Роботизированные технологии доения от Lely и Festo: из фантастики в реальность повседневной практики

Опубликовано в номере:
PDF версия
В не столь давние времена в нашей «самой передовой стране в мире с самым передовым колхозным строем», во что мы свято верили, имел место простой принцип: для того что коровы использовали меньше корма и давали больше молока, их нужно меньше кормить и больше доить. Вот только статистика это не подтверждала. Да и коровки из подсобного личного хозяйства, пасшиеся на лугу и евшие «от пуза» летом травку, а зимой душистое сено, почему-то давали молока больше и лучшего качества. Может, дело в отношении к нашей Буренке или Зорьке? Кроме того, труду в коровниках и на молочных фермах не позавидовали бы даже рабы на плантациях. Для того чтобы сделать жизнь фермеров и буренок максимально легкой, а фермы продуктивными — необходима автоматизация всех рабочих этапов, выполняемых в коровнике, от процесса кормления, доения и до уборки самого помещения.

Автоматизация помогает избежать тяжелой, монотонной работы и увеличивает производительность труда не только в индустриальной области, но и в молочном животноводстве, что позволяет удовлетворить все более растущий спрос на молочные продукты. Первыми здесь были доильные аппараты, но уже к 1990-м наметился переход на новую ступень, и в 1992–1994 годах начался выпуск коммерчески доступных роботов для доения.

Даже несмотря на довольно высокую начальную цену, их внедрение в мире шло достаточно быстрыми темпами. Общие мировые тенденции внедрения показаны на рис. 1. По состоянию на 2012–2013 годы, в Германии свыше 50% проданных доильных установок — это роботы, в Дании и Швеции эта доля составляет около 60%, в Финляндии — 80%. Несколько отставали США: к началу 2018-го доильными роботами было оснащено не менее 5% молочных ферм, но уже в течение года число роботизированных ферм превысило 20%, а в период 2016–2019 годов суммарные продажи доильных роботов достигли 28300 штук. И эта тенденция только нарастает, по прогнозам аналитиков, рынок систем роботизации молочных ферм в 2023 году достигнет $8 млрд (здесь и далее статистические данные по использованию робототехники применительно к молочному животноводству приведены с сайта [1]).

Мировой рост использования доильных роботов

Рис. 1. Мировой рост использования доильных роботов

Что касается Российской Федерации, то первые робототехнические доильные аппараты начали использовать только в 2007 году, это был робот-дояр VMS DeLaval (Вологодская область, племзавод «Родина»). На конец 2016 года [1] в России действовало порядка 500 роботизированных доильных систем примерно на 100 молочных фермах. И ситуация быстро меняется. Перечень российских роботизированных молочных ферм по состоянию на 2018 год уже насчитывает 113 позиций. Но зададим себе вопрос: это много или мало? Здесь как в старом одесском анекдоте: три волоса в тарелке супа это много, а вот на голове – мало. Так что, хотя рост виден, по сравнению с мировой тенденцией и объемами российского рынка это капля в море. Пока это скорее намерения и мечты о том, что когда-то будет, чему есть и объективные (нужны капиталовложения), и субъективные (постсоветское мышление) причины.

Чтобы эта капля превратилась если не в само море, то хотя бы в озеро, нужно преодолеть старое, советское мышление и отношение как к труду животновода, так и к самим животным, которое еще имеет место. За примерами далеко ходить не придется: в Интернете масса жутких фото с молочных ферм. Время, когда было «все вокруг колхозное, все вокруг – мое», а по факту – ничье, с соответствующим к нему отношением, должно закончиться. Фермерских коровок нужно так же любить и лелеять, как свою родную Буренку, если не больше, а фермерский труд сделать более привлекательным, избавить от, казалось бы, неизбежно сопутствующей ему каторжности. Если этого не сделать, отрасль в стране придет к краху.

С другой стороны, в современном сельском хозяйстве сегодня складывается ситуация, когда не так много желающих, как говорится, «крутить коровам хвосты». Фермеров нового поколения становится все меньше, миллениалы не готовы принять на себя тяжелую работу, связанную с прежними реалиями сельского хозяйства, не говоря уже о молочном животноводстве с навозом по колено и тяжелым физическим трудом. Не готовы толкать тачку с кормом ночью и кидать его вилами в кормушки, а в пять утра уже идти на утреннюю дойку, потом дневную и вечернюю – нужно помыть вымя, вытереть, подключить аппарат (не только летом, но и зимой), снять, продезинфицировать или в случае, например, технических сбоев, поработать руками. Коровы ждать не будут, и их не две-три. Те, кто слышал мычание недоенной коровы, его не забудут.

