Автоматизация молочных ферм

Автоматизация молочных ферм

На современном этапе автоматизация молочного животноводства осуществляется на базе широкого использования электронной измерительной и вычислительной техники. Процесс внедрения этой техники принято называть электронизацией.

За рубежом и в нашей стране разработано и применяется несколько разновидностей систем электронизации.

Существующие системы электронизации молочных ферм можно классифицировать: по уровню, занимаемому в структуре производства (нижнего, верхнего и многоуровневые); по характеру протекания технологического процесса (ТП) (дискретные, непрерывные и непрерывно-дискретные) ; по информационной мощности, характеризуемой числом первичных измеряемых и контролируемых технологических параметров, байт/голов: малой - 2-10, средней - 11-20 и большой мощности - более 20; и информационной базой данных на одно животное: малой- 10-100, средней-101-200, большой мощности - более 200; по типу функционирования (информационные, локально-автоматические, советующие и автоматические).

Фирма «Вестфалия Сепаратор» (ФРГ) разработала и поставляет в другие страны электронную систему, обеспечивающую учет индивидуальных надоев молока и регистрацию информации от каждой коровы с пульта оператора доения, индивидуальную раздачу двух видов концентрированных кормов животным в кормовых станциях, ведение календаря животных и общего зоотехнического учета. В системе применена автоматическая идентификация животных на доильной установке и в кормовых станциях. По приведенной выше классификации это многоуровневая система, управляющая дискретным технологическим процессом, средняя по информационной мощности и локально-автоматическая советующая по типу функционирования. Фирмы «Поиеш» (Нидерланды), «Гаскойн» и «Фулвуд» (Англия), «Бабеон» (США) и др. создали аналогичные системы, отличающиеся лишь конструктивными решениями, объемом регистрируемой и перерабатываемой информации, структурами систем. Все они являются системами средней информационной мощности.

В социалистических странах разработки систем электронизации молочных ферм осуществлены в НРБ, ВНР, ГДР, СССР и ЧССР. Эти системы являются многоуровневыми, средней и малой информационной мощности, локально-автоматическими и информационно-советующими.

В нашей стране разработана система идентификации (распознавания) номеров животных и электронные устройства управления процессами доения и кормления. На этой электронной аппаратуре построены автоматические подсистемы сбора и обработки индивидуальной информации о животных и индивидуальной раздаче кормов коровам в зависимости от продуктивности. Подсистема сбора индивидуальной биологической информации о животных выполнена в привязке к доильной установке УДА-8 «тандем».

Подсистема управления индивидуальной раздачей концентратов обеспечивает управление 16 кормовыми станциями. На лицевой панели микроконтроллера размещена клавиатура для набора номера животного и количества запрограммированного к выдаче корма. В каждой кормовой станции установлен электронный блок, принимающий сигналы от микроконтроллера к выдающий заданную дозу корма.

Обе подсистемы (сбора биологической информации на доильной установке и индивидуальной выдачи конц-кормов) работают совместно с системой идентификации номеров животных, которая обеспечивает определение закрепленного на ошейнике животного номера. Считывание номера осуществляется в каждом доильном станке и в каждой кормовой станции с помощью антенн.

Система электронизации всей фермы объединяется с помощью микро-ЭВМ, которая по каналам связи управляет работой подсистем сбора биологической информации и индивидуальной раздачи концентратов. В системе используются пакеты прикладных программ зоотехнического учета, расчета рационов и управления подсистемами нижнего уровня.

Электронизация молочных ферм с применением микропроцессоров и микро-ЭВМ имеет большую технологическую и экономическую эффективность. Например, применение индивидуальной раздачи концкормов каждому животному в зависимости от продуктивности и биологического состояния животных дает возможность лучше использовать корм, точнее нормировать и ту же продуктивность коров обеспечивать меньшим (на 7-18%) количеством корма.

Электронизация управления режимом доения сокращает число коров с самозапуском, устраняет недодой и приводит к повышению надоев на 5-12%. Сбор биологической информации о животных на доильной установке дает возможность вести на ЭВМ достоверный зоотехнический учет и получать от животных на 3-5% больше молочной продукции.

