CC BY
123
УДК 631.22.012
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО ДОЕНИЯ
Ю.А. Цой, член-корреспондент РАН Р.А. Баишева, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрены тенденции развития роботизированного доения по результатам международной выставки, которая прошла в Ганновере в 2018 году. Рассмотрена оригинальная конструкция манипулятора (Dairy Pro Q) доильного робота "Монобокс" компании GEA, в которой оптимизирована логистика и трансфер доильных стаканов при их надевании и исключается их случайное падение на пол. Большой интерес для мониторинга здоровья животного представляет новая разработка компании GEA - датчик для непрерывного контроля количества соматических клеток в каждой четверти вымени GEA Dairy Milk M6850. Для оценки эффективности роботизации наиболее приемлемым показателем является количество коров, выдоенных за час, в расчете на одно доильное место. Представлена схема доильного зала компании Lemmer Fullwood с эффективным использованием доильных роботов Merlin; по мнению руководителя производства B. Thiel, после нескольких дней привыкания животных пропускная способность достигла 80-90 голов в час. Сравнительный анализ доильной роботизированной кольцевой системы Lemmer Fullwood и роботизированной «карусели» на 24 станка, укомплектованной доильными роботами в каждом станке, показал, что при одинаковых функциональных возможностях и стоимости доильных роботов в сравниваемых вариантах первый вариант окажется в стоимостном выражении существенно дешевле второго. Если же учитывать, что по имеющимся данным 88% всех ферм приходится на фермы с поголовьем 400 и менее голов, то вариант роботизированного доения, предположенный Lemmer Fullwood, представляет большой интерес для животноводства России.
Ключевые слова: доильный робот, монобокс, доильная установка «веер», роботизированная конвейерная установка, преддоильная площадка.
Почти тридцать лет назад в мире появился первый доильный робот. Сегодня их количество превысило 40 тысяч. В странах ЕС доля заказов доильных роботов составляет 50% в общем объеме заказов доильных установок. Общий объем рынка доильных роботов составляет, по данным экспертных оценок, свыше 1,9 млрд евро [1].
В странах ЕС, по данным ряда европейских организаций [2], 126 тыс. предприятий имеет поголовье от 50 до 200 голов и 2 млн -менее 50 голов. Все они потенциальные потребители доильных роботов. В Северной Америке в 2017 году было продано в общей сложности 870 доильных роботов, в т. ч. роботизированных «каруселей». По данным Метт Дейли, вице-президента по продажам оборудования компании GEA в Северной Америке, ожидается, что к 2025 году порядка 40-50% коров в США будут доиться на роботах. По состоянию на 2017 год в США на доильных роботах доилось лишь 2%. В
России к 2025 году, по словам Иенса Айхле-ра - вице-президента по продажам оборудования GEA, доля роботизированных установок составит примерно 30% [1]. На наш взгляд, это чрезвычайно оптимистичный прогноз, если учесть, что сегодня количество работающих в России доильных роботов оценивается примерно в 500 штук, и доля роботизированного доения соответственно составляет менее 1%. К тому же для реализации прогноза Иенса Айхлера при нагрузке на один доильный робот 60 голов и существующих ценах потребуется огромная сумма, примерно 27 млрд руб. в год, что нереально.
Широкий опыт применения доильных роботов выявил их следующие бесспорные достоинства [4, 5]:
- высокое качество получаемого молока;
- средняя частота доения на уровне 2,7 раз;
- повышение продуктивности животных и снижение количества заболеваний маститом;
- возможность контроля за животными;
- снижение на 2/3 затрат труда на доение по сравнению с использованием традиционных доильных установок "Елочка" [10].
Вместе с тем выявился и ряд недостатков:
- высокая стоимость доильных роботов. Вместе с дополнительными устройствами для селекционного отбора и кормления животных стоимость одноместных доильных роботов составляет 120-170 тыс. евро;
- реальное количество животных, обслуживаемых одним одноместным доильным роботом, составляет 50-60 коров;
- до 10% животных даже после периода приучения не подходят добровольно к доильному роботу и требуют принудительного подгона или выбраковки, включая, если есть возможность, перевод в группы с нероботи-зированным доением [1];
- продолжительность выполнения подготовительных операций доильным роботом по поиску и надеванию доильных стаканов существенно превышает затраты времени при их ручном выполнении оператором [3].
