Feeding system for cattle based on a wheeled robotic feeder

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Анализ современного состояния производства продукции молочного скотоводства показывает, что эффективное развитие этой отрасли может быть обеспечено только на качественно новом технологическом уровне. Новшества позволят более полно реализовывать генетический потенциал животных, рационально использовать корма, энергетические, финансовые и трудовые ресурсы, основные фонды и получать высококачественную, экологически чистую продукцию [1]. В настоящее время доильные роботы активно внедряются в производство, облегчая труд аграриев, в том числе, и в нашей стране.

Иная ситуация складывается с процессом приготовления и раздачи кормосмесей, который является вторым по трудоемкости после доения. На его долю по различным оценкам приходится от 25 [2, 3] до 40% [4] от всего объема работ по обслуживанию животных на молочных фермах КРС. На рынке существует большое разнообразие автоматических систем кормления, отличающихся уровнем автоматизации, технической сложностью и другими параметрами [5]. Они активно применяются на зарубежных фермах [6], на которых обычно содержится небольшое количество животных, однако, не получили широкого распространения в нашей стране преимущественно из-за высокой стоимости. Из открытых источников известно о единичных случаях внедрения данных систем в России: Lely Vector в ООО «Родниковое Поле» Тульской области [7], кормовагоны DeLaval RA 135 в КФХ «Лопотов А.Н.» Псковской области [8], система Jeantil Automatic Feeding в ЗАО «Племенной завод «Ручьи», Ленинградская область (см. интернет ресурс https://agrovesti.net/lib/tech/feeding-tech/avtonomnoe-kormlenie.html).

Целью работы является разработка концептуальной модели автоматической системы кормления КРС на базе колесного роботизированного кормораздатчика для обслуживания животных на отечественных фермах и комплексах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В основу разработки АСК легли следующие исследования:

1. Анализ продукции, выпускаемой производителями систем для приготовления и раздачи кормосмесей на фермах КРС [5].
2. Изучение работ зарубежных ученых, посвященных исследованию автоматических систем кормления.
3. Моделирование работы роботизированного кормораздатчика и мобильного смесителя-раздатчика кормов с помощью разработанного математического аппарата на основе теории графов [9, 10].
4. Экспериментальные опыты, проведенные в российских хозяйствах с функционирующими автоматическими системами кормления [7, 8] и в хозяйствах, являющихся потенциальными потребителями данных технологий.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно исследованию [11], еще несколько лет назад, наиболее распространенными являлись роботизированные кормораздатчики, перемещающиеся по подвесным рельсовым путям. Однако, в ходе проведенного обзора роботизированных технических средств для приготовления и/или раздачи кормосмесей выявлена тенденция к переходу на использование колесных роботов. Это объясняется развитием уровня техники и совершенствованием систем автономного управления. Так, например, один из ведущих производителей в области механизации и автоматизации животноводства GEA Farm Technologies обновил свой ассортимент, и на смену трем моделям подвесного типа GEA Free Stall Feeder, GEA Mix & Carry и GEA MixFeeder with WIC [12, 13] пришел колесный робот GEA DairyFeed F4500.

По результатам проведенного обзора установлено, что ведущие мировые производители Cormall (Дания), DeLaval (Швеция), EDER (Германия), Euromilk (Польша), GEA Farm Technologies (Германия), Hetwin (Австрия), Jeantill (Франция), KUHN (Франция), Lely (Нидерланды), Lemmer (Германия), LUCAS (Франция), One2Feed (Дания), Pellon (Финляндия), Rovibec (Канада), SCHAUER (Австрия), Schuitemaker (Нидерланды), SIEPLO (Нидерланды), TKS (Норвегия), Trioliet (Нидерланды), Valmetal (Канада/США), Wasserbauer (Австрия) суммарно выпускают 37 моделей роботизированных кормораздатчиков. Из них 14% (5 шт.) являются ленточными, 35% (13 шт.) – подвесными, а 51% (18 шт.) – колесными (рис. 1). Учитывая складывающуюся на мировом рынке тенденцию, можно сделать вывод о том, что в будущем колесные роботы вытеснят с рынка устройства подвесного типа, для эксплуатации которых требуется монтаж рельсовых путей в коровниках.

Рис. 1. Типы выпускаемых роботизированных кормораздатчиков, %.

Fig. 1. Types of produced robotic feeders, %.

В связи с увеличением количества моделей колесных роботов и совершенствованием аккумуляторных батарей (АКБ) последние заняли лидирующие позиции в качестве источника питания – из 32 моделей мобильных роботов 47% (15 шт.) работают от АКБ, 44% (14 шт.) – от электросети, 9% (3 шт.) – от двигателя внутреннего сгорания. Можно предположить, что в перспективе доля роботов, работающих от АКБ, возрастет.