Главной, объединяющей системой электронизации молочных ферм является система распознавания номеров животных. Номера обычно распознаются в специальном пункте, через который проходят животные, а также при нахождении их около кормушек, на доильных установках, весоизмерительных платформах, разделителях потока животных и в других местах. Широкое применение за рубежом получили системы кодово-импульсной модуляции.

Устройство распознавания используют в сочетании с другими контрольными, регистрирующими и исполнительными системами.

Система распознавания номера института IMAG (Голландия) основана на принципе кодово-импульсной модуляции (рис. 50). На нейлоновом ошейнике 2 каждого животного 1 закреплен передатчик размерами 6,5X10x3,7 см. На кормушках, в которые дозатор 3 подает корм, закреплены излучатели 17 электромагнитного поля 19, энергия которого воспринимается ферритовым устройством 16 передатчика 5, который выдает зашифрованный код 20. Он принимается устройством 18, закрепленным на кормушке 4. Передача закодированного сигнала осуществляется с помощью направленных ферритовых стержней-антенн. Принятый устройством 6 сигнал-код расшифровывается в устройстве 7 и передается в регистр сдвига 8. В схему включен второй регистр 9, который «запоминает» распознанный номер. Устройство 10 сравнивает оба номера, и при их совпадении счетчик 13 запоминает первое совпадение. Если совпадение было более 8 раз подряд, номер считается распознанным правильно и сигнал блоком 11 передается в блок 14. Если совпадения не было, счетчик 13 вновь устанавливается на нуль. Процесс сравнивания номеров протекает со скоростью около 0,04 с-1. Распознанный номер используется для вывода на табло 12, передачи в программный блок (ЭВМ), записи информации на магнитную ленту. Энергия поля при распознавании номера подается импульсами. Ответный сигнал имеет восемь значений импульсов в коде. Импульсы могут принимать значения 0 и 1. В каждом импульсе содержится один бит информации. В рассматриваемой схеме восемь импульсов. Такая система может распознавать 28=256 животных. Для комплекса на 2000 коров понадобилось бы (2П==2048) одиннадцать разрядов.

Кодово-импульсный сигнал от передатчика 15 несет в себе информацию о номере животного и синхронизирует работу устройств. Поэтому имиульс Ро по длительности существенно превосходит другие импульсы.

Аналогично по принципу действия выполнена отечественная система. Датчики номера (рис. 51) закреплены на ошейнике так, что они однозначно ориентированы в поле приемно-передающих антенн и обеспечивают надежный прием и передачу сигналов. Проверка на достоверность осуществляется специализированным микроконтроллером, представленным на рис. 52. В нем осуществляются многократная проверка номера и высвечивание достоверного номера на индикаторе.

Автоматизация процесса доения. В молочном животноводстве получают распространение датчики-счетчики для группового и индивидуального надоя молока.

Счетчики группового надоя молока позволяют вести учет надоя молока от группы коров, закрепленных за одной дояркой. Их подключают к молокопроводу.

Счетчики индивидуальных надоев применяют при проведении контрольных доек и при ежедневном учете. Разработан счетчик индивидуальных надоев, принцип действия которого основан на подсчете числа опрокидываний ковша, в карман которого помещается 50-100 г молока. Опрокидывание ковша сопровождается замыканием герконового контакта, и счет числа импульсов происходит с помощью счетчика импульсов электронного типа.

На современных фермах применяют также объемные измерительные устройства пропорционального типа. В них ведется отбор через калиброванное отверстие некоторой доли молока, пропорциональной всему удою, накапливаемому в мерном цилиндре со шкалой. Типичным измерителем индивидуальных удоев этого класса является прибор УЗМ-1. Он является поточным измерителем удоя, состоящим из воздухоотделителя и трубки со шкалой. Из накопительной камеры молоко отбирается пропорционально проходящему потоку. Отбор не зависит от скорости поступления молока, его жирности и содержания воздуха. Прибор используется также для отбора проб молока при определении жирности, белкового состава и других целей.

На доильных установках также применяют устройства, которые по параметрам молока, получаемого от коров в процессе доения, выявляют коров, больных маститом. Эта операция является важной в связи с тем, что молоко от коров, больных маститом, непригодно к употреблению и оно должно быть отделено от основного потока молока. При этом важно выявить заболевание в ранней стадии, когда лечение животных эффективно и невелики потери молока от больных коров.