По данным специалистов Daitymaster, доильный робот тратит порядка 2 минут на выполнение преддоильных операций. Кроме того, затрачивается время на выход и вход животного. Профессиональному дояру, по данным специалистов Daitymastera, на выполнение такой работы требуется 20-30 с. Именно над этими вопросами, по сообщениям печати, специалисты Daitymastera работают в консорциуме с компаниями Europe Dairy Sуstem (Голландия) и Bolton Electronics (UK) с привлечением научных институтов Tra (Ирландия) , Fraunhofer (Германия), IRIS (Испания) [2].
Почти одновременно с однобоксовыми ряд фирм представили на рынок двухбоксо-вые доильные роботы с одним манипулятором. Для сокращения продолжительности выполнения подготовительных операций доения в конструкции манипуляторов вместо сканирующих лазерных систем поиска сосков в последние годы фирмы начали использовать современные системы технического зрения и усовершенствованную в связи с их повышенными функциональными возможно-
стями систему трансфера и надевания доильных стаканов на соски. Наиболее показательным в этом смысле является оригинальная конструкция манипулятора (Dairy Pro Q) доильного робота "Монобокс" компании GEA. Доильные стаканы соединены с манипулятором управляемыми, легко трансформируемыми соединениями, выполненными по типу гибкого штыря Куликова (рис. 1).
Рис. 1. Доильный робот "Монобокс" компании GEA
Два гибких тросика с нанизанными на них пластиковыми звеньями прикреплены к каждому доильному стакану. При подводе доильных стаканов к вымени животного тросики натянуты, и они жестко зафиксированы относительно манипулятора. В положении, когда доильные стаканы займут положение строго под выменем коровы, система управления расслабляет тросики, и происходит поочередное надевание доильных стаканов. Манипулятор при этом в определенных пределах может манипулировать положением ненадетых доильных стаканов относительно надетого на сосок и тем самым осуществлять их точный подвод под сосок и надевание. Такая конструкция оптимизирует логистику и трансфер доильных стаканов при их надевании и исключает их случайное падение на пол. Манипулятор снабжен ToF-камерой, которая обеспечивает заново съемку и сохранение координат сосков после каждого доения. Похожая схема трансфера доильных стаканов для их надевания на соски вымени использована в доильных роботах "Merlin" компании Fullwood, Austronaut 4 компании Lely.
В целях создания комфортных условий при доении в манипуляторах доильных роботов "Monoboks", "Merlin" используют бесшумный электрический привод.
У ряда компаний (De Laval, SAC, Bou Ma-tik и др.) в доильных роботах манипулятор осуществляет индивидуальный трансфер каждого доильного стакана из кассеты к соску (рис. 2).
Рис. 2. Доильный робот
Для такой схемы характерны дополнительные затраты времени на трансфер каждого доильного стакана, т.е. увеличенные затраты времени на "холостой ход" и, соответственно, меньшая производительность. Так, по данным компаний, приводимым в технических характеристиках, доильный робот "Monobox" может обслуживать практически 70 коров. Однобоксовый вариант доильного робота "SAC" - 40-60 коров, трехбоксовый доильный робот "MlOne" с одним манипулятором - 90-120 коров. Дальнейшим развитием функциональных возможностей "Mono-box" является система GEA DairyRobot R9500, позволяющая подключить к одной системе инженерного обеспечения еще два доильных роботизированных бокса, что даст возможность существенно снизить затраты.
