閆海鵬,陳學帥,鄧 飛

(河北科技大學機械工程學院,河北石家莊 050018)

國外對奶牛自動飼喂設備的開發(fā)研制相對較早,全混合日糧(total mixed ration,TMR)飼喂是根據(jù)分群奶牛的營養(yǎng)需求[1-3],將適量的粗飼料與添加劑按比例均勻攪拌,從而得到營養(yǎng)均衡的飼料。優(yōu)質的TMR設備及相應的技術措施,保證了奶牛的每口飼料都具有均衡的營養(yǎng)配比。目前,該技術已被廣泛應用于美國、以色列、意大利、荷蘭等國家,并逐步在中國推廣應用[4-5]。常見的TMR設備可根據(jù)其固定方式分為3類:固定式TMR設備、牽引式TMR設備、自走式TMR設備[6]。20世紀80年代中后期,北京、上海、河北等地的大型奶牛養(yǎng)殖場采用了TMR飼養(yǎng)技術,但該技術沒有得到大規(guī)模的普及。近年來,中國自主研發(fā)了一些TMR飼喂設備。戚江濤等[7]、高振江等[8]設計了一款自走式精確飼喂設備,根據(jù)奶牛生理特征來實現(xiàn)對不同生理周期的奶牛進行精準飼喂。熊本海等[9]研發(fā)了一款奶牛個體自動飼喂設備,可以全面、動態(tài)、系統(tǒng)性地監(jiān)測奶牛采食過程,但是只能進行單側飼喂。而趙清來等[10]、趙麗萍等[11]針對中國當下奶牛單產水平偏低的情況,設計了一種兩側變量飼喂設備,提高了飼料飼喂的智能和效率,但針對的是TMR混合飼料,缺乏對不同奶牛精飼料的補飼。

TMR飼喂技術存在一定缺陷,無法按奶牛的個體差異喂養(yǎng)。泌乳期奶牛對精飼料的需求量大,采用TMR飼喂技術易因喂養(yǎng)不足,而影響奶牛的產奶率。國外研發(fā)出的機器人已應用到畜牧養(yǎng)殖業(yè),但這些設備進口成本過高且不便維護,無法在中小型企業(yè)或個體農戶中普及。精飼料補飼的傳統(tǒng)方法是人工喂養(yǎng),需耗費大量的人力和時間。本文采用TMR技術和精飼料補飼集成一體化的思路,設計了智慧牧場個性化自動飼喂設備。該設備具有通用性好、自動化程度高、定量飼喂控制準確、安裝成本低廉等優(yōu)點,不僅降低了相關企業(yè)的養(yǎng)殖和管理成本,而且提高了企業(yè)的自動化管理水平。

1 飼喂設備總體結構及工作原理

智慧牧場個性化自動飼喂設備結構如圖1所示,其包括行走機構、回轉機構、下料機構、機架、螺旋輸送機構、精飼料倉、全混合日料倉、攪拌機構、無線射頻裝置。攪拌機構在全混合日料倉內,螺旋輸送機構分別布置在全混合日料倉和精飼料倉內底部,下料機構布置在精飼料輸送機構出料口正下方。精飼料倉和下方螺旋輸送機構以及下料機構組成精飼料精確定量補飼裝置。該設備的工作原理是2個料倉和機架固定在支撐板上通過回轉機構做圓周運動,回轉機構固定在行走機構上方,整體進行前后位移。

圖1 自動投喂設備的總體結構圖Fig. 1 Overall structure diagram of automatic feeding equipment

飼喂設備在奶牛采食區(qū)進行飼喂,利用無線射頻技術,可以對奶牛群體狀態(tài)展開實時監(jiān)測,并及時準確地采集電子標記記錄下的各種數(shù)據(jù)信息。無線射頻系統(tǒng)能夠動態(tài)識別并記錄奶牛的體重、采食量、運動量等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)與各個養(yǎng)殖模塊的其他傳感器相結合,可以將奶牛的體況、牛場環(huán)境的溫度、濕度等信息詳細記錄。在計算機終端上動態(tài)地監(jiān)測奶牛的身體狀況,若系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)超過了計算機中設置的健康預警范圍,管理系統(tǒng)就可以自動識別,并進行實時反饋。無線射頻系統(tǒng)為管理者判斷奶牛的生理狀況,調整飼料結構和供給數(shù)量,為制定相應的處理方案提供依據(jù)。