На рис. 53, а изображен механический индикатор мастита МИМ-1 у коров. Он состоит из корпуса 1, в который входят патрубки 5 и 7 для подвода и отвода молока. В корпус вставлена рамка 3 с сеткой 4, разделенной перемычкой 2 с перепускным отверстием. Рамка имеет уплотнительное резиновое кольцо, обеспечивающее герметичность соединения с корпусом 1. Прибор устанавливают в разрез молочного шланга 8, соединяющего коллектор 9 с молокопроводом. Индикатор мастита МИМ-1 работает по принципу выделения из молока мелких сгустков, свидетельствующих о заболевании коров маститом. При его работе выявляется около 75% коров, больных маститом. Индикатор позволяет ежедневно проверять животных на это заболевание. О заболевании свидетельствуют хлопья на сетке, видимые сквозь корпус индикатора 6; при необходимости сеточку вынимают и осматривают ее более внимательно. При обнаружении хлопьев индикатор промывают. Использование индикатора облегчает обнаружение животных, больных маститом. Кроме того, сокращаются затраты времени на лечение, так как при ежедневном контроле выявляются животные в ранней стадии заболевания, уменьшается общая продолжительность лечения, снижается расход лекарств. Эти факторы способствуют большему выходу (меньшим потерям) молока и повышению его качества.

МИМ-1 прошел широкую хозяйственную проверку и выпускается серийно.

Для ранней диагностики субклинических форм мастита применяется электронный автоматический сигнализатор мастита АСМ-1. Он предназначен для выявления коров с аномально высокой электропроводностью молока. Контроль электропроводности осуществляется в процессе доения по каждой четверти вымени. Прибор состоит из капронового корпуса, внутри которого установлены четыре датчика электропроводности, печатная плата электрической схемы и элементы электропитания (рис. 53,6). Прибор установлен между корпусом и основанием коллектора доильного аппарата типа АДУ-1.

Сигнализатор АСМ-1 работает по принципу измерения электропроводности молока, выдоенного из каждой четверти вымени, и сравнения его с заданной величиной, регулируемой для каждого, производственного стада. Превышение измеряемой электропроводности свидетельствует о наличии субклинической формы мастита. Это состояние отражается световым сигналом АСМ на корпусе. Ниже (на лицевой стороне корпуса) расположен тумблер включения питания «выкл» и регулировочный винт для настройки заданного уровня.

Преимущество АСМ-1 перед другими аналогичными устройствами заключается в том, что животные выявляются в ранней стадии заболевания маститом, контроль осуществляется в процессе доения без отбора проб молока. Прибор переносной, его можно использовать при разных технологиях содержания коров и сократить затраты труда ветеринарных работников на диагностику маститов более чем на 50%.

Доильные установки с АСУ ТП предназначены для автоматизированного доения коров при беспривязном и привязном (с автоматической привязью) содержаниях и для автоматического сбора и обработки индивидуальной биологической информации о животных и перегруппировки стада. Их можно применять во всех зонах страны на молочных фермах (на 200-800 коров) с подобранным или невыравненным стадом по тугодойности, размерам вымени и приспособленности к машинному доению.

Установки «тандем» с АСУ ТП-1 размещаются в доильном зале. Перед входом в доильную установку находится преддоильная площадка, на которую загоняют группу коров для дойки. Выдоенные коровы по скотопрогону попадают на разделитель потока животных и далее направляются в секцию для отдыха или в бокс для осмотра и зооветобслуживания. К доильной установке примыкает помещение зооветспециали-стов и комната АСУ ТП, где размещаются электронные приборы, вычислительная и микропроцессорная техника.

В станках доильной установки находятся антенны системы распознавания номеров, блоки управления режимом доения, датчики-счетчики надоя молока, сигнализаторы мастита, манипуляторы, кнопки ввода информации и сигнальные устройства. В проходе доильной установки смонтированы микроконтроллеры с информационным табло, коммутатор системы распознавания. Для управления впуском и выпуском коров применяют рукоятки ручного управления и пневмоприводы дверей.