В качестве основного рабочего органа у роботизированных кормораздатчиков, как правило, используются вертикальные шнеки (44% или 14 кормораздатчиков) либо продольные транспортеры (41% или 13 кормораздатчиков). При выборе основного рабочего органа определяющим фактором является состав автоматической системы кормления, в которую входит роботизированный кормораздатчик. Их можно разделить на 2 типа:

1. системы, в которых корма поочередно загружаются в роботизированный кормораздатчик и смешиваются в нем, например, вертикальным шнеком;
2. системы, в которых приготовление кормосмесей осуществляется в отдельном технологическом оборудовании. Роботизированный кормораздатчик при этом используется для выдачи уже готовых кормосмесей и оснащается продольным транспортером.

В работе [14] установлено, что обслуживание одним роботом нескольких коровников нецелесообразно, поскольку его производительность снижается примерно в 2 раза, при этом дополнительно требуется установка автоматических ворот, соответствующее благоустройство дорожного покрытия и очистка его от снега в зимний период, возведение тамбуров для переезда между коровниками и т.д.

Также важно отметить, что европейские фермы, на которых по большей части используются автоматические системы кормления, рассчитаны на обслуживание небольшого по численности стада (как правило, это основное дойное стадо).

В России, напротив, во многих хозяйствах наблюдается высокая концентрация животных – 800–2000 и более коров [15]. Так, например, крупные фермы (агрохолдинги) производят 35–40 % всего молока в России [16]. При этом часть животных может содержаться на выгульно-кормовых площадках [8], а само стадо может быть неоднородным по своему составу – помимо дойного стада могут содержаться телята, сухостойные коровы и т.д.

На рис. 2 и 3 схематично представлены коровники с установленными в них автоматическими системами кормления от компании GEA Farm Technologies.

Рис. 2. План коровника с автоматической системой кормления GEA Mix & Carry: 1 – оборудование для подготовки соломы; 2, 3 – бункеры-накопители для основных кормов; 4, 5 – бункеры для концентратов; 6 – стационарный смеситель; 7 – подвесной роботизированный кормораздатчик; 8 – поворотный рельс; 9 – подвесной путь; 10 – зарядное устройство.

Fig. 2. Layout of the cowshed with the GEA Mix & Carry automatic feeding system: 1 – straw processing equipment; 2, 3 – storage containers for silage; 4, 5 – concentrates storage containers; 6 – a stationary mixer; 7 – a rail-guided robotic feeder; 8 – a pivotal rail; 9 – an overhead railway; 10 – a battery charger.

Рис. 3. План коровника с роботизированным кормораздатчиком GEA Free Stall Feeder: 1 – стационарный смеситель; 2 – подвесной роботизированный кормораздатчик; 3, 4 – бункеры для концентратов; 5 – подвесной путь.

Fig. 3. Layout of the cowshed with the GEA Free Stall Feeder robotic feeder: 1 – a stationary mixer; 2 – a rail-guided robotic feeder; 3, 4 – concentrates storage containers; 5 – an overhead railway.

Очевидно, что при увеличении количества коровников существенно возрастают и расходы на приобретение и обслуживание необходимого технологического оборудования. Кроме того, при наличии в хозяйстве открытых выгульно-кормовых площадок для кормления животных дополнительно потребуется задействовать мобильную технику.

Таким образом, на основании проведенных исследований предложена концепция автоматической системы кормления (далее Система), подразумевающая два основных исполнения (конфигурации).

Конфигурация 1.

Вариант реализации Системы в данной конфигурации представлен на рис. 4. Она включает в себя:

1. Отдельные для каждого коровника колесные роботизированные кормораздатчики с весовой системой для выдачи готовых кормосмесей и выполнения операции подравнивания кормов, оснащенные продольным транспортером и работающие от АКБ.
2. Отдельные для каждого коровника бункеры-накопители (один или несколько*), вмонтированные в стену и служащие для промежуточного хранения приготовленных кормосмесей и автоматической загрузки их в роботизированный кормораздатчик.

* Количество бункеров-накопителей и их объем зависят от количества животных, технологических групп, рационов кормления, от выбранной кратности кормления и от других факторов. Для снижения стоимости Системы при соответствующем планировании работ один бункер-накопитель может использоваться для работы с несколькими рационами кормления [17].

3. Мобильный смеситель-раздатчик кормов (МСРК) с весовой системой для приготовления кормосмесей, кормления животных на выгульно-кормовых площадках и/или загрузки бункеров-накопителей.
4. Технические устройства для загрузки кормов в МСРК (либо устройство для самозагрузки).

Рис. 4. Схематичный план реализации Системы (Конфигурация 1).

Fig. 4. Schematic plan of the system implementation in Configuration 1.

Конфигурация 2.

