CC BY
30
ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА
631.171
МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НАВОЗОУДАЛЕНИЯ НА СВИНОФЕРМЕ
И.Е. Плаксин канд. техн. наук; А.В. Трифанов канд. техн. наук;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Лидером по наращиванию объёмов производства мяса в России на сегодняшний день является свиноводство. За 2020 год данная отрасль животноводства увеличила производство на 382,3 тыс. тонн по сравнению с аналогичным показателем 2019 года. Ежегодный рост производственных объемов позволил достичь полного обеспечения страны по данному виду мяса. Потребление свинины в России также ежегодно увеличивается и за 2020 год достигло показателя в 4147,7 тыс. тонн, при том что потребление конкурентных видов мяса, таких как говядина и мясо птицы сократилось на 2,87 и 0,2%, соответственно. Увеличение производственных объемов отрасли свиноводства пришлось на сектор крупных свиноферм и комплексов; мелкотоварные предприятия напротив сократили свое производство. По дальнейшим прогнозам, доля крупных свиноводческих предприятий в общем объеме производства будет только увеличиваться и к 2024 году их производство достигнет 6 миллионов тонн. Причем основная часть производимой продукции придется на двадцать крупнейших производителей свиноводческой продукции. Учитывая самообеспеченность страны и риск перенасыщения внутреннего рынка, дальнейшее развитие отрасли связано с увеличением потребления производимой продукции за счет снижения оптовых и розничных цен, а также наращиванием экспорта за счет конкуренции в ценовом сегменте. Снижение цен на производимую продукцию возможно только за счет сокращения производственных издержек. Основными направлениями для решения данной задачи являются сокращение потерь кормов и снижение их конверсии, снижение стрессовых ситуаций при содержании животных, а также увеличение отнятых поросят на одну свиноматку в год. Обеспечение указанных показателей возможно за счет применения средств автоматизации и роботизации производственных процессов. Проведенный анализ существующих способов навозоудаления позволил сделать вывод о том, что наиболее перспективным на сегодняшний день является гидравлический способ периодического действия ванно-трубного типа, основным недостатком которого является необходимость применения ручного труда оператора. Для устранения указанного недостатка предлагается использование средств автоматизации для обеспечения работы системы навозоудаления. Разработана математическая модель управления системой навозоудаления, предусматривающая полную автоматизацию процесса. Математическая модель позволяет определить время, необходимое для выполнения каждой операции при транспортировке навоза из свинарника в навозохранилище и, исходя из данного показателя, выбрать необходимое технологическое оборудование.
Ключевые слова: сельское хозяйство; животноводство; свиноводство; экспорт; эффективность производства; математическая модель.
Для цитирования: Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Модель автоматизации процесса навозоудаления на свиноферме // АгроЭкоИнженерия. 2021. №1(106). С.99-107
AUTOMATION MODEL OF MANURE REMOVAL ON A PIG FARM
I.E. Plaksin Cand. Sc. (Engineering); A.V. Trifanov Cand. Sc. (Engineering)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Pig rearing is currently the leader in enhancing meat production in Russia. In 2020, this livestock industry increased its output by 382.3 thousand tons compared to the same indicator in 2019. The annual growth of output volumes allowed achieving the complete self-sufficiency of the country in this meat type. Pork consumption in Russia is also growing annually. In 2020 it reached 4147.7 thousand tons, while the consumption of competitive types of meat, such as beef and poultry, decreased by 2.87 and 0.2%, respectively. The output increase in the pig industry was accounted for by the sector of large pig farms and complexes; the production on small-scale farms, on the contrary, declined. By forecasts, the share of large pig-rearing enterprises in the total output will continue growing, and by 2024 they will produce 6 million tons. Moreover, the twenty largest pig producers will account for the major part of the products. Considering the country's self-sufficiency in pork meat and the risk of oversupply of the domestic market, the further development of the industry is associated with higher consumption of pig products in response to a fall in wholesale and retail prices and enhanced exports owing to the competition in the price segment. The product price decrease, however, is possible only by lowering the production costs. The main ways to address this issue are to cut feed loss and to provide lower feed conversion; to avoid stressful situations in animal housing practices, and to have a higher number of weaned piglets per sow per year. To address these issues is possible through the use of automation and robotisation of production processes. According to the survey of available manure removal systems, the batch-type hydraulic method of the bath-and-pipe kind demonstrated the most promise for today. Its main disadvantage is the need for the operator's manual labour. The automated equipment might close this gap to ensure the operation of manure removal systems. A mathematical model for manure removal system control was created, which provides for the integrated automation of the process. This model determines the time required to complete each operation when transporting manure from the pig house to the manure storage and, based on this indicator, to choose the required technological equipment.