攪拌機構主要由軸端擋圈、軸承、上法蘭、減速器、攪拌器、下法蘭、套筒、電機組成。該機構工作時,電機通過減速器帶動攪拌軸以及固定在軸上的螺帶式攪拌器順時針轉動,一段時間后,將電機反轉,對倉內飼料充分均勻攪拌。攪拌機構如圖2所示。

圖2 攪拌機構圖Fig.2 Mixing device diagram

螺旋輸送機構由電機、減速器、聯(lián)軸器、螺旋輸送器組成。全混合日料倉、精飼料倉下都裝有該機構,其工作時電機通過減速器帶動螺旋桿轉動。對于全混合日料倉,電機勻速給料。精飼料倉按照不同時期奶牛對精飼料的不同需求進行精確定量飼喂,由步進電機通過脈沖頻率進行調速進給,螺旋葉片直徑計算公式如式(1)所示:

(1)

式中:D為螺旋葉片的直徑,m;Q為螺旋輸送機構的生產量,kg/h;φ為充填系數(shù);ρ為物料的密度,kg/m3;C為傾斜安裝時的修正系數(shù);k為物料綜合系數(shù)。

該裝置水平放置,故修正系數(shù)C=1, TMR混合輸送機構中生產量Q1=3.32 kg/h,φ=0.4,ρ=0.3 kg/m3,k=0.055 8,代入式(1),TMR混合輸送螺旋葉片直徑D1=210 mm;精飼料輸送機構中生產量Q2=1.11 kg/h,φ=0.4,ρ=0.7 kg/m3,k=0.055 8,代入公式(1),則精飼料輸送螺旋葉片D2=97 mm,將計算出的葉片直徑圓整至標準直徑,如圓整后的80,90,100,110,圓整后D2=100 mm。 螺距S按照式(2)計算:

S=k1D。

(2)

由式(2)得出螺旋葉片螺距S1=168 mm,S2=80 mm。螺旋桿直徑d如式(3)所示計算:

d=(0.2～0.35)D。

(3)

由式(3)得出螺旋桿直徑d1=50 mm,d2=30 mm。螺旋軸實際轉速n如式(4)所示計算:

(4)

由式(4)得出TMR混合飼料輸送機的有效實際速度為80 r/min,精飼料輸送機構的有效實際速度為105 r/min。螺旋輸送器的尺寸參數(shù)如圖3所示。

圖3 螺旋輸送器尺寸參數(shù)圖Fig.3 Parameter diagram of auger size

回轉機構由連接板、回轉支承、支撐板、電機、減速器、小齒輪、大齒輪、固定塊、外殼、彈簧、活塞桿、上連接套、回轉軸、下連接套、圓螺母組成。該機構運轉時,電機得電通過減速器輸出軸帶動小齒輪轉動,與小齒輪相嚙合的大齒輪產生相對運動,使連接板上的飼料模塊旋轉180°,從而達到采食區(qū)的雙側喂食。由固定塊、彈簧、外殼、活塞桿組成的彈簧減振裝置位于回轉支承下方,連接板固定在回轉支承上方,在一定載荷作用下,彈簧處于按壓狀態(tài)對整個機構起到緩沖減震的作用,回轉機構如圖4所示。

圖4 回轉機構圖Fig.4 Diagram of slewing mechanism

在無線射頻裝置中掃描到電子耳標號,并于數(shù)據(jù)庫中進行身份信息比對,得到奶牛的生命周期、體重及產奶量等信息,通過計算判斷奶牛是否需要精飼料的補飼。上位機給PLC下達控制指令,PLC控制精飼料輸送機構,將飼料輸送至下料機構。下料機構由支撐架、氣缸、插板、頂板、料斗、稱重傳感器組成。飼料由進料口落入料斗內部的插板上,在料斗四角下方裝有稱重傳感器,用于動態(tài)稱重。當料斗中的飼料量達到所需投放飼料量的80%時,步進電機減速,緩慢減少下料。當達到投放飼料量的100%時,氣缸收縮并帶動插板,停止下料,飼料下放。延時幾秒,氣缸復位,下料機構如圖5所示。

圖5 下料機構圖Fig.5 Diagram of blanking mechanism

2 控制系統(tǒng)及程序設計

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

混合飼料輸送機構和回轉機構由電機控制,攪拌機構通過電機正反轉來實現(xiàn)混合飼料的充分攪拌。此外,為了實現(xiàn)低速平穩(wěn)控制電動機的起停,還設計了相應的控制程序,方便 PC端對 PLC輸出的脈沖、方向信號進行控制,并由驅動器對步進電動機進行操作,來實現(xiàn)行走和精飼料輸送的位置控制。下料機構采用氣缸控制。同時,為便于操作人員對設備的運行狀況進行維護和監(jiān)測,使用人機交互界面實現(xiàn)人機配合,使其更加直觀,PLC系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 PLC系統(tǒng)框架Fig.6 PLC system framework

2.2 PLC選型與I/O分配

個性化自動飼喂設備采用西門子S7-200系列 PLC為核心,具有抗干擾性好、維護簡單、成本低、指令功能強等優(yōu)點。PLC可分為晶體管輸出和繼電器輸出,晶體管輸出的PLC具有使用壽命長、驅動電流較低、響應速度快等特點,適用于控制步進驅動器頻率較高的場合[12]。考慮到此設備需要高脈沖頻率,選取晶體管輸出的PLC。根據(jù)控制需求,所選取PLC需配備12個輸入端口和9個輸出端口,故選用S7-200系列CPU224晶體管輸出,其具有14個輸入端口和10個輸出端口。輸入輸出端口和執(zhí)行功能見表1、表2。

表1 輸入端口的PLC I/O地址分配

表2 輸出端口的PLC I/O地址分配

2.3 控制流程與程序設計

PLC的控制程序采用了序列化的方法,也就是按照預先設定的步驟,分步實施,每一步觸發(fā)的動作和實現(xiàn)的功能,均用流程圖表示,如圖7所示。再依據(jù)流程圖編寫PLC的順序功能圖來表達程序的設計思想,如圖8所示,然后將其轉化為梯形圖程序,這是梯形圖編程的基本依據(jù)[13],其硬件接線圖如圖9所示。

圖7 PLC控制流程圖Fig.7 PLC control flow chart

圖8 控制程序順序功能圖Fig.8 Sequence function diagram of control program

圖9 硬件接線圖Fig.9 Hardware wiring diagram

自動模式按下啟動按鈕,攪拌器攪拌。待攪拌完成后,行走機構勻速行進,同時混合飼料下放,下放過程中,檢測行走機構是否觸發(fā)正反限位,若不觸發(fā)正反限位,行走機構繼續(xù)前進;若觸發(fā)正反限位,行走機構停止。停止后回轉機構開始運轉,檢測回轉機構是否旋轉180°,未達到繼續(xù)旋轉,到達則停止旋轉。PLC輸出反向信號,行走機構進行反向運動。無線射頻裝置掃描奶牛,檢測是否收到放料信號,沒有收到,繼續(xù)前進;收到后,行走機構減速停止?；旌巷暳贤Ｖ瓜路诺耐瑫r,PC端開始計算單個奶牛所需投放量,螺旋輸送機構勻速投放精飼料,若到達80%后開始減速放料,當達到100%時,放料機構停止投放精飼料,此時氣缸充氣插板收縮,飼料下放,待延時2 s后,氣缸復位停止充氣。

2.4 人機交互界面設計

系統(tǒng)人機交互界面采用組態(tài)王監(jiān)控軟件開發(fā)設計,能很容易地通過通信接口來完成 OPC協(xié)議和PLC的通信。通過定義屬性變量將電機、按鈕、運行信號燈等圖片和控件添加到屏幕中[14]。飼喂控制系統(tǒng)界面包括手動模式和自動模式。當點擊啟動按鈕,手動模式指示燈亮起操作狀態(tài)為手動模式,再次點擊自動按鈕,自動模式指示燈亮起操作狀態(tài)為自動模式;在手動模式下,按下行走按鈕,行走機構和混合飼料輸送機構同時工作,無線射頻裝置監(jiān)測到奶牛需要精飼料補飼,反饋信號傳給PLC,PLC發(fā)出投放信號指令。攪拌按鈕、回轉按鈕、輸送按鈕分別對應攪拌機構、回轉機構、精飼料輸送機構的啟動與停止。當輸送機構和行走機構運行時,脈沖輸出指示燈亮起,根據(jù)實際工況對其進行調速,當按下80%按鈕,輸送機構減速放料;按下100%按鈕輸送機構停止,同時下料機構運行開始落料。當設備觸發(fā)正限位回轉后,反向投放中指示燈亮起,設備反向喂料。開發(fā)的飼料投放控制系統(tǒng)人機交互界面如圖10所示。

