CC BY
96
УДК 631.171:65.011.56
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук
Институт механизации животноводства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Применение цифровых технологий предполагает наличие соответствующей номенклатуры современного технологического оборудования (измельчители, грануляторы, доильные аппараты, скреперные установки, вентиляторы и др.), датчиков и измерителей, обеспечивающих получение информации о работе этого оборудования, систем обработки и анализа информации, систем передачи и отображения данных, программ формирования управляющих воздействий, реализуемых автоматически посредством исполнительных механизмов или в форме человеко-машинных процедур. В качестве примеров перспективного использования в цифровых технологиях для целей измерения в животноводстве рассматриваются программируемый конвейерный весоизмеритель-дозатор УВ-Ф-30, устройство автоматического технологического взвешивания свиней УНК-Ф-1, проходные весы для скота Step Metrix и Taxatron, весы для свиней Opticomp, датчики систем идентификации животных с использованием ушных, шейных или желудочных чипов, одновременно определяющих и передающих по радиоканалу индивидуальные показатели: температуру тела, частоту дыхания и пульса, двигательную активность с подразделением на хождение, бег, неподвижность (лежание), руминацию, данные о наличии половой охоты, ИК-анализатор InfraXact, экспресс-анализатор качества молока Milkoskan и др. В настоящее время происходит массовая замена аналоговых управляющих устройств на перспективные унифицированные цифровые контроллеры, что позволяет заменить регулятор алгоритмом, существенно расширить область использования, повысить качество управления. Приводятся примеры успешного применения контроллеров при раздаче кормов, уборке навоза, поддержании микроклимата и в других процессах на молочных фермах до 2000 коров, свинофермах до 24 тыс. голов. В качестве перспективных систем обработки и анализа информации ферм, работающих на базе персональных компьютеров или использующих возможности «облачных» технологий, рассмотрены системы управления молочным стадом АfiFarm™, UNIFORM AGRIBV. Ключевые слова: цифровизация, автоматизация, животноводство.
Введение. Функционирование цифровых технологий предполагает, помимо наличия большой номенклатуры современного технологического оборудования (измельчители, грануляторы, доильные аппараты и т.п.), также наличие информации о работе оборудования, устройств ее обработки и анализа, систем передачи и отображения данных, программ формирования управляющих воздействий, реализуемых автоматически посредством исполнительных механизмов или в форме человеко-машинных процедур.
Расширяя работы по цифровизации животноводства, важно обобщить и использовать положительный опыт, накопленный в этой области как у нас в стране, так и за рубежом. В статье приводятся примеры и предлагаются пути реализации перспективных научных разработок, выполненных в ИМЖ-филиале ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, других ин-
ститутах РФ, за рубежом в области цифрови-зации, автоматизации животноводства на современном этапе развития техники, характеризуемым широким распространением цифровых систем, интеллектуальных датчиков, систем обработки и передачи больших массивов информации.
Результаты приведенных исследований могут быть использованы при разработке современных автоматизированных технологий для животноводства, при создании цехов-автоматов животноводческих ферм, при разработке актуального научного направления «умная ферма» и др.
Цель исследования. Целью исследования является обобщение опыта разработки и применения средств и систем автоматизации технологических процессов в животноводстве, выявление направлений их совершенствования для использования в качестве эле-
ментной базы нижнего уровня (получение первичной информации о процессах и управлении механизмами) при разработке цифровых интеллектуальных систем управления для «умной» фермы.
Материалы и методы. Проведенные исследования выполнены с использованием методов факторного анализа.
Результаты и обсуждение. Для получения исчерпывающей информация об объектах и процессах в животноводстве требуется измерять и контролировать около 2000 величин. В настоящее время только менее 40% из них доступны непосредственному измерению. Поэтому обобщение и анализ достигнутых результатов в этой области, составляющих базу цифровизации, является актуальным. Нами разработан программируемый конвейерный весоизмеритель-дозатор УВ-Ф-30 (рис. 1) [1].