Структурная схема АСУ ТП-1 (рис. 54) отражает информационную связь узлов системы. Микроконтроллер обменивается информацией с микро-ЭВМ верхнего уровня, выводит информацию на цифропечать и табло, управляет системой распознавания номеров животных 1 и работой блоков управления доением 6 (БУД4- БУД8). В доильных станках установлены антенны 8, которые периодически в заданном цикле подключаются коммутатором к блоку 1, и считанный номер животного передается в микроконтроллер доильной установки. Одновременно с регистрацией номера прибором 9 (АСМ-2) с датчиком электропроводности 13 контролируется и регистрируется наличие у животного мастита; датчиком-счетчиком 14 регистрируется количество надоенного молока; манипулятором (МДФ-1) задается режим доения и додаивания. На табло блока управления доением высвечиваются сигналы: наличия мастита, не доить (запускать) животное и сигнал недодоя, а также имеется возможность кнопочного ввода оператором информации об «охоте», заболевании и вызове информации на табло. Микроконтроллер опрашивает блоки 6 управления доением и считывает накопленную в них информацию.

Управление разделителем потока животных осуществляется от микроконтроллера, который через блок распознавания и блок управления расколом задает номера животным, которых необходимо выделить в бокс для обслуживания. При прохождении животного, подлежащего выделению, через разделитель потока управляемые ворота устанавливаются в требуемое положение и животное направляется в блок для обслуживания.

Контроль и управление: сигнализация недодоя при отклонении ожидаемого удоя от действительного более чем на 10%; выявление коров с заболеванием маститом по параметру электропроводности молока; регистрация удоев коров за каждую дойку; ввод оператором информации с кнопок о заболевании, охоте коров; вызов на табло информации о состоянии животного в станке доильной установки.

Доильная установка «тандем» с АСУ ТП-1 по сравнению с УДА-8 выполняет ряд новых функций: выделение из потока коров, подлежащих зоовет-обслуживанию; сбор и обработку индивидуальной биологической информации о животных.

Создание автоматизированных доильных установок «тандем» с АСУ ТП-1 дает возможность широко внедрять беспривязное содержание коров и осуществлять при этом четкий контроль индивидуальных особенностей животных, выдерживать биологические циклы и накапливать необходимые статистические данные для ведения племенной и селекционной работы в стаде. Применение доильной установки устраняет самозапуски коров, сокращает заболевание их маститом, обеспечивает регистрацию индивидуальных удоев, полное выдаивание животных и повышает производительность труда на операциях доения и обслуживания коров.

На рис. 55 показано размещение элементов автоматики в станке доильной установки. Датчик-счетчик для индивидуального удоя размещается после пневмодат-чика 2 манипулятора 1. Поток молока к датчику-счетчику подводится по шлангу 4 и отводится после измерения надоя в молокопровод. В системе использован механический индикатор мастита МИМ-1, который включен в патрубок между доильным аппаратом и пневмодатчиком манипулятора.

Автоматизация индивидуальной раздачи концентратов в секциях при беспривязном содержании. Значительное внимание отводится созданию автоматизированных систем индивидуальной раздачи концентрированных кормов коровам в зависимости от продуктивности. Корм выдается в специализированные кормушки, устанавливаемые вне доильного зала.

Для беспривязного содержания коров разработана автоматизированная система индивидуальной раздачи концентрированных кормов коровам в зависимости от продуктивности и физиологического состояния. Ее применение устраняет обезличку в кормлении коров и дает возможность учесть особенности каждого животного и обеспечить индивидуальный рацион кормления в промышленном стаде. Для этого созданы электронные системы кодирования и распознавания номеров животных, разработаны алгоритмы и программы управления индивидуальным кормлением; обоснованы и разработаны микропроцессорные блоки управления кормлением.

На рис. 56 показан технологический модуль фермы на 400 коров с модульной АСУ ТП индивидуальной раздачи концентратов животным. Технологический модуль состоит из двух коровников /, // и доильно-мо-лочного блока ///. Животные содержатся в секциях по 50 голов. Основной корм раздается мобильным раздатчиком, идущим по кормовому проходу 2 в лотковые кормушки 8. В секциях размещены 16 автоматических кормушек из расчета одна кормушка на 25 коров. Бункера над кормушками загружаются транспортером, который подает корм из бункеров 4. Раздача производится в соответствии со схемой управления V. При подходе животного 30 к кормушке датчик 31, закрепленный на ошейнике, входит в электрическое взаимодействие с питающим и приемным устройством 32. Электрический сигнал о номере передается в блок распознавания номера 29, где расшифровывается и направляется в программный микропроцессорный блок. По программе, поступившей от микро-ЭВМ 37 и заранее записанной в микропроцессорном блоке 36, дозаторами 35 выдаются порции корма в кормушку 33. Корм подается с такими интервалами, чтобы животное успевало его поедать.