圖10 飼料投放控制系統(tǒng)人機交互界面圖Fig.10 Human-computer interaction interface of feed delivery control system

3 智慧牧場個性化自動飼喂設備有限元分析

3.1 精飼料精確定量補飼裝置校核分析

考慮到螺旋輸送器需要處于交變負荷下工作,故選取45#鋼作為輸送器的材料,飼料支架需要支撐結構,故選用Q235作為材料,通過ANSYS Workbench對精飼料裝置的螺旋輸送器和支架進行校核分析,螺旋輸送器應力圖、整體形變圖如圖11和圖12所示。

圖11 精飼料螺旋輸送器等效應力圖Fig.11 Equivalent stress diagram of concentrate screw conveyor

圖12 精飼料螺旋輸送器總體形變圖Fig.12 Overall shape change of concentrate screw conveyor

由圖11可知,精飼料螺旋輸送器最大受力位置重點分布在中間位置,最大的應力為22.806 MPa,遠小于45#鋼的許用應力值175 MPa。由圖12可知,螺旋輸送器在中間位置產生最大形變,最大形變值為0.238 95 mm,小于許用形變量2 mm(螺旋輸送葉片與筒壁的間隙),故滿足設計要求。精飼料飼喂支架等效應力圖、整體形變圖如圖13和圖14所示。

圖13 精飼料飼喂支架等效應力圖Fig.13 Equivalent stress diagram of concentrate feed mechanism bracket

圖14 精飼料飼喂支架總體形變圖Fig.14 Overall shape change of concentrate feed mechanism bracket

由圖13分析得出精飼料飼喂機構支架最大受力發(fā)生在左側中間位置,其最大值為9.243 7 MPa,而Q235鋼材的許用應力值大于其最大值。由圖14分析可知,支架的最右側位置發(fā)生形變最大,最大的形變值為0.039 768 mm,與支架的尺寸相比可忽略。綜上所述,精飼料飼喂機構支架結構合理,達到了工作要求。

3.2 精飼料精確定量補飼裝置模態(tài)分析

為了避免電機和氣缸驅動產生的振動,以及自動飼喂設備實際工作中產生的振動,而導致的設備共振現(xiàn)象(易造成該設備的破損),要對設備進行模態(tài)分析,以保證奶牛個性化自動飼喂設備實際使用中的穩(wěn)定性。利用ANSYS Workbench模態(tài)分析計算出精飼料飼喂支架的前6階固有頻率和振動特性,如表3所示。精飼料支架前6階模態(tài)振型圖如圖15所示。

表3 精飼料飼喂支架的固有頻率和振動特性

圖15 精飼料飼喂支架前6階模態(tài)振型圖Fig.15 The first six modal shapes of concentrate feed bracket

由圖15可以看到,精飼料飼喂支架的固有頻率范圍是74.456～270.37 Hz。精飼料飼喂支架在工作過程中所受到的外界激勵頻率主要來自螺旋輸送器運轉引起的振動,精飼料螺旋輸送器工作轉速為105 r/min,故外界激勵頻率為1.7 Hz,而精飼料飼喂支架1階固有頻率為74.456 Hz,遠大于外界激勵頻率,不會產生共振等現(xiàn)象。

3.3 精飼料精確定量補飼裝置的諧響應分析

通過ANSYS Workbench諧響應分析能夠看出,精飼料飼喂支架在固有頻率范圍內出現(xiàn)多個振動峰值,精飼料飼喂支架在X,Y,Z方向諧響應分析如圖16所示。

圖16 精飼料飼喂支架XYZ諧響應分析Fig.16 XYZ harmonic response analysis of concentrate feed support

由圖16可以看出,精飼料飼喂支架在X,Y,Z方向產生多個振動峰值,其中X方向產生最大峰值對應的頻率為132 Hz,Y方向產生最大峰值對應的頻率為76 Hz,Z方向產生最大峰值對應的頻率為104 Hz。精飼料飼喂支架的前6階固有頻率范圍為74.456 ～ 270.37 Hz,在實際應用中需避免精飼料飼喂支架在此頻率范圍的環(huán)境中工作。由圖15可以看到,精飼料飼喂支架上端和最右側位置振動幅度變化相對較大,所以需要提高該位置的剛度,同時也應對精飼料飼喂支架模態(tài)振型圖中產生形變較大的其他位置進行剛度的提高,從而保證精飼料飼喂支架的穩(wěn)定性和安全性。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