б)
Рис. 1. Конвейерный весоизмеритель-дозатор УВ-Ф-30: а) конвейерная лента, б) шкаф управления
Он предназначен для учета расходования сухих и влажных кормов, дозирования компонентов кормов при приготовлении кормо-смесей, учета количества кормов при выгрузке в транспортные средства, перегрузке. Он выполнен в виде платформы с установленной на ней подвижной рамой, опирающейся на тензодатчик. На подвижной раме закреплены вращающиеся барабаны привода и натяжения «бесконечной» ленты. В процессе работы весоизмерителя поток кормов поступает на ленту, движущуюся с постоянной скоростью, затем спадает с нее. На ленте накапливается некоторое количество корма, пропорциональное производительности его потока. Тензодатчик воспринимает нагрузку рамы с некоторым количеством корма на ней, формирует соответствующий сигнал вычислителю производительности и интегратору определения количества корма. Текущие значения производительности и массы дозы корма сохраняются в памяти вычислителя и отображаются приборами. В комплект устройства входят задатчик требуемых доз кормов и программатор управления связанными технологическими линиями, обеспечивающими адресное перемещение кормов.
Для уменьшения погрешности измерений УВ-Ф-30 до 0,2% на интервале 10-30 т/ч обеспечивается возможность изменения скорости конвейерной ленты. Программатор, входящий в состав весоизмерителя, позволяет управлять работой до 16 технологических линий транспортировки кормов и устанавливать задание на 16 доз кормов. Программируемый весоизмеритель дозатор может использоваться во всех кормоцехах, кормоку-хях, в технологических линиях кормоприго-товительных машин, применяемых на фермах. Производственные испытания его проводились на сухих кормах на свинокомплексе 12 тыс. голов в кормоцехе приготовления жидких кормов, которые далее транспортировались в свинарники по трубам.
Применение программируемого весоиз-мерителя на фермах позволило в 5-6 раз снизить погрешность дозирования кормов, повысить качество и питательную ценность кормосмесей, исключить влияние «челове-
ческого» фактора при работе кормоцеха, «заваливание» и поломку оборудования технологических линий подачи кормов, вести инструментальный учет расходования кормов и снизить непроизводственное их расходование.
В настоящее время программируемый ве-соизмеритель-дозатор целесообразно доработать до исполнения в варианте мобильного устройства с электропитанием от бортовой сети автотракторной техники или мобильного электрогенератора. Это позволит использовать его для учетных операций в полевых условиях при разгрузке комбайнов, а также на зернотоках, зерноскладах и других пунктах инструментального учета. С целью оптимизации режима измерения и удобства использования для привода конвейерной ленты целесообразно применить современный шаговый электропривод, а устройство управления оснастить дополнительными блоками, позволяющими передавать получаемую информацию в реальном времени по каналам GSM или GPRS диспетчерским пунктам.
Для контроля за процессом откорма свиней нами разработано устройство автоматического технологического взвешивания [2] УНК-Ф-1 (рис. 2), техническая характеристика его представлена в таблице.
Весы размещаются в контрольном станке, одном на секцию или на все помещение, в характерной зоне свинарника.
Таблица. Технические данные устройства автоматического взвешивания свиней УНК-Ф-1
Рис. 2. Устройство автоматического технологического взвешивания свиней
Результаты взвешивания животных относятся к числу актуальных информативных параметров технологических процессов фермы, поэтому необходимо оперативно передавать их в базу данных фермы, используя проводные или радио- (GSM, GPRS) каналы.