Большой интерес для мониторинга здоровья животного представляет новая разработка компании GEA - датчик для непрерывного контроля количества соматических клеток в каждой четверти вымени GEA Dairy Milk M6850. По сообщению компании, "измерение производится с использованием надеж-
ного физического и запатентованного метода измерения (принцип ЕРТ - порог диэлектрической проницаемости)". Датчик не нуждается в частом обслуживании и ремонте, надежен и не требует каких-либо расходных материалов. По заключению экспертов, область экономически оправданного, эффективного применения существующих доильных роботов - фермы с поголовьем до 250 коров [6]. В одном из хозяйств Татарстана был построен и запущен молочный комплекс на 1200 коров с 20 одноместными доильными роботами VSM компании De Laval. Однако после менее чем трехлетней эксплуатации хозяйство, по сообщению руководителя, из-за больших затрат на обслуживание отказалось от доильных роботов и перешло к эксплуатации двух установок "Елочка".
Учитывая тенденцию к созданию крупных молочных ферм, многие компании, производящие доильные роботы, начали проявлять интерес к созданию роботизированных конвейерных кольцевых доильных установок. В 2010 г. на выставке в Ганновере компания De Laval представила первую в мире роботизированную конвейерную установку AMR на 24 станка. Для выполнения подготовительно-заключительных операций внутри круга были установлены 5 роботов-манипуляторов. При выполнении операций конвейер останавливался. Другим направлением роботизации доильного конвейера была роботизированная установка GEA, где в каждом доильном месте устанавливался автономный доильный робот.
Доильная установка - это, прежде всего, объект, организующий логистику движений и эргономику взаимодействия оператора и коровы. Собственно, само доение коров осуществляется доильным аппаратом. Роботизация доильной установки предусматривает частичную или полную автоматизацию каждого доильного места. В этой связи наиболее приемлемым показателем для оценки эффективности роботизации является количество коров, выдоенных за час, в расчете на одно доильное место. Сравнительная оценка доильных установок различных типов по этому показателю показывает следующее:
- установки с индивидуальными станками, к которым, кстати, относятся доильные роботы - 7-8 коров в час;
- установки с неподвижными групповыми доильными станками типа «Елочка» - 4,35,0; типа «Параллель» - 3,8-4,3 коров в час.
Для конвейерных кольцевых доильных установок, получивших в СССР название «Карусель», этот показатель равен 3,8-4,1 коров в час. Первая «Карусель» на 50 мест была сделана в США в 1929 г. Первая «Карусель» в нашей стране была построена и запущена в 1959 г. И.И. Тесленко. В те же годы им была запатентована «Карусель» с расположением доильных станков уступом по типу «Елочка». В те же годы в СССР впервые в мировой практике была поставлена на серийное производство конвейерная установка КДУЕ-16 «Омичка».
В 70-80 годы были построены конвейерные доильные установки на 38-50 мест. Был накоплен большой опыт по созданию и эксплуатации доильных «каруселей». В некоторых западных странах роторные доильные установки до сих пор называют «каруселями» в латинской транскрипции. В целом, эти установки неплохо себя показали. Однако в СССР широкое их использование разделило печальную судьбу крупномасштабного внедрения беспривязного содержания. Причины этого носили субъективный характер (недо-
статки в организации полнорационного сбалансированного кормления, «человеческий» фактор) [7].
Опыт показал, что на работу конвейера существенное влияние оказывает большой разброс в стаде коров по продолжительности выдаивания. По этой причине продолжительность простоев конвейера достигает 20-30% от общей продолжительности работы. Влияние неподобранности стада на продолжительность цикла и, соответственно, производительность доильной установки с групповыми станками носит принципиальный характер, связанный с самой схемой установки, и не зависит от ее конструкции. Так, по результатам госиспытаний «карусели» М 49140 фирмы «Импульс» в 70-е годы фактическая производительность составила 160 коров в час при паспортной 200 коров в час, т.е. 4,0 коровы в час в расчете на 1 место. Наши наблюдения за «каруселью» на 36 мест в 2018 г. показали близкие результаты - 3,8 коровы в час на один станок. Аналогичные данные приводит проф. Эбендорф [8].
На выставке в Ганновере-2018 новый продукт Milking 4,0 по эффективному использованию доильных роботов представлен компанией Lemmer Fullwood [9]. Схема предлагаемого доильного зала показана на рис. 3. Полукругом расположены 12 спаренных доильных роботов Merlin.