На рис. 57 показана примерная программа кормления коров фирмы «Альфа-Лаваль» (Швеция). Зоотехнической наукой доказано, что концентрированный корм должен скармливаться малыми порциями и распределяться в течение суток. Это обеспечивает хорошую переваримость и усвояемость и, следовательно, более экономное его расходование. Экономический эффект выражается в том, что при том же количестве корма за счет его правильного нормирования и распределения при скармливании можно получить дополнительно 150-200 кг молока на корову в год.

При беспривязном содержании кормушки располагаются в секциях рядом с боксами для отдыха, в местах свободного выгула или в проходах или на специально оборудованных площадках. Бункера над каждой кормушкой загружаются транспортерами. Идентификация номеров животных осуществляется в каждой кормушке при опускании головы животного в кормушку. Приемно-передающие антенны, узлы для питания электроприводов и другая электронная аппаратура вмонтированы в блок, устанавливаемый в передней части кормушки ниже шеи животного. Группа из восьми кормушек управляется от одного микроконтроллера 4, пульта 3, который имеет опросное устройство, поочередно подключающее кормушки. По поступившему номеру из системы идентификации (датчик номера располагается на ошейнике животного, электронная схема размещена в блоке микроконтроллера 4), микроконтроллер подает управляющий сигнал на электропривод автокормушек для выдачи установленного количества порций корма.

Корм двух видов в бункер 5 автокормушек подается из бункера 7 по трубам. Животные 8 заходят в автокормушки в случайной последовательности. Здесь происходят их распознавание и выдача заданных порций корма. По программе порции разделяют на три и более частей, которые выдают в заданные интервалы времени суток. С пульта 3 управления задают нормы выдачи корма каждому животному и управляют работой системы. По сигнальным лампам на пульте судят о том в какой кормушке идут распознавание номеров и выдача порции корма. На цифропечать по запросу оператора выводят информацию: номер животного, количество корма, подлежащего скармливанию, количество действительно съеденного корма каждым животным, номер датчика ошейника и отметка А, указывающая на номера животных, которые не съели запрограммированную порцию корма.

Подготовка молочной фермы к автоматизации. Автоматизация молочных ферм требует осуществления целого ряда изменений в технологии, машинах и оборудовании. На рис. 58 показан примерный план автоматизированной молочной фермы на 200-216 коров беспривязного содержания с размещением технологического оборудования. На ферме четыре секции для кормления и отдыха животных. В каждой секции содержится 50-54 коровы. В доильном зале размещены две доильные установки типа «тандем» УДА-8А производительностью 50- 60 коров в час. При такой производительности доение осуществляется за 1,5-2 ч. При 2-кратном доении и удоях более 4000 кг на корову в год такая продолжительность доения является оправданной. При автоматизации сбора на доильной установке индивидуальной информации о животных, применении манипуляторов, наличии систем идентификации и контроля состояния животных на доильной установке животные задерживаются в доильных станках более продолжительное время, чем на доильных установках, не оснащенных этими системами. Поэтому доение может длиться 2- 2,5 ч и более. Однако при этом осуществляются 100%-ное выдаивание всех коров, ежедневный контроль заболеваний животных маститом, контроль и ведение по заданной программе индивидуальных запусков животных, более полный контроль за «охотой» животных и повышение за счет этого процента выхода телят.

Применение автоматизированной технологии индивидуального кормления коров концентратами требует размещения автоматических кормушек в секциях для животных, в предусмотренном варианте кормушки устанавливают в боксах для отдыха животных и занимают 8 боксов (реже 12). Поэтому число боксов должно быть увеличено на 8-12 шт. и дополнительно применяться система , загрузки кормушек комбикормом. Для этого установлен специальный бункер 21 с кормом, который через тросовый транспортер 5 загружает комбикормом бункера над кормушками.