В настоящее время проблема технологического взвешивания животных получила развитие в направлениях уменьшения мас-согабаритных параметров весов, разработке устройств динамического взвешивания, позволяющих получить результат при движении животного по весочувствительной платформе (проходные весы), применения методов цифровой обработки образов. В свиноводстве это достигается размещением весов в станке с животными на пути их к поилке, в молочном животноводстве и на откормочных фермах КРС - при перегонах животных или путем размещения весов на доильной установке. Применение весов технологического взвешивания животных дает возможность в 5-7 раз снизить затраты труда на взвешивание, так как исключается перегон животных по зданию к весам и обратно, а также исключить стрессы животных, связанные с их перегоном.
Из числа зарубежных разработок известны также перспективные решения конструкций проходных весов для скота, которые позволяют получать не только данные о весе животного, но и о состоянии его здоровья на основании анализа походки (устройство Step Metrix фирмы BouMatic Gascoigne Melotte, а также проходные весы Taxatron).
Наименование Значение
Тип Стационарный, в станке с животными
Максимальное количество взвешиваемых животных, гол. 10
Пределы взвешивания, кг: минимальный максимальный 250 1200
Погрешность взвешивания, % 0,2
Периодичность взвешивания 1 раз в двое суток
Количество измерений в технологическом периоде 100
Габаритные размеры, мм 2530х2430х1200
Масса, кг 160
Германской фирмой Weda разработана система Opticomp, которая позволяет определить массу свиньи с точностью до 1,5 кг после обработки пяти-шести ее цифровых фотографий.
На фермах с большим числом животных широко применяются разработанные за рубежом электронные системы идентификации с использованием ушных, шейных или желудочных чипов, одновременно определяющих и также передающих по радиоканалу их индивидуальные показатели: температуру тела, частоту дыхания и пульса, двигательную активность с подразделением на хождение, бег, неподвижность (лежание), румина-цию, данные о наличии половой охоты и др.
На фермах применяются также и приборы, позволяющие оперативно определять качество кормов и получаемой продукции.
Компьютерный ИК-анализатор InfraXact способен в течение 1 минуты определить содержание влаги, белка, жира, белка, клетчатки крахмала, золы, питательной ценности сухого корма. В настоящее время имеются сведения об успешной разработке аналогичного прибора и для влажных кормов.
В молочном животноводстве нашел применение лабораторный экспресс-анализатор качества молока CombiFoss FT+ фирмы Foss (Дания), который позволяет получать данные о содержании в молоке жира, белка, лактозы, мочевины, соматических клеток, сухого вещества. Один анализ по шести параметрам выполняется прибором менее чем за 20 с, поэтому он способен обслужить фермы с поголовьем в несколько тысяч коров.
Компанией DeLаval в настоящее время уже разработаны и поставляются по заказу комплексы для измерения параметров молока, включая соматику и мочевину, в потоке при доении, что практически является достаточным для управления технологическими процессами фермы.
Массовая замена аналоговых управляющих устройств цифровыми наблюдается и в животноводстве. Это позволяет унифицировать применяемую управляющую технику, заменив регулятор алгоритмом работы контроллера, повысить качество управления.
Для управления технологическими процессами раздачи кормов, обеспечения микроклимата, уборки навоза из помещений нами разработан унифицированный интеллектуальный контроллер. Электропитание контроллера осуществляется от сети 220 В, 50 Гц, а также от источников ±12 В. В состав контроллера входят микропроцессорное программное устройство, внутренние часы, логическое реле, таймеры, счетчики импульсов, дискретные и аналоговые входы и выходы. Размер энергонезависимой памяти программ работы обслуживаемых технических средств - до 16 Кбайт. Гибкая изменяемая система входных, а также выходных унифицированных дискретных и аналоговых сигналов о состоянии объекта управления, выдачи управляющих воздействий позволила использовать контроллер в составе самых разных машин для животноводства и кормопроизводства. ЖК-пульт, входящий в состав устройства, дает возможность изменять параметры работы оборудования, просматривать и изменять значения уставок, отслеживать протекание процессов и др.
Контроллер испытан в составе мобильного электрифицированного кормораздатчика для обеспечения автоматической дозированной раздачи кормов в индивидуальные и групповые кормушки [3-4]. Было реализовано программируемое дозированное по массе кормление поголовья в автоматическом режиме без участия оператора. При необходимости в любое время можно изменять задание на массу выгружаемого корма в каждую кормушку. Задание на выгрузку корма формируется вычислителем контроллера управления по числу животных в боксе, их возрасту, поедаемости корма и его объемной массе.
Во время движения кормораздатчика в реальном времени идентифицируется кормушка, вычисляется значение дозы выгрузки в нее и устанавливается задание на режим выгрузного устройства. Включение и отключение выгрузки производится по сигналам начала и конца кормушки. Интеллектуальный контроллер применен также для автоматизации скреперной установки для уборки
навоза в коровниках [5]. Система управления скрепером, помимо контроллера, включает также блок связи с магнитными пускателями электропривода рабочих органов скрепера, маслонасоса, датчиками уровня масла в баке, исходного положения скрепера, усилия тягового органа и др.
Контроллер обеспечивает выполнение следующих функций:
- задание кратности циклов уборки навоза в помещении в течение суток;
- запрет работы установки в зоне, где нет животных;
- защиту животных от травмирования;
- звуковую и световую сигнализацию аварийных режимов (отказ привода, поломку рабочих органов скрепера, невозврат скрепера в исходное состояние по истечении заданного времени, аварийное понижение уровня масла в баке и т.п.).
Работа скрепера происходит также в автоматическом режиме без участия оператора. В заданное время в соответствии с установленным графиком подается звуковой сигнал и начинается процесс уборки помещения. В реальном времени система управления отслеживает усилие на тяговом органе скрепера и длительность цикла уборки. Увеличение усилия сверх установленного значения идентифицируется как наезд на препятствие (животного) и приводит к кратковременной остановке рабочего органа, чем и обеспечивается защита от травмирования. Невозврат скрепера в исходное положение по истечении определенного промежутка времени идентифицируется как неисправность и оповещается звуковым сигналом.
Использование программируемого контроллера в технологических операциях кормления и уборки навоза в животноводческих помещениях позволило полностью автоматизировать процессы, обеспечить их требуемую периодичность, исключить стрессы, повысить надежность оборудования. Поскольку современные контроллеры имеют стандартные интерфейсы, появляется возможность наблюдения за работой технологических линий кормления животных и оборудования уборки навоза, что еще более повысит
эффективность их работы благодаря оперативному контролю за состоянием и своевременному устранению отказов.
Интеллектуальный контроллер использован также в экспериментальном образце для управления оборудованием микроклимата по трем параметрам: температуре, относительной влажности и газовому составу (концентрации СО2) в воздухе животноводческого помещения. Введение в контур управления микроклиматом третьего параметра - газового состава - требует некоторого усложнения алгоритма и управляющей программы контроллера: вычисления в реальном времени значений критериев, зависящих от текущих значений температуры и относительной влажности наружного воздуха и воздуха внутри помещения и по результатам анализа - управление установками микроклимата по температуре воздуха, его относительной влажности или газовому составу.
Такое усложнение системы управления микроклиматом позволяет, как показывают результаты исследований, экономить до 20% тепловой энергии на обогрев помещений в холодное и переходные периоды года. Дополнительный диспетчерский или дистанционный (GSM, GPRS) контроль за состоянием микроклимата животноводческих помещений, легко реализуемый с помощью широко используемых интерфейсов, может быть использован в качестве подсистем «умной» фермы.
Помимо указанных примеров использования, контроллеры отечественного и импортного производства нашли применение в доении, при управлении работой автоматических кормовых станций, оборудования систем стационарной раздачи кормов в свиноводстве, в составе робототехнической техники (роботы доения, робот-кормораздатчик Leli Vector, который приготавливает, доставляет и дозированно выдает корм, имеет wi-fi связь с компьютером фермы, корректирующим его работу, робот-уборщик навоза, робот перемещения корма) [6-7] и др.
Для исключения выхолаживания торцевых зон животноводческих помещений нами разработана система автоматического дис-
танционного управления воротами, основная отличительная особенность которой состоит в использовании обычного зеркала для команды на открытие ворот [8] (рис. 3).
Система автоматического дистанционного управления воротами включает в себя:
- датчик обнаружения транспортного средства на подъезде к воротам;
- электропривод открытия ворот с муфтой предельного момента;
- муфту с устройством расцепления;
- датчик приема сигнала, отраженного от транспортного средства;
- блок приема и обработки сигнала;
- формирователь команды на открытие ворот.
б)
Рис. 3. Система автоматического дистанционного управления воротами: а) команда на пропуск техники, б) исполнение команды
В схеме управления выбран инфракрасный приемо-передающий датчик в одном корпусе. Приемо-передающий датчик устанавливается над воротами. Когда к воротам подъезжает транспортное средство, машинист с помощью зеркала перенаправляет луч передатчика обратно к фотоприемнику, являющемуся входом формирователя и расположенному рядом с передатчиком. Блок формирователя посредством пускателя включает
привод, и ворота открываются на время заезда транспортного средства в помещение. Такая система позволит улучшить условия труда механизаторов, скотников, операторов доения, исключит переохлаждение животных, примерзание оборудования в холодное время года.
В животноводстве получили также распространение компьютерные системы управления на базе собственных персональных компьютеров с соответствующим программным обеспечением, а также путем применения «облачных» технологий. Такие системы используют данные, получаемые автоматически с датчиков и пультов операторов, производят их сортировку и обработку. В результате генерируется в реальном времени текущая информация о каждом животном, обобщенная информация различных уровней о состоянии производства предприятия, обеспечивается получение по запросу различных данных, выдаются команды-задания исполнительным устройствам, рекомендации о проведении мероприятий и т.д. Программы управления молочным стадом UNIFORM AGRI BV, AfiFarm™ позволяют вести в реальном времени учет и анализ индивидуальных показателей коров и стада в целом, обеспечивая менеджмент фермы данными для принятия решений, повышающих рентабельность производства. Разработанная в Израиле автономная система Heatime, представляющая комплексное решение для контроля за здоровьем и воспроизводством коров, позволяет существенно повысить эффективность работы по воспроизводству молочного стада, экономить кормовые ресурсы.
Выводы. Внедрение цифровых технологий с широким использованием средств автоматизации, специализированных автоматических устройств и систем позволит:
- снизить удельные затраты ресурсов за счет повышения качества кормов, дозирования, инструментального учета расходования;
- увеличить продуктивность животных, продолжительность их использования путем создания комфортных условий содержания, повышения дисциплины выполнения технологических процессов;
- поднять производительность труда в животноводстве в 1,5-2,2 раза;
- сделать труд животноводов социально привлекательным, превратив его в разновидность индустриального без тяжелых, монотонных ручных операций, необходимости пребывания в опасных и зараженных зонах.
Литература:
1. Результаты внедрения весового дозирования и учета кормов в кормоцехе свиноводческой фермы / Н.Н. Новиков и др. // Сб. тр. ВНИИМЖ. Подольск, 1993.
2. Новиков Н.Н. Автоматизированный контроль за приростом живой массы животных на свиноводческих фермах и комплексах // Тр. ВНИИС. Быково, 1999.
3. Результаты исследований микропроцессорной системы управления кормораздатчиком / Н.Н.Новиков и др. // Сб. тр. ВНИИМЖ. Т. 6, ч. 1. Подольск, 1997.
4. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по созданию инновационной техники с интеллектуальными системами для животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 3(15). С. 4-16.
5. Новиков Н.Н. Автоматическое управление уборкой навоза из животноводческих помещений // Модернизация с.-х. производства на базе инновационных технологий и автоматизированных систем. М., 2012.
6. Краусп В. Р. Стратегия автоматизации и информатизации управления сельскохозяйственным производством. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 396 с.
7. Иванов Ю.А., Новиков Н.Н. Автоматизация процессов как фактор повышения эффективности произ-
водства животноводческой продукции // Сборник научных докладов ВИМ. 2006. Т. 1. С. 104-109. 8. Пат. 2477361 РФ. Способ дистанционного управления приводом дверных створок помещений / Новиков
H.Н. Опубл. 10.03.13.
Literatura:
I. Rezul'taty vnedreniya vesovogo dozirovaniya i ucheta kormov v kormocekhe svinovodcheskoj fermy / N.N. No-vikov i dr. // Sb. tr. VNIIMZH. Podol'sk, 1993.
2. Novikov N.N. Avtomatizirovannyj kontrol' za priros-tom zhivoj massy zhivotnyh na svinovodcheskih fermah i kompleksah // Tr. VNIIS. Bykovo, 1999.
3. Rezul'taty issledovanij mikroprocessornoj sistemy up-ravleniya kormorazdatchikom / N.N.Novikov i dr. // Sb. tr. VNIIMZH. T. 6, ch. 1. Podol'sk, 1997.
4. 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.
5. Novikov N.N. Avtomaticheskoe upravlenie uborkoj na-voza iz zhivotnovodcheskih pomeshchenij // Moderniza-ciya s.-h. proizvodstva na baze innovacionnyh tekhnologij i avtomatizirovannyh sistem. M., 2012.
6. Krausp V. R. Strategiya avtomatizacii i informatizacii upravleniya sel'skohozyajstvennym proizvodstvom. M.: GNU VIEHSKH, 2008. 396 s.
7. Ivanov YU.A., Novikov N.N. Avtomatizaciya proces-sov kak faktor povysheniya ehffektivnosti proizvodstva zhivotnovodcheskoj produkcii // Sbornik nauchnyh dok-ladov VIM. 2006. T. 1. S. 104-109.
8. Pat. 2477361 RF. Sposob distancionnogo upravleniya privodom dvernyh stvorok pomeshchenij / Novikov N.N. Opubl. 10.03.13.
DEVELOPMENT OF AUTOMATION'S TOOLS FOR LIVESTOCK DIGITAL TECHNOLOGIES
N.N. Novikov, candidate of technical sciences
Institute of livestock mechanization - filial of FGBNY FNAC VIM
Abstract. The digital technologies using implies an appropriate modern technological equipment presence (grinders, granulators, milking machines, scraper units, fans, etc.), sensors and meters providing information about this equipment operation, information's processing and analysis systems, data's transmission and display systems, control actions formation's programs, implemented automatically by executive mechanisms or in the human-and-ma-chine procedures' form. As the examples of in digital technologies for livestock measurement purposes promising use UV-F-30programmable conveyor weight meter-dispenser, UNK-F-1device of pigs automatic technological weighing, Step Metrix and Taxatron - as cattle' passing scales, Opticomp pigs' scales, sensors for animal identification systems with ear, neck or stomach chips using, simultaneously determining and transmitting on the radio channel individual indicators: body temperature, respiration rate and pulse, physical activity into walking, running, immobility (lying down), called rumination, the data on the availability of sexual inclination had divided, as well as IR-analyzer, In-fraXact, Milkoskan - as milk quality express-analyzer etc are considered. Currently, there is a mass replacement of analog control devices for advanced unified digital controllers, that allows to replace this controller with an algorithm, significantly expand the scope of using, improve the quality of control. The examples of controller's successful application in the forages preparing, manure cleaning, climate maintaning and other processes distributing on dairy farms up to 2,000 cows, pig farms up to 24 million heads are given. As the dairy herd management promising systems Afifarm™, UNIFORM AGRI BV as for farms' information processing and operating analysis systems on the basis of personal computers or "cloud" technologies capabilities using are considered. Keywords: digitalization, automation, livestock breeding.