Key words: agriculture; animal husbandry; pig rearing; export; production efficiency; mathematical model.
For citation: Plaksin I.E., Trifanov A.V. Automation model of manure removal on a pig farm. AgroEkoInzheneriya. 2021. No. 1(106): 99-107. (In Russian)
Введение
Отрасль свиноводства в России занимает лидирующие позиции по ежегодному увеличению производства мяса и субпродуктов. За 2020 год, по сравнению с показателем 2019 года, производство свинины увеличилось на 382,3 тыс. тонн, производство мяса птицы увеличилось на 69,8 тыс. тонн, производство говядины увеличилось на 1,5 тыс. тонн, производство
баранины сократилось на 1,1 тыс. тонн, производство других видов мяса увеличилось на 1,1 тыс. тонн. [1,2].
Наращивание объемов производства неизбежно приведет к снижению оптовых цен на производимую продукцию, что в свою очередь обостряет конкурентную борьбу между предприятиями, которые в свою очередь будут вынуждены искать пути снижения себестоимости производимой
продукции, основными из которых являются: сокращение потерть кормов и снижение их конверсии, снижение стрессовых ситуаций при содержании животных, а также увеличение отнятых поросят на одну свиноматку в год [3,4].
Для снижения количества стрессовых ситуаций необходима минимизация контакта животных с обслуживающим персоналом, предотвращение конфликтов между животными на протяжении всего производственного цикла.
Обеспечить обозначенный показатели на сегодняшний день можно за счет использования современных планировочных решений и средств автоматизации и роботизации производственных процессов [5-8].
На современных свиноводческих предприятиях автоматизированные системы используются при кормлении, поении, организации микроклимата, а также при уборке навоза из производственных зданий.
Автоматизация уборки навоза на сегодняшний день распространена только при механическом способе удаления навоза, при организации гидравлического способа на сегодняшний день практически все операции выполняются вручную.
Исходя из этого целью проведения исследований является обзор существующих способов удаления навоза на свиноводческих предприятиях и разработка модели
автоматизации процесса навозоудаления при использовании гидравлического способа.
Методы исследований
Для определения технологий и технико-технологических решений,
применяемых при уборке навоза на свиноводческих предприятиях, был применен метод поисковых исследований, предусматривающий анализ существующих технологий и технико-технологических решений для свиноводства, и формулировку предложений для ведения дальнейших разработок в сфере автоматизации процесса удаления навоза в свинарниках.
Для определения необходимых параметров автоматизированной системы навозоудаления в работе был применен метод математического моделирования, предусматривающий расчетно-
конструктивный подход, основанный на использовании нормативных и
статистических данных выхода навоза от различных половозрастных групп животных.
Результаты и обсуждение
На сегодняшний день в свиноводстве применяются различные способы удаления навоза, выбор которых зависит от метода содержания свиней производственной мощности свинофермы, а также пожеланий заказчика на стадии проектирования предприятия (рис.1) [9].
Рис.1 Способы удаления навоза
Механический способ с
использованием стационарных типов оборудования удаления навоза из производственного помещения свинофермы на сегодняшний день применяется на малых и средних предприятиях производственной мощностью до 12 тыс. голов в год, а также на специализированных репродукторных фермах ввиду сравнительно небольшого выхода навоза и предусмотрено использование подстилки. Применение данного способа целесообразно при кормлении свиней многокомпонентными кормами, приготовленными в хозяйстве.