По-особому осуществляется планировка доильных залов. С преддоильных площадок 6 животные с разных сторон входят на доильные установки, а выходят в проход, разделенный на два скотопрогона. На выходе из доильного зала размещают автоматические разделители потока животных 14, которые направляют по номерам нужных животных для зооветобслуживания в боксы 13.

Предусматриваются специальные площадки с боксами 13 для зооветобслуживания коров. Площадка и: боксы оснащаются приборами для диагностики и зооветобслуживания скота.

На автоматизированной ферме осуществляются; следующие технологические операции.

Доение осуществляет звено обслуживающего персонала, за каждой доильной установкой закреплено 100 коров. Из первой и четвертой секций животные поступают на преддоильные площадки 6. Восемь животных сразу заходят на доение. В каждом станке распознается номер коровы, запрашивается информация из микроконтроллера о нем и на блоке управления доением, расположенном в станке, высвечивается информация: не доить, мастит, антибиотики и др. По ней оператор решает, как поступить с животным. Если отклоняющих сигналов нет, то оператор подводит манипулятор, одевает доильные стаканы и ставит датчик: манипулятора на режим доения. По окончании доения и интенсивности молокоотдачи 400 г/мин манипулятор переходит в режим додаивания, а при интенсивности: 200 г/мин отключаются доильные стаканы и выводятся из-под коровы. При этом сведения об индивидуальном удое поступают в микроконтроллер доильной установки, сравниваются с ожидаемым удоем и, если текущий: удой меньше ожидаемого более чем на 10%, высвечивается сигнал «недодой». Операция доения в этом случае повторяется. По мере выдаивания коров их выпускают индивидуально из доильных станков.

Разделение потока животных на автоматическом расколе. После выдаивания коровы по скотопрогону подходят к расколу 14. Здесь распознаются номера животных, и те из них, которые должны быть выделены из потока, направляются в секции для зооветобслуживания. При этом зоотехникам и ветеринарным работникам выдается с ЭВМ документ, указывающий, по какому признаку выделено животное и какую операцию обслуживания с ним рекомендуется проводить. Индивидуальная раздача концентрированных кормов. В /-IV секциях для животных устанавливаются по две кормушки. Животные в случайной последовательности заходят в них. Здесь распознается номер и, если животному в данный интервал времени положено выдать корм, выдается одна порция. Через интервал времени, равный времени поедания порции корма, снова распознается номер и снова определяется, положено ли данному животному выдавать корм в данный интервал времени. Если да, то выдается новая порция. Когда животное получило весь корм, выдача прекращается и к кормушке подходят новые коровы.

В конце суток ЭВМ выдает сведения, какие животные поели весь корм и какие не съели. Эти данные печатаются на бумажном документе.

ЭВМ, управляющая технологическим процессом, располагается в комнате 10. Ее обслуживает специалист по электронике. На ферме информацию собирает учетчик. Вводит информацию бригадир фермы. Он же отвечает за достоверность получаемой информации.

Автоматизированная система управления молочной фермой на микро-ЭВМ. Для молочных ферм разработан программный модуль, входящий в автоматизированную информационную систему оперативного зоотехнического учета на микро-ЭВМ «Электроника-60». Научная и практическая цель разработки состоит в. том, чтобы создать фонд достоверной зоотехнической информации, своевременно планировать и перегруппировывать стадо по продуктивности и физиологическим стадиям лактации, автоматизировать часто повторяемые расчетные операции по ведению календаря каждого животного. В микро-ЭВМ вводятся данные: номер животного; месяц и год рождения; номер лактации; номер секции (группы), где оно находится; дата перевода из группы в группу; даты последних пяти отелов; даты осеменений; даты ректальных исследований; результаты ректальных исследований; ежемесячные удои; удои за лактации, жирность молока по месяцам; даты запусков; даты заболевания и излечения мастита; ежемесячная масса и средняя масса по годам.

На основе этих данных и входной текущей информации формируются планы отелов, осеменений, ректальных исследований, перегруппировки и т. д. Ведет работу на микро-ЭВМ зоотехник-селекционер. Это облегчает его труд, делает его более точным, современным и привлекательным, позволяет давать точную оценку состояния зоотехнической работы.

Экономический эффект выражается в приросте продуктивности стада на 5-7% при тех же хозяйственных условиях.