необходимый объем воды V для промывки системы определяется по формуле:

V = N ■ у ■ Т ■ п ( 5 )

где N - количество форсунок; у -производительность одной форсунки, л/с; Т - время работы форсунок, с; - количество кормлений в день.

Для удобства использования полученной модели на практике написана программа на языке Pascal ABC, позволяющая определять необходимое количество сухой кормовой смеси, а также питьевой воды в зависимости от плотности готовой смеси (рис.3).

V

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

Рис.3 Пример использования программы для определения необходимого количества сухой кормовой

смеси и питьевой воды

Выводы

В результате проведенных исследований разработана математическая модель, учитывающая изменение количества сухой кормовой смеси и питьевой воды для приготовления готовой кормосмеси, в зависимости от дня выпаивания поросят-сосунов. Определено общее количество сухой кормовой смеси и питьевой воды необходимое для полного цикла выпаивания поросят-сосунов разрабатываемым

роботизированным устройством. Приведено также выражение для определения общего

количества воды для промывки системы необходимой для обслуживания

роботизированного устройства за цикл выпаивания поросят-сосунов. Для практического применения полученной математической модели написана программа на языке Pascal ABC, позволяющая роботизированному устройству определять необходимый объем сухой кормовой смеси и питьевой воды для приготовления готовой кормосмеси в зависимости от дня выпаивания поросят-сосунов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Национальный Союз Свиноводов [Электронный ресурс] www.nssrf.ru (дата обращения 23.08.2019 г.)

2. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Перспективные направления развития технико-технологических решений для свиноводческих хозяйств всех категорий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1 (98). С. 168-179.

3. Алмазова Н. Подсаживание поросят к приёмным свиноматкам // Животноводство России, 2011, № 8, с. 21.

4. Каталог продукции BigDutchman [Электронный ресурс] https://www.bigdutchman.ru/ru/svinovodstvo/ka talog/detail/culinacup-culinaflex-pro/ (дата обращения 23.08.2019г.)

5. Каталог продукции MS Schippers [Электронный ресурс] www.msschippers.com (дата обращения 23.08.2019 г.)

6. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Повышение эффективности выращивания поросят-сосунов за счет применения роботизированных и автоматизированных средств // Технологии и технические средства механизированного производства

продукции растениеводства и

животноводства. 2019. № 2 (99). С. 301-310.

7. Цветков А.С. Язык программирования PASCAL. Система программирования ABC Pascal // Учебное пособие - СПб. 2016. - 46 с.

8. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Устройство для выпаивания поросят-сосунов // патент на полезную модель RUS 160693 10.12.2015

9. Сельский эксперт. Все о животноводстве в сельской местности [Электронный ресурс] exp.com/svinii/zcm-dlya-porosyat.html (дата обращения 23.08.2019 г.)

10. Профессиональное животноводство. Продолжительность подсосного периода [Электронный ресурс] http://cjzone.ru/vosproizvodstvo-stada/prodolzhitelnosti-podsosnogo-perioda/ (дата обращения 23.08.2019 г.)

REFERENCES

1. Nacional'nyj Soyuz Svinovodov [National Pig Farmers Union]. Available at: www.nssrf.ru (accessed 23.08.2019) (In Russian)

2. Plaksin I.E., Trifanov A.V. Perspektivnye napravleniya razvitiya tekhniko-tekhnologicheskikh reshenii dlya svinovodcheskikh khozyaistv vsekh kategorii [Perspective directions of development of technical and technological solutions for pig farms of all categories]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 1 (98). 168-179. (In Russian)

3. Almazova N. Podsazhivanie porosyat k priyomnym svinomatkam [Piglets fostering]. Zhivotnovodstvo Rossii. 2011. No. 8: 21. (In Russian)

4. Katalog produktsii Big Dutchman [Product Catalog of Big Dutchman]. Available at: https://www.bigdutchman.ru/ru/svinovodstvo/ka talog/detail/culinacup-culinaflex-pro/ (accessed 23.08.2019) (In Russian)

5. Katalog produktsii MS Schippers [Product Catalog of MS Schippers]. Available at: www.msschippers.com (accessed 23.08.2019) (In Russian)

6. Plaksin I.E., Trifanov A.V. Povyshenie effektivnosti vyrashchivaniya porosyat-sosunov za schet primeneniya robotizirovannykh i

avtomatizirovannykh sredstv [Improving efficiency of suckling piglets rearing through the use of robotic and automated tools in the suckling period]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 2 (99). 301-310. (In Russian)

7. Tsvetkov A.S. Yazyk programmirovaniya PASCAL. Sistema programmirovaniya ABC Pascal. Uchebnoe posobie [The PASCAL programming language. ABC Pascal programming system / / Teaching aid]. Saint Petersburg. 2016. 46. (In Russian)

8. Plaksin I.E., Trifanov A.V. Ustrojstvo dlya vypaivaniya porosyat-sosunov [Piglets weaner]. Patent on utility model of the Russian Federation No. 160693. 2015 (In Russian)

9. Sel'skii ekspert. Vse o zhivotnovodstve v sel'skoi mestnosti [Rural expert. All about farming in the countryside]. Available at: https://selo-exp.com/svinii/zcm-dlya-porosyat.html (accessed 23.08.2019) (In Russian)

10. Professional'noe zhivotnovodstvo. Prodolzhitel'nost' podsosnogo perioda [Professional animal husbandry. Duration of the suckling period]. Available at: http://cjzone.ru/vosproizvodstvo-stada/prodolzhitelnosti-podsosnogo-perioda/ (accessed 23.08.2019) (In Russian)