Для хозяйств, в которых приготовление кормосмесей осуществляется централизованно в кормоцехе с использованием стационарных смесителей кормов (см. например, ССК-21В «Хозяин», https://www.youtube.com/watch?v=LC11EobopcM), состав системы будет следующим:

1. Отдельные для каждого коровника колесные роботизированные кормораздатчики для выдачи готовых кормосмесей и выполнения операции подравнивания кормов, оснащенные продольным транспортером и работающие от АКБ.
2. Отдельные для каждого коровника бункеры-накопители (один или несколько) с весовой системой, вмонтированные в стену и служащие для промежуточного хранения приготовленных кормосмесей и автоматической загрузки их в роботизированный кормораздатчик;
3. Мобильные кормораздатчики типа КТУ-10А для загрузки готовых кормосмесей в бункеры-накопители.
4. Стационарные смесители кормов с весовой системой для приготовления кормосмесей и загрузки их в мобильный кормораздатчик.
5. Технические устройства для загрузки кормов в стационарный смеситель.

Таким образом, предложенная система позволяет автоматизировать процессы раздачи и подравнивания кормосмесей за счет применения роботизированных кормораздатчиков. При этом требуется относительно небольшое количество сопутствующего технологического оборудования, в связи с изменением функции бункеров-накопителей, – вместо отдельных компонентов рационов кормления в них загружаются готовые кормосмеси. При этом производительность системы сопоставима с производительностью наиболее дорогостоящих и технически сложных систем (рис. 2), а ее эффективность возрастает с увеличением численности обслуживаемого поголовья, особенно в хозяйствах с комбинированным содержанием животных, поскольку удельные расходы на технологическое оборудование, в расчете на одну голову, снижаются.

За счет использования бункеров-накопителей нагрузка на мобильный СРК оказывается более распределенной, что позволяет обходиться меньшим количеством (или меньшим объемом) техники. Это является одним из существенных преимуществ Системы по сравнению с основной на сегодня технологией кормления на базе мобильных СРК, при которой создаются пиковые нагрузки во время кормлений. Так, зоотехническими нормами, предусматривающими минимизацию стресс-факторов для животных, регламентируется период разового кормления до 20 мин [18]. Показатель варьируется в зависимости от типа помещений на животноводческих комплексах (наличия сквозных проездов, длины кормового стола и др.). Очевидно, что для выполнения этих требований в крупных хозяйствах потребуется задействовать достаточно большое количество техники, которая в периодах между кормлениями будет простаивать. Кроме того, поскольку для предлагаемой Системы исключается необходимость заезда мобильного СРК в коровник, его производительность повышается. Также повышается и уровень свободы в планировании работ, поскольку бункеры-накопители могут наполняться до начала кормления.

ВЫВОДЫ

1. В перспективе основу рынка займут работающие от АКБ колесные роботизированные кормораздатчики с основным рабочим органом в виде продольного транспортера либо вертикальных шнеков (в зависимости от типа автоматической системы кормления, в состав которой они входят).
2. Существующие автоматические системы кормления рассчитаны на обслуживание относительно небольшого по численности стада, расположенного в коровниках. При увеличении количества коровников существенно возрастают затраты на технологическое оборудование, а для кормления животных, находящихся на выгульно-кормовых площадках, дополнительно потребуется задействовать мобильную технику.
3. Предлагаемая автоматическая система кормления для отечественных ферм и комплексов позволяет эффективно применять роботизированные кормораздатчики при относительно небольшом количестве требуемого технологического оборудования. Эффективность данной системы возрастает с увеличением численности обслуживаемого поголовья, особенно в хозяйствах с комбинированным содержанием животных, поскольку удельные расходы на технологическое оборудование в расчете на одну голову снижаются.

Дальнейшим направлением исследования является моделирование работы роботизированного кормораздатчика с целью определения оптимальной вместимости его бункера, при которой обеспечивается универсальность применения кормораздатчика в коровниках с различной численностью животных при разной кратности кормления.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Stanislav M. Mikhailichenko

Author for correspondence.
Email: S.M.Mikhailichenko@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2305-2909
SPIN-code: 3367-9348

Cand. Sci. (Tech.), Senior Researcher of Laboratory of Digital Systems and Robotic Technical Equipment in Dairy Farming

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Types of produced robotic feeders, %.

Download (162KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Layout of the cowshed with the GEA Mix & Carry automatic feeding system: 1 – straw processing equipment; 2, 3 – storage containers for silage; 4, 5 – concentrates storage containers; 6 – a stationary mixer; 7 – a rail-guided robotic feeder; 8 – a pivotal rail; 9 – an overhead railway; 10 – a battery charger.

Download (158KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Layout of the cowshed with the GEA Free Stall Feeder robotic feeder: 1 – a stationary mixer; 2 – a rail-guided robotic feeder; 3, 4 – concentrates storage containers; 5 – an overhead railway.

Download (157KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Schematic plan of the system implementation in Configuration 1.

Download (207KB)

Indexing metadata