Пока, и об этом совсем не стесняются говорить владельцы больших молочных хозяйств, проще нанять гастарбайтеров, которые будут за скромную плату работать днем и ночью. Однако такая зависимость от трудовых мигрантов чревата последствиями не только в социальном и демографическом планах, но и, как ни странно, в экономическом. Мигранты не только забирают пусть и непривлекательные, но рабочие места: их заработок по максимуму уходит в их страны, деньги тратятся там, а с них – налоги, акцизы и поддержка чужой экономики. Кроме того, они сдерживают техническое и технологическое развитие: зачем развивать автоматизацию, когда есть дешевая рабочая сила? Вот только уход мигрантов по тем или иным причинам (упала привлекательность трудового рынка из-за уровня оплаты, падения курса рубля, открылись новые перспективы в других странах, политические конфликты между странами) может вызвать коллапс: Российская Федерация для них не родная, а часто, что греха таить, еще и унижающая их страна.

Проблемы имеются не только с персоналом ферм, но и с достижением высокой производительности. Согласно данным Росстата (рис. 2), рост производительности на одну корову вроде весьма внушителен — 40%, однако простой расчет показывает, что надой на одну корову всего составляет 15,6 л. Таким образом, мы видим, что путь один — современная автоматизация на уровне роботизации, поскольку старые доильные системы достигли своих пределов по производительности.

Рост надоев молока на одну корову (по данным Росстата)

Рис. 2. Рост надоев молока на одну корову (по данным Росстата)

Автоматизация, приняв на себя рутинные круглосуточные операции (например, уход за животными, кормежку, дойку и уборку), позволяет оптимизировать работу персонала и создать более приемлемые, современные и привлекательные условия труда, а также обеспечивает максимальную свободу и комфортную, хотя бы на их продуктивном этапе, жизнь для животных. А фермеру дает время и возможность сосредоточиться на решении глобальных задач – удовлетворении растущего спроса на молочные продукты и получении прибыли. Дефицит в молочном производстве – это не пустые слова. В 2018 году дефицит сырого молока в Российской Федерации, по данным Союзмолока, составил 15%, а при производстве товарного молока дефицит, по оценкам, доходил и до 20%.

Уже на пятом году действия продовольственного эмбарго импорт молочных продуктов достиг максимальных значений. Иностранная продукция, причем не из близкого ЕС или соседних государств, а из куда более дальних стран, в том числе из Новой Зеландии и Латинской Америки, даже несмотря на логистику и пошлины, остается дешевле российской, а Беларусь, у которой себестоимость продукции тоже ниже из-за постоянных «молочных войн» с Россией, переключилась на другие рынки [2]. Тем не менее рост импорта есть, и причина его, по мнению Союзмолока, в слабой позиции российских производителей готовых молочных продуктов по цене и качеству, в этом им сложно конкурировать с импортерами. В результате страдает и потребитель. Из-за высокой цены сырого молока и недостаточно эффективной переработки себестоимость готовой продукции увеличивается, и в итоге «даже при конкурентных ценах на сырье готовая продукция российского производства в отдельных случаях оказывается дороже импортной», говорится в отчете Союзмолока [3] (честно говоря, во всех случаях, кроме питьевого молока).

Избежать тяжелой и монотонной работы, при этом увеличить производительность товарного молока — именно такую задачу поставила для себя компания Lely, международный активный производитель и поставщик высокотехнологичных, инновационных продуктов для сельскохозяйственного бизнеса. Она единственная компания в мире, которая специализируется именно на робототехническом оборудовании и поставляет сельскохозяйственному сектору полный спектр продуктов и услуг, начиная от уборки кормов и заканчивая автоматизированными системами кормления, уборщиками коровников и доильными роботами [5]. Компания Lely также работает над бизнес-концепциями для обеспечения энергетически нейтральных операций в молочном секторе. На протяжении многих лет компания остается лидером на рынке продаж и обслуживания автоматизированных доильных систем. Доля роботизированного оборудования Lely на мировом рынке достигает 50–60% в количественном выражении.

Одна главных причин успеха компании Lely — стратегический выбор партнеров. Вот уже почти 20 лет Lely сотрудничает с компанией Festo — лидером в сфере автоматизации производства в области пневматики, электроавтоматизации и управления процессами. Многолетнее сотрудничество Festo и Lely очень ярко иллюстрирует, как стандартная форма работы «поставщик/покупатель» переросла в синергию знаний и компетенций при разработке новых продуктов в области сельскохозяйственных технологий со стороны Lely и в области пневматики, электропривода и автоматизации со стороны Festo. Сейчас Festo все больше вовлекается в процесс разработки Astronaut Milking Robot. Гибридная робототехническая рука — это плод сотрудничества Festo и Lely.