Рис. 3. Схема доильного зала компании Lemmer Fullwood со спаренными доильными роботами
В центре круга расположена преддоиль-ная площадка с радиально расположенным автоматическим подгонщиком. После окончания выдаивания коровы выходят на кольцевой скотопрогон и далее возвращаются в коровник. Доильный зал смонтирован на ферме 470 коров со средней продуктивностью 9 300 кг в бранденбургском Бленсдорфе.
Особенность реализуемой здесь системы Batch Milking Systems: двенадцать доильных роботов Merlin работают полностью автономно. По мнению руководителя производства B. Thiel, после нескольких дней привыкания пропускная способность достигла около 80-90 животных в час. Рассматриваемая установка относится к доильным установкам с индивидуальными параллельно-проходными станками. Для сравнения отметим, что аналогичную производительность (90 коров в час) имеет роботизированная «карусель» AMR фирмы De Laval, впервые показанная в Ганновере в 2010 году. Стоимость такой доильной «карусели», укомплектованной пятью роботами, стоит, по сообщениям печати, 1 млн евро, а «карусель», где каждое место укомплектовано доильными роботами Dairy Pro Q GEAfarm Technology - 1,5 млн евро.
Кстати отметим, что рассматриваемая схема доильного зала Lemmer Fullwood впервые была предложена и реализована в 1961 году в нашей стране в Джанашарском совхозе Алма-Атинской области инженерами Н. Ратушем и А. Выдриным под названием «Веер» [10]. Животные из коровника через входные ворота попадают на преддоильную площадку в центре круглого зала. По периметру преддоильной площадки расположены уступами 12 индивидуальных станков с кормушками. После выдаивания коровы выходят на кольцевой скотопрогон, связанный с коровником. Пропускная способность установки, по данным авторов, составляет 80-100 коров в час, что соответствует 6,7-8,3 коров в час в расчете на 1 доильный станок. На конвейерных кольцевых доильных установках этот показатель составляет, в среднем, 4 коровы в час на 1 доильное место, т. е. почти в 2 раза меньше, чем в рассмотренной установке Lemmer Fullwood.
Рис. 4. Схема доильной установки типа «Веер»:
I - доильный зал; II - молочное отделение;
III - коридор; IV - цех концентрированных кормов; V - машинное отделение; 1 - доильный станок; 2 - кормушка; 3 - кормораздатчик; 4 - стрела кормораздатчика; 5 -колонна; 6 - подвижная платформа; 7 - ванна; 8 - входные дверки; 9 - выходная дверь; 10 - полукольцевой проход; 11 - нория;
12 - бункер; 13 - вакуумный насос;
14 - электродвигатель; 15 - разделители; 16 - бак-смеситель; 17 - электроводонагреватель;
18 - молокосборник; 19 - дозатор кормораздатчика;
20 - кабина доярки; 21 - электродвигатель привода; 22 - редуктор; 23 - бункер кормораздатчика
Соответственно, эффективность инвестиций в доильный робот будет существенно выше. Применительно к размеру фермы 470 коров рассмотрим два альтернативных варианта роботизированного доения с пропускной способностью 90 коров/ч: вариант - система Lemmer Fullwood; и вариант - роботизированная «карусель» на 24 станка, укомплектованная доильными роботами в каждом станке. При одинаковых функциональных
возможностях и стоимости доильных роботов в сравниваемых вариантах первый вариант окажется в стоимостном выражении существенно дешевле второго. По имеющимся данным, 88% от числа всех ферм составляют фермы с поголовьем 400 и менее голов, на них приходится 45% всего валового производства молока. Поэтому вариант роботизированного доения, предположенный Lemmer Fullwood, представляет большой интерес для животноводства России.
Литература:
1. Обзор технологий роботизированного доения коров. URL: https://ciab.expert/ua/articles
2. Доильные роботы от маленькой фермы до большого комплекса / В. Тимошенко // Белорусское сельское хозяйство. 2015. № 8(160).
3. Роботизированное доение - технология будущего. URL: http://vitagrimilk.ru
4. Роботизированные системы в сельскохозяйственном производстве / Н.П. Мишуров. М., 2009.
5. Текучев И.К., Иванов Ю.А., Кормановский Л.П. Проблемы реализации технологических новаций в животноводстве // АПК: Экономика, управление. 2017. № 5. С. 21-29.
6. Cell count sensor Dairy Milk M6850. URL: https:// www.gea.com/ru/binaries/DairyMilk%20M6850_EN_tcm 27-49694.pdf
7. Цой Ю.А., Баишева Р. А. Ретроспективный анализ и сравнительная оценка беспривязного и привязного со-
держания коров. Мифы и реалии // Вестник ВНИ-ИМЖ. 2018. № 3(31).
8. Эбендорф В. Семь раз отмерь, потом построй // Новое сельское хозяйство. 2004. № 4. С. 60-64.
9. Bernd Thieles Betrieb. Batch Milking 4.0 - Mehr als Nur Ein Melksystem // Milch Profi. 2018. A. 2. P. 2-4.
10. Новая доильная установка «Веер». КазССР, 1962.
Literatura:
1. Obzor tekhnologij robotizirovannogo doeniya korov. URL: https://ciab.expert/ua/articles
2. Doil'nye roboty ot malen'koj fermy do bol'shogo kom-pleksa / V Timoshenko // Belorusskoe sel'skoe hozyajst-vo. 2015. № 8(160).
3. Robotizirovannoe doenie - tekhnologiya budushchego. URL: http://vitagrimilk.ru
4. Robotizirovannye sistemy v sel'skohozyajstvennom proizvodstve / N.P. Mishurov. M., 2009.
5. Tekuchev I.K., Ivanov YU.A., Kormanovskij L.P. Pro-blemy realizacii tekhnologicheskih novacij v zhivotno-vodstve // APK: Ekonomika, upravlenie. 2017. № 5. S. 21-29.
6. Cell count sensor Dairy Milk M6850. URL: https:// www.gea.com/ru/binaries/DairyMilk%20M6850_EN_tcm 27-49694.pdf
7. Coj YU.A., Baisheva R.A. Retrospektivnyj analiz i sra-vnitel'naya ocenka besprivyaznogo i privyaznogo soder-zhaniya korov. Mify i realii // Vestnik VNIIMZH. 2018. № 3(31).
8. Ebendorf V. Sem' raz otmer', potom postroj // Novoe sel'skoe hozyajstvo. 2004. № 4. S. 60-64.
9. Bernd Thieles Betrieb. Batch Milking 4.0 - Mehr als Nur Ein Melksystem // Milch Profi. 2018. A. 2. P. 2-4.
10. Novaya doil'naya ustanovka «Veer». KazSSR, 1962.
TRENDS OF ROBOTIC MILKING DEVELOPMENT Y.A. Tsoi, RAS correspondent-member R.A. Baisheva, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. The robotic milking developing tendencies based on the of Hanover international exhibition, 2018, results are considered. The milking robot "Monobox" GEA's manipulator (Dairy Pro Q) original design is considered where the teat cups' logistics and transfer is optimized and its accidental drop on the floor is prevented. The animal health continuous monitoring great interest is in a new GEA-sensor for the number of somatic cells in udder each quarter -M6850 GEA Dairy Milk developing. To assess this robotics effectiveness, the most acceptable indicator is the number of cows milked per hour at milking place. The Lemmer Fullwood milking parlor with Merlin milking robots' effective using scheme is presented; according to B. Thiel who is its producing manager, after several days of animals ' habituation the robot's throughput 80-90 heads per hour was reached. Lemmer Full-wood and robotic «Carousel» on 24 machine-cups' of milking robot ring system, equipped with milking robots, comparative analysis of each machine had showed that at milking robots' the same functional capabilities and cost in the compared options, the first option in terms of value it will be much cheaper then the second one. If we take into account that according to available data 88% of all farms are included livestock farms with 400 or lesser heads, the robotic milking option, suggested by Lemmer Fullwood, has the great interest for Russian livestock.
Keywords: milking robot, monobox, "veer" milking machine, robotic conveyor system, pre-milking platform.