由于本精飼料精確定量補飼裝置是通過控制螺旋輸送機的電機旋轉圈數(shù)來控制下料量,為了驗證設備投料是否準確,必須對飼喂裝置的下料精度進行檢測。檢測依據(jù)如公式(5)所示:

(5)

式中:δ為相對誤差;M為通過測量得到的實際投料量,kg;M0為理論投料量,kg。

檢測方法是:通過選取精飼料輸送機構的有效實際速度105 r/min為測試轉速,在此飼喂模式下,確定能否夠滿足(測量范圍)95%的精度要求[15]。由于奶牛的體重、胎次、產奶量、最大產奶量、泌乳期等因素,對精飼料的需求有很大差別,在實際生產中,每頭奶牛1天3次投喂,1次所需的精飼料為1～4 kg,因此試驗將奶牛的精料量分為以下幾個量程:1,2,3,4 kg/次。在每個量程內,反復進行6次測試,觀察投料精度是否符合要求。在不同的量程下,按測試結果進行6次重復測量的趨勢圖如圖17所示。計算出的不同量程下相對誤差值如表4所示。

表4 不同量程下的相對誤差

圖17 不同量程下測量趨勢圖Fig.17 Measurement trend chart under different ranges

通過表4結果顯示,測試精飼料螺旋輸送機構不同量程下的平均相對誤差在5%以內,并且在不同測試質量下的誤差上限和誤差下限也均在要求范圍內,故滿足設計要求。

試驗組和對照組各取6頭奶牛。試驗組采用智慧牧場個性化自動飼喂設備飼喂,其產奶量、產犢日期與對照組組樣本大致相同,對照組飼喂采用TMR設備進行,試驗組與對照組飼喂時間和擠奶時間相同。試驗組奶牛產奶量增值數(shù)據(jù)如表5所示,對照組奶牛產奶量增值數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 試驗組奶牛產奶量增值表

表6 對照組奶牛產奶量增值表

根據(jù)表5看出,試驗組1號和4號奶牛的產奶量負增長,整體的奶牛產奶量成上升趨勢,說明個性化自動飼喂設備可滿足試驗組奶牛的生理及產奶對精飼料的要求。根據(jù)表6看出,對照組只有5號奶牛的產奶量略有提高,整體的奶牛產奶量呈下降趨勢,說明試驗組提供的精飼料無法達到奶牛生理及產奶的要求。經計算,試驗組的平均產奶量為30 kg,對照組的平均產奶量為27 kg,故試驗組比對照組平均產奶量提高3 kg。

5 結 語

根據(jù)智慧牧場個性化自動飼喂設備的功能特點,進行了混合飼料和精飼料飼喂的集成一體化設計,有效解決了無法按照奶牛個體差異進行精確飼喂的問題,保證了奶牛飼喂的準確性和高效性,提高了奶牛的產奶效率。研究結論如下。

1)通過對精飼料精確定量補飼裝置進行有限元靜力學分析,得到精飼料螺旋輸送器的最大應力為22.806 MPa,螺旋輸送器受到的最大變形量為0.238 95 mm,精飼料飼喂支架工作狀態(tài)下的最大應力為9.243 7 MPa,精飼料飼喂支架受到的最大變形量為0.039 768 mm,均符合設計要求。

2)通過對精飼料飼喂支架進行模態(tài)分析和諧響應分析,得到前6階頻率為74.456 ～ 270.37 Hz,精飼料飼喂支架在工作過程所受到的外界激勵頻率主要來自螺旋輸送器運轉引起的振動,精飼料飼喂支架1階固有頻率為74.456 Hz,遠大于外界激勵頻率,不會產生共振等現(xiàn)象。

3)相關試驗表明,檢測值與目標投放誤差小于5%,符合誤差范圍標準,試驗組的奶牛產奶量比對照組提高了3 kg,證明該飼喂設備運行平穩(wěn)、安全可靠。

本研究實現(xiàn)了精飼料的精確飼喂,但未能實現(xiàn)混合飼料的差異化喂養(yǎng),之后將對此開展深入研究。