Компании объединяет многое, и главное, как отмечает Мартейн Боленс (Martijn Boelens), вице-президент по решениям для клиентов в компании Lely в том, что «как и компания Lely, компания Festo является международной семейной компанией, ориентированной на долгосрочную ответственность, а не на краткосрочную прибыль. Когда дело доходит до разработки продукта, у нас аналогичный подход». Что касается животноводства, то компания Festo является лидером мирового рынка в части автоматизации молочных ферм.

Как уже было сказано, автоматизация позволяет устанавливать круглосуточные операции, позволяет фермеру сосредоточиться на реальных изменениях и обеспечивает максимальную свободу для животных. Доильный робот компании Lely, Astronaut A5 («Астронавт А5») (рис. 3) [7], выпущенный на рынок в апреле 2018 года, был специально разработан с учетом этих целей.

Новый доильный робот компании Lely Astronaut A5 — совместный продукт компаний Festo и Lely, разработанный в рамках проекта Astronaut Milking Robot

Рис. 3. Новый доильный робот компании Lely Astronaut A5 — совместный продукт компаний Festo и Lely, разработанный в рамках проекта Astronaut Milking Robot

Модель Astronaut A5 — результат постоянного развития более ранних моделей A3 и A4. Именно разные поколения доильных роботов показывают путь Festo — от поставщика компонентов до стратегического делового партнера компании Lely. Примером взаимовыгодной кооперации компаний Lely и Festo является участие последней в проекте Astronaut Milking Robot. Итогом совместной, гибкой командной работы над этим проектом стало создание гибридной руки доильного робота (рис. 4). Начиная с первой поставки сервопневматических компонентов для Astronaut A3, компании Lely и Festo продолжили сотрудничество и разработали современное решение для манипулятора доильного робота Astronaut A5 с электрическими приводами и программным обеспечением от Festo.

Гибридная рука доильного робота компании Lely Astronaut A5 — совместная разработка компаний Festo и Lely

Рис. 4. Гибридная рука доильного робота компании Lely Astronaut A5 — совместная разработка компаний Festo и Lely

Но вернемся к самому процессу доения: когда корова входит в доильную стойку, она идентифицируется и программное обеспечение для управления решает, готова ли корова к дойке. Если это так, начинается процесс доения. Каждая корова имеет небольшой чип, на котором сохраняются такие данные, как размер, вес, рекомендуемое количество корма и время последнего доения. Здесь должен быть учтен тот факт, что коровник для любого оборудования является чрезвычайно неблагоприятной, агрессивной средой. Кроме того, о чем нельзя также забывать, коровы время от времени бьют по доильному роботу.

Электрические цилиндры ESBF компании Festo

Рис. 5. Электрические цилиндры ESBF компании Festo

Гибридный рычаг в Astronaut A5 приводится в движение двумя электрическими цилиндрами ESBF (рис. 5) от Festo и специальной горизонтальной осью с зубчатым ремнем. Благодаря особой конструкции с гладкими поверхностями ESBF легко очищается, что делает его менее подверженным загрязнению. Приводы активируются двигателями EMCA с интегрированным контроллером (рис. 6).

Двигатели с интегрированным контроллером EMCA компании Festo

Рис. 6. Двигатели с интегрированным контроллером EMCA компании Festo

Комплексное решение EMCA для позиционирования электромеханических приводов и управления сменой формата состоит из не требующего обслуживания и не имеющего износа бесколлекторного двигателя, а также контроллера двигателя, включая силовую электронику. Это позволяет избежать применения длинных кабелей для подключения двигателя и системы управления, улучшает электромагнитную совместимость, снижает трудозатраты на монтаж и экономно использует доступное пространство. Технологическими клапанами процесса доения управляет пневмоостров VTUB-12 (рис. 7).

Пневмоостров VTUB-12 компании Festo

Рис. 7. Пневмоостров VTUB-12 компании Festo

По сравнению с сервопневматическими и гибридными предшественниками, такими как Astronaut A3 и A4, роботизированный манипулятор с электроприводом имеет явные преимущества: его движение более плавное и, соответственно, меньше пугает животное, он также более энергоэффективен и быстр, поскольку для его размещения на соски коровы требуется на 30% меньше времени. Период установки также сокращается благодаря удобным электрическим разъемами быстрым пневматическим соединителям. При этом затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, а значит, и общая стоимость владения оказываются ниже.