Механический способ с
использованием мобильных типов оборудования удаления навоза, таких как трактор или бульдозер на сегодняшний день используется на свиноводческих
предприятиях, применяющих подстилочный метод содержания животных.
Подстилочный метод
предусматривает использование сменяемой, несменяемой, а также долго несменяемой подстилки. При использовании сменяемой подстилки, в зависимости от вида и нормы ее внесения, смена может производиться до нескольких раз в месяц. Несменяемой называют подстилку в том случае, если ее не
1 свиноводческих предприятиях
меняют в течении всего периода содержания животных в секции. Долгонесменяемая подстилка закладывается на срок от 3 до 5 лет с применение микробиологических препаратов и добавлением свежей подстилки в объеме 5% от первоначального каждый месяц.
Основными недостатками
механического способа удаления навоза являются: высокая энерго- и металлоемкость, низкая эксплуатационная надежность, недолговечность.
К гидравлическим способам удаления навоза постоянного действия относятся:
- рециркуляционная и рециркуляционно-лотковая системы, предусматривающие использование навозной жижи и осветленных стоков, подающихся по трубопроводу в навозоприемные каналы.;
- самотечная система удаления навоза непрерывного действия, предусматривающая постоянное самостоятельное стекание навоза в канал без накопления в ваннах и использования запорных устройств, таких как шиберы и пробки.
К гидравлическим способам удаления навоза периодического действия относятся:
- система прямого смыва, предусматривающая использование струи воды создаваемой водопроводной сетью или специальным насосом в приемный коллектор далее транспортируются навоз в хранилища при помощи фекальных насосов;
- отстойно-лотковая система предусматривает добавление воды в лоток из смывных баков с дальнейшим открытием шибера и транспортировкой накопленного объема разбавленного навоза в коллектор и навозохранилище;
- самотечная система удаления навоза периодического действия предусматривает накопление навоза в навозосборном канали или ванне в течении 7-14 суток с последующем открытием шибера и транспортировкой навоза в коллектор
Любые гидравлические системы, предусматривающие применение
дополнительной жидкости при
транспортировке навоза из
животноводческого помещения в коллектор, обладают рядом недостатков:
- ухудшение параметров микроклимата, таких как влажность воздуха и концентрация вредных газов;
- невозможность использования полученного навоза в качестве удобрения;
- значительное увеличение объема навоза [10].
Учитывая приведенные недостатки на сегодняшний день на крупных свиноводческих предприятиях применяются самотечные системы непрерывного и периодического действия, причем большая часть свиноферм оборудована системой периодического действия ввиду меньшей вязкости получаемого навоза.
Самотечная система периодического действия ванно-трубного типа применяется при содержании всех половозрастных групп свиней.
Функционирование системы
осуществляется следующим образом, через щелевой пол твердая и жидкая фракции навоза поступают в навозоприемную ванну, после заполнения которой осуществляется выемка пробки оператором. Навоз из ванны поступает в канализационные трубы и попадает в накопительный коллектор, откуда перекачивается в навозохранилище где происходит его обеззараживание для дальнейшего использования в качестве органического удобрения.
Преимуществами данной системы являются:
- низкие капиталовложения при строительстве;
- быстрый монтаж оборудования;
- долговечность и надежность конструкции;
- экономия воды;
- обеспечение хороших показателей микроклимата производственного помещения.
Не смотря на очевидные преимущества самотечной системы периодического действия ванно-трубного типа для ее эксплуатации необходимо использовать ручной труд, что может привести к ситуациям обусловленным человеческим фактором. Примером такой ситуации может быть несвоевременное открытие пробки в навозоприемной ванне, что приводит к ухудшению показателей микроклимата, стрессу животных, а, следовательно, снижению продуктивности.
Решением данных проблем может служить применение средств автоматизации и роботизации процессов, осуществляемых оператором. Авторами разработана математическая модель функционирования самотечной системы периодического действия ванно-трубного типа с применением средств автоматизации. В ее основе лежит цикличный алгоритм открытия
клапанов навозоприемных ванн, а также коллектора (рис.2). включения насоса распределительного
1. Опорожнение распределительного
колобца 2. Выключение насоса
Рис.2 Структурная схема алгоритма функционирования автоматизированной самотечной системы периодического действия ванно-трубного типа в свинарнике
Для корректной работы обозначенных узлов указанной системы необходима оценка времени выполнения каждой из описанных операций.
Время открытия пробки зависит от общего количества навоза, то есть его объема, находящегося в данный момент
времени в навозоприемной ванне, а также от сечения трубы (Б), на конце которой располагается данный клапан.
Для определения объема навоза, проходящего через сливную горловину ¥нав. воспользуемся формулой Пуазейля [11]:
где:
^-скорость течения навоза, м/с.
Откуда масса навоза, проходящая через сечение трубы £ равна:
Мн
2 S ' Vq 1 t 1 Рнавоза
(2)
где:
плотность свиного
N время прохождения всей массы навоза через клапан, с; рнаЕ
навоза, кг/м3.
Зная нормативные показатели выхода навоза для каждой половозрастной группы свиней определим общую массу навоза, проходящую через клапан:
Мн
= п-тняв-(Г)
(3)
шнаЕ(Т)- нормативный показатель выхода навоза для различных половозрастных
групп свиней, кг, -количесво животных. Выразим время прохождения навоза через клапан приравняв выражения (2) и (3):
2п-тпнав (Т)
t =
(4)
"Рнавоза
Для перекачки навоза из распределительного колодца в хранилище применяется фекальный насос заданной производительности. Запишем выражение определения времени работы фекального насоса:
^ф.Н. w
(5)
где:
V - объем при котором происходит включение насоса, м ; Ш - производительность
насоса, м3/с.
Выводы
Производство свинины в России ежегодно растет, за 2020 год данный показатель вырос на 382 тыс. тонн по сравнению с 2019 годом. Наращивание производственных объемов приводит к снижению оптовых цен на производимую продукцию.
Для достижения
конкурентоспособной цены необходимо применять современные наукоемкие технико-технологические решения,
предусматривающие использование средств автоматизации и роботизации
производственных процессов.
Рассмотренные способы удаления навоза из производственных помещений свиноферм позволили сделать вывод о том, что наиболее перспективными являются гидравлические системы периодического действия ванно-трубного типа. Разработана математическая модель управления данной системой навозоудаления,
предусматривающая полную автоматизацию данного процесса. Математическая модель позволяет определить время необходимое для выполнения каждой из операций при транспортировке навоза из свинарника в навозохранилище и исходя из данного показателя выбрать необходимое
технологическое оборудование.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Национальный Союз Свиноводов
[Электронный ресурс] www.nssrf.ru (дата
обращения 18.03.2021г.)
2.Елисеев А. Г., Шакирова Г. М. Распространение вируса АЧС в Российской Федерации как угроза биологической и
экологической безопасности // Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии. 2014. № 1(11). С 11-19.
3.Базыкин В.И., Трифанов А.В. Малые свиноводческие фермы с бесстрессовым способом содержания свиней // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С. 137-146.
4.Комлацкий В.И., Величко Л.Ф., Величко В.А. Технологические приемы повышения сохранности подсосных поросят от многоплодных свиноматок // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2021. № 165. С. 17-32.
5.Каталог продукции Holm&Laue [Электронный ресурс] www.holm-laue.de (дата обращения 18.03.2021г.)
6.Каталог продукции BigDutchman [Электронный ресурс] https://www.bigdutchman.ru/ru/svinovodstvo/ katalog/detail/culinacup-culinaflex-pro/ (дата обращения 18.03.2021г.).)
7.Каталог продукции Schauer [Электронный ресурс]
1.
https://www.schauer.ru/svinovodstvo/kormleni e-svinei/sistema-babyfeed/ (дата обращения 18.03.2021г.).)
8.Каталог продукции MS Schippers [Электронный ресурс] www.msschippers.com (дата обращения 18.03.2021г.)
9.Шигапов И.И., Губейдуллин Х.Х., Краснова О.Н. Различные способы для удаления навоза из животноводческих помещений // Наука в современных условиях: от идеи до внедрения. 2016. № 15. С. 102-106
10.Плаксин И.Е., Трифанов А.В., Плаксин С.И. Определение расхода технологической воды в зависимости от влажности навоза на свиноводческом предприятии // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 96. С. 257-264.
11. Хайрисламов К.З. Течение Пуазейля для жидкости с переменной вязкостью // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика. Механика. Физика. 2013, Т. 5, № 2. С. 170173.
REFERENCES
l.Nacional'nyj Soyuz Svinovodov [National Pig Farmers Union]. Available at:
www.nssrf.ru (accessed 18.03.2021) (In Russian)
2.Eliseev A. G., Shakirova G. M. Rasprostranenie virusa achs v rossijskoj federacii kak ugroza biologicheskoj i ekologicheskoj bezopasnosti Dissemination of ASF virus In Russian Federation as a threat for the biological and ecological security]. Problemy veterinarnoj sanitarii, gigieny i ekologii. 2014. No 1(11): 1-19 (In Russian)
3.Bazykin V.I., Trifanov A.V. Malye svinovodcheskie fermy s besstressovym sposobom soderzhaniya svinej [Small-scale pig-breeding farms with stress-free technology of pig housing]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 89: 137-146 (In Russian)
4.Komlatsky V.I., Velichko L.F., Velichko V.A. Tekhnologicheskie priemy povysheniya sohrannosti podsosnyh porosyat ot mnogoplodnyh svinomatok [Technological
methods for increasing the safety of piglets from sows with multiple pregnancy]. Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo
gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021. No. 165: 17-32 (In Russian)
5.Product Catalogue of Holm&Laue Company. Available at: www.holm-laue.de (accessed 18.03.2021)
6.Katalog produktsii Big Dutchman [Product Catalog of Big Dutchman]. Available
at:
https://www.bigdutchman.ru/ru/svinovodstvo/ katalog/detail/culinacup-culinaflex-pro/ (accessed 18.03.2021) (In Russian)
7.Katalog produkcii Schauer [Product Catalog of Schauer]. Available at: https://www.schauer.ru/svinovodstvo/kormlen ie-svinei/sistema-babyfeed/ (accessed 18.03.2021) (In Russian)
8. Product Catalog of MS Schippers. Available at: www.msschippers.com (accessed
18.03.2021)
9. Shigapov I.I., Gubejdullin H.H., Krasnova O.N. Razlichnye sposoby dlya udaleniya navoza iz zhivotnovodcheskih pomeshchenij [Different methods for manure removal from livestock houses]. Nauka v sovremennyh usloviyah: ot idei do vnedreniya. 2016. No. 15: 102-106 (In Russian)
10. Plaksin I.E., Trifanov A.V., Plaksin S.I. Opredelenie raskhoda tekhnologicheskoj vody v zavisimosti ot vlazhnosti navoza na svinovodcheskom predpriyatii [Estimation of technological water consumption against manure moisture content at a pig rearing enterprise]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 96: 257-264 (In Russian)
11. Khayrislamov K.Z. Techenie Puazejlya dlya zhidkosti s peremennoj vyazkost'yu [Poiseuille flow of a fluid with variable viscosity]. Vestnik YUUrGU. Seriya: Matematika. Mekhanika. Fizika. 2013, vol. 5, No. 2: 170-173 (In Russian)
УДК 631.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В СВИНАРНИКЕ
А.В. Трифанов канд. техн. наук; В.И. Базыкин
Р.М. Ильин;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Основные параметры микроклимата, контролируемые в животноводческом помещении - это температура, относительная влажность и газовый состав воздуха. Особое внимание необходимо уделять концентрации углекислого газа и аммиака. Целью исследований была оценка параметров микроклимата в действующих помещениях для доращивания и откорма свиней с принудительной системой вентиляции и описание зависимостей концентрации аммиака от температуры и влажности воздуха. Мониторинг параметров микроклимата проводился на свиноферме мощностью 3000 свиней в год ФХ Дмитриковой Н.И., расположенной в дер. Козлово Тверской области. Данная свиноферма построена по проектным предложениям авторов настоящей статьи на одной площадке со свинофермой на