Естественно, такое мехатронное решение, созданное компаниями Lely и Festo, не работает без программного обеспечения. Здесь сотрудничество компаний также принесло свои плоды. Для программного обеспечения было использовано ноу-хау компании Festo, а компания Lely смогла сконцентрироваться на ее основных задачах и применить свои знания для разработки общей системы в рамках проекта Astronaut Milking Robot.

В результате компания Festo подготовила программное обеспечение для автоматизации перемещений руки доильного робота. Прикладное программное обеспечение реализовано с использованием функциональных блоков, библиотек и примеров программ. Программное обеспечение было создано в среде CODESYS, которое соответствует стандарту IEC61131-3, и является стандартом для систем управления Festo. Имитация функции программного обеспечения выполнена с помощью Matlab Simulink.

Опыт, полученный в сложной задаче движения доильного робота, например, с использованием SoftMotion — набора встроенных алгоритмов для выполнения высокоточных и сложных синхронизированных траекторий движения, нашел применение и при разработке и других библиотек программного обеспечения. Преимущество для пользователей заключается в том, что последовательности движения можно легко настроить посредством интуитивно понятного интерфейса клиента без каких-либо знаний в области программирования.

Сотрудничество между компаниями Lely и Festo, выверенное годами, будет продолжено. Будущие тенденции, такие как Farm 4.0 («Ферма 4.0») и Farm of the Future («Ферма будущего»), основаны на системе управления компании Lely T4C (Time for Cows — «Время для коров»), которая предоставляет конкретную информацию о здоровье и фертильности, а также количестве и качестве производства молока для поставщиков кормов и ветеринаров. Новые темы, которые обсуждаются сегодня и включают мониторинг состояния и предупредительное техническое обслуживание, связны с тем, что компания Lely намерена кардинально снизить свои расходы на обслуживание с помощью этих прогрессивных концепций.

Однако вернемся к экономике и ситуации на российском рынке. По имеющимся оценкам, доля компании Lely на этом рынке уже превышает 30%. Крупнейшими проектами компании в Российской Федерации являются СХП «Новомарковское» и хозяйство «Туктар» в Татарстане, которое вскоре станет самым значимым по числу доильных роботов компании Lely Astronaut, а в Башкирии открыто сборочное производство доильных роботов этой компании. Поскольку внедрение прогрессивных технологий доения и обслуживания в молочном животноводстве России набирает темп, можно надеяться, что скоро на фермах появится и такой передовой роботизированный комплекс, как совместное детище компаний Lely и Festo — Astronaut A5. А буренок все же будут кормить вкусно, разнообразно и досыта, а не одной соломой, и доиться они будут не до изнеможения, подвешенные на пожарных шлангах, а по своему коровьему желанию, после того как робот им еще и спинку почешет.

Именно роботизированная ферма дает возможность комплексной работы над улучшением здоровья животного — у него меньше стрессов, оптимальное питание, доение не по принуждению и расписанию (застой молока приводит к маститам), своевременно поступает информации о снижении аппетита, уменьшении надоя и заболеваниях животного. Это отвечает современным трендам роста ориентации на сохранении и улучшении здоровья стада. Средняя продолжительность «эксплуатации» коровы после перехода на роботизированное доение до выхода на «пенсию», по некоторым отзывам, вырастает до 4–5 лет. Этот фактор также необходимо учитывать в расчетах окупаемости фермы.

Как показывают результаты, при роботизации корова может пойти на дойку до семи раз, вместо обычных плановых трех (по расписанию), а результатом являются не «рекордные» силой выдоенные 15 л молока, а обычные 32, а для некоторых пород и все 50. Но тут нужен и подбор стада, и персонифицированный подход, подразумевающий, что в центре внимания фермера должна быть каждая корова с ее потребностями, а это возможно только с комплексной роботизацией.


 

Литература
  1. Бойко А. Доильные роботы. Животноводство и роботы. Сельское хозяйство и роботы. 
  2. Мартынович А. «Молочные войны»: почему белорусское молоко России поперек горла. 
  3. Сухорукова Е. Импорт молочных продуктов достиг максимума за все годы продэмбарго. 
  4. lely.com
  5. Рентюк В. Человек + робот + искусственный интеллект: BionicWorkplace от компании Festo // Control Engineering Россия IIoT. 2018. № 3.
  6. Рентюк В. Рука об руку с человеком: бионический манипулятор от Festo //Control Engineering Россия. № 2.
  7. Francis S. Festo and Lely unveil new version of milking robot. 
  8. Lely Astronaut A5 — The art of milking.
  9. Together at the forefront of robotic milking technology. 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *