ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В АПК

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В АПК

Научная статья

Зыков А.В.^1, *, Юнин В.А.², Захаров А.М.³

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

^{1, 2, 3} Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (zav35[at]list.ru)

Аннотация

В статье рассмотрена область использования робототехнических средств на уровне современных достижений в отрасли АПК, предложены основные направления использования робототехнических средств и отнести к ним стоит: производство сельскохозяйственной продукции, переработку сельскохозяйственной продукции, а также производство продукции для сельского хозяйства. Приведены примеры использования робототехнических средств в таких отраслях как, растениеводство, животноводство, кормопроизводство и т.д. Выделена ведущая роль информационно-измерительной техники при использовании робототехнических средств: автоматических станций, дистанционных датчиков, электронных программ агронома, электронных технологических карт и др. Выбраны направления наиболее эффективного использования робототехнических средств, обозначены их неоспоримые преимущества в сравнении с используемыми техническими средствами: уменьшение массы и габаритов техники за счет совершенствования конструкции, расширение сферы применения из-за возможности перепрограммирования, уменьшение временных интервалов в процессе производства, точность и качество выполнения. Обозначены приоритетные направления научных исследований, конструкторских работ, подготовки специалистов в областях разработки технологий с использованием робототехнических средств и «интеллектуальных» машин, а также усовершенствования технологий точного земледелия и животноводства.

Ключевые слова: агропромышленный комплекс, робототехника, дистанционное управление, автоматизированные агрегаты, экология, энергосберегающие технологии, производительность труда.

USE OF ROBOTICS IN AIC

Research article

Zykov A.V.^1, *, Yunin V.A.², Zakharov A.M.³

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

^{1, 2, 3} Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production - Branch of the Federal State Budgetary Institution FSAEC AIM, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (zav35[at]list.ru)

Abstract

The article considers the area of use of robotic tools as modern achievements in agro-industrial sector, suggests the main areas of their use and they include: agricultural production, processing of agricultural products, as well as production of goods for agriculture. Examples of the use of robotic tools in such industries as crop production, animal husbandry, fodder production, etc. are given. The leading role of information-measuring equipment is emphasized when using robotic tools: automatic stations, remote sensors, agronomist’s electronic programs, electronic process charts, etc. The directions for the most efficient use of robotic tools are selected, their indisputable advantages are highlighted in comparison with the technical means used: weight reduction and dimensions of the technique due to the improvement of design, expansion of scope of application due to the possibility of re-programming reduction of time intervals in the production process, accuracy and quality of performance. Areas of research, design, training of specialists in the areas of technology development using robotic tools and “smart” mmachines, as well as the improvement of precision farming and animal husbandry technologies are priotarized.

Keywords: agro-industrial complex, robotics, remote control, automated units, ecology, energy-saving technologies, labour productivity.

Рассмотрены пути использования робототехнических средств в отраслях АПК. Дан анализ состояния и перспектив применения роботов на основных технологических операциях перерабатывающей промышленности. Показаны приоритетные направления исследований и внедрения автоматизированных линий с роботами в сельскохозяйственном производстве.

Агропромышленный комплекс страны представляет собой систему нескольких взаимосвязанных отраслей народного хозяйства, которые осуществляют производство, заготовку, хранение, переработку и сбыт продукции, а также строительство самых различных предприятий и жилых поселков. Конечная продукция АПК составляет 75 % розничного товарооборота государственной и кооперативной торговли, в том числе более 95 % — продукты питания [1].

С каждым годом растет энерговооруженность АПК, особенно в сельскохозяйственном секторе. Так, энергетические мощности в нем за последние 20 лет увеличились в три раза, а потребление электроэнергии в семь раз [2].

Значительный уровень механизации достигнут при производстве зерновых и технических культур. Однако несколько отстает механизация произведённых процессов при выращивании овощей и фруктов.

Высокими темпами растет производительность труда на механизированных животноводческих и птицеводческих фермах и комплексах. Но установленной мощности агрегатов и числу работающих электродвигателей они не уступают крупным предприятиям промышленности.

Несмотря на достигнутые успехи в области механизации и автоматизации производственных процессов, необходимо дальнейшее совершенствование выпускаемых для отраслей АПК техники и оборудования, так как нехватка рабочей силы остается одним из сдерживающих факторов дальнейшего наращивании производства продовольствия и сырья для промышленности. Вот почему в ближайшем будущем необходимо все более широкое применение механизации и автоматизации в производстве с использованном робототехнических средств.

Однако нельзя не учитывать отличительных особенностей АПК — большой разбросанности сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий, сезонности в работе, зависимости производства от почвенно-климатических условии, тесной связи с живой природой.

В АПК робототехнические средства могут быть использованы в следующих технологических процессах: выращивание сельскохозяйственных культур, животных и птицы; заготовка, хранение и переработка продукции; ремонт техники. Каждая из этих групп может быть разбита на конкретные производства, а именно выращивание кормовых, зерновых и плодовоовощных культур; выращивание крупного рогатого скота, свиней, птицы; получение молока, мяса, яиц; переработка и хранение мясомолочной, плодоовощной и другой продукции; хранение и ремонт тракторов и сельскохозяйственных машин; строительство предприятий и других объектов АПК [3].

Рассмотрение различных производственных технологий АПК позволяет установить уровень механизированных и автоматизированных процессов, а также конкретные участки, где в первую очередь следует использовать, робототехнические средства. Сейчас в АПК полностью автоматизированных технологических процессов, можно сказать, единицы.

Несмотря на трудности, сдерживающие применение комплексной автоматизации производственных процессов, участие человека практически исключено при выращивании овощей в закрытом грунте, в птичниках, свинарниках, инкубаторах, при дойке коров, разливе молока, и других изделий, на отдельных участках ремонта техники, при хранении продукции.

В качестве примера полностью автоматизированного объекта можно назвать инкубатор, где температура, влажность, поворот лотков регулируются автоматически. В птичнике для кур-несушек микроклимат (температура, влажность, свет, обмен воздух;) также поддерживается автоматически, автоматически раздается корм, осуществляется поение, убирается помет, собираются на ленточный или другой тип транспортера яйца. Здесь пока не автоматизирован процесс контроля за поведением птицы, не механизирована укладка яиц, хотя уже существуют автоматы по их контролю и укладке.

В свинарнике фактически механизированы все процессы, участие человека сводится к наблюдению за животными, так как кормление, поение, вентиляция и уборка навоза полностью автоматизированы.

У нас и за рубежом многие, ученые работают над полной автоматизацией теплиц. В настоящее время уже созданы отдельные блоки теплиц, где человек занят только на уборке урожая. Этот процесс трудоемкий, но слабо поддается роботизации. Однако в тепличных системах с мостовыми агрегатами эта операция также может быть механизирована.

Представляют большой интерес разработки роботов-дояров коров. Опыты, проведенные в Шведской компании, показали, что животное быстро «вступает» в контакт с доильным роботом, так как во время дойки животному выдается корм. И вместо двух-трехразовою обычного доения животное предпочитает ходить на дойку 4—5 раз в сутки. Доильные роботы совершенствуются и есть уверенность в том, что через несколько лет они найдут применение на производстве [3], [4].

В соответствии с основными задачами разрабатываемой Российской академией наук в настоящее время в Концепции научно-технологического развития цифрового сельского хозяйства «Умное сельское хозяйство» предстоит впусти новые автоматизированные технологические линии, значительно обновить материальную базу в сельском хозяйстве. Для этих целей предусмотрено увеличить финансирование программ автоматизации в несколько раз, по сравнению с финансированием стратегий машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2010, 2020 года, одна треть которых будет направлена на техническое перевооружение [4].

Полная механизация и автоматизация процессов потрошения птицы, разделки мяса, расфасовки и упаковки требует максимального применения автоматических линий и робототехнических средств [4].

В настоящее время в АПК функционируют около 270 крупных мясокомбинатов и 900 крупных предприятий по переработке молока [5]. В большинстве из них, особенно на конечных операциях, еще широко применяется дешевый ручной труд. Использование простейших манипуляторов или роботоукладчиков может резко поднять производительность труда, высвободить десятки тысяч рабочих.

Резкое повышение производительности труда возможно в плодоовощной промышленности путем внедрения автоматических линий приготовления и разлива соков, применения микропроцессорной техники, фотоэлектрических датчиков, робототехнических средств.

На машиностроительных и ремонтных предприятиях АПК начали применять технологические линии с полным техническим оснащением, манипуляторы, роботы. В этой важнейшей отрасли АПК, как ни в какой другой, требуется максимальное использование робототехнических средств. Достаточно сказать, что объемы производства АПК по ведущим дилерам, мастерским и механическим предприятиям составляют свыше 6 млрд, руб в год и сравнимы с объемами ведущих машиностроительных предприятий.

На дилерских центрах сельскохозяйственной отрасли налажен ремонт техники, производство сложного ремонтно-технологического и диагностического оборудования, приспособлений, ряда запасных частей, слесарно-монтажного инструмента, нестандартного оборудования, рабочих органов отдельных сельскохозяйственных машин, малогабаритной селекционной техники. Как и в промышленности, на этих предприятиях роботы найдут широкое применение на сварке, покраске, погрузочно-разгрузочных операциях и сборочных линиях.

Внедрение новых прогрессивных технологий с применением плазменной и лазерной техники на заводах АПК будет происходить одновременно с внедрением средств автоматизации и роботизации.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по автоматизации и роботизации технологических процессов и АПК проводятся в ряде региональных отделений и научных центрах. Проведены интересные и подробные исследования по роботизации технологических процессов в АПК, изучено взаимодействие роботов с растениями и животными, разработаны агротехнические требования к роботам сельскохозяйственного назначения и для использования в перерабатывающей промышленности. Изготовлены и испытаны опытные образцы нескольких роботов, в том числе с микропроцессорной техникой, например, роботы, предназначенные для выполнения технологических операций как на земле, так и в воздухе [6], [7], [8].

Однако исследования научных и учебных учреждений АПК по роботизации производственных процессов пока малозначительны и не отвечают требованиям производства.

Сдерживающая причина широкого внедрения автоматизированных систем с роботами – неподготовленность производства и технологий, основанных на использовании ручного труда, кроме того, полностью отсутствует серийный выпуск и продажа робототехнических средств, некоторых, видов регистрирующей аппаратуры, приборов, датчиков, исполнительных механизмов микропроцессорной техники.

В настоящее время каждое ведомство продолжает выпускать или наращивать производство робототехнических средств, предназначенных только для своей отрасли, что сдерживает их широкое освоение.

Ускорению производства к внедрению робототехнических средств в АПК будет способствует создание единого научно технического центра при Российской Академии Наук, по автоматизации и роботизации технологических процессов. В этом центре будет сосредоточена координация научно-исследовательских работ отделений, созданы конструкторские бюро, предприятия по производству робототехнических средств, организована подготовка кадров и рассмотрены проектные решения по освоению новых технологических процессов. При переходе на новые технологии с использованием робототехнических средств необходима тщательная подготовка обслуживающего персонала и рабочих.

Медленное внедрение анализирующей и вычислительной аппаратуры на предприятиях объясняется иногда инертным отношением к ней некоторых руководителей. Необходима тщательная подготовительная работа по внедрению нового технологичного оборудования. Применение роботов на конечных операциях многочисленных технологических процессов в АПК может высвободить десятки тысяч рабочих, которых можно использовать на других видах работы.

Успешные научные разработки по использованию роботов в АПК возможны в том случае, когда ученые и специалисты научных и учебных учреждений будут работать в тесном контакте с машиностроительными и приборными предприятиями.

Сейчас НТП в любой отрасли АПК, будет определяться быстротой внедрения автоматизированных линий с робототехническими средствами.

Комплексные планы научных исследований по автоматизации и роботизации в агропромышленом комплексе предусматривают на текущую пятилетку и перспективу до 2030 года следующие разработки: методов и роботизации технологических операции механизации предпосевной обработки почвы, посева и уборки сельскохозяйственных культур; комплекса роботизированных устройств для уборки и послеуборочной обработки картофеля с применением конвейерных рабочих органов; автоматических роботизированных складов, емкостей для хранения жидких и сыпучих удобрений и ядохимикатов; автоматизированных и роботизированных средств и систем управления для ремонта и технического обслуживания машинно-тракторного парка, систем управления сельскохозяйственной техникой и др [9], [10].

Например рассмотрим комплекс программ «Коралл», разработанный в Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева профессором Б.В. Лукьяновым. Данный комплекс программ позволяет автоматизировать расчеты и анализировать рационы, управлять поголовьем крупного рогатого скота на ферме, планировать кормовую базу на сельхозпредприятии управлять ею, диагностировать у животных болезни и формировать рекомендации по борьбе с ними. Программы можно использовать в совокупности, а также независимо друг от друга. К пользователям программ относятся: персонал по работе с животными; технологи, производящие корм, кормовые добавки; руководители, специалисты отделов; научные сотрудники, исследующие процессы жизнедеятельности животных. С помощью программ «Коралл» можно решить огромное количество задач, встречающихся на пути каждого сельхозпредприятия. Фермеры и агрозоотехники используют программы: для формирования рационов животных, плана кормления; оптимизации рациона по различным критериям; составления заявок на снабжение животных кормами, прикормом; организации кормовой базы и кормового плана. Зооинженеры, ветеринарные врачи используют программы: для автоматизированного учета операций на предприятии; предупреждения и выявления болезней; оценки здоровья животных; проведения ветеринарных мероприятий; исследования эффективности работы фермы. Сотрудники отдела производства комбикорма с помощью программы: обеспечивают заданную питательность комбикорма, премикса; оценивают рецепты с учетом необходимой сбалансированности рационов; разрабатывают возможные дополнения для кормовых продуктов. Научные сотрудники применяют программы: для создания рецептов рационов, подходящих различным видам животных в разные периоды их жизненного цикла; выявления дисбаланса по составляющим компонентам питания; выявления срока промышленной эксплуатации корма; оценки влияния новых компонентов питания на здоровье животных. Также с помощью программ «Коралл» руководители и специалисты отделов могут контролировать работу сотрудников, выявлять ее качество и эффективность [11].

Кроме исследований, проводимых научными учреждениями РАН, много программ разрабатывается в государственных корпорациях, таких как «Росатом», «Ростех», «Роснано» и других ведомствах. Выполнение этих программ обеспечит повышение производительности труда, увеличение производства продовольствия.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Попов В.Д. Технологическая модернизация отраслей растениеводства АПК Северо-Западного Федерального округа / В.Д. Попов, Д.А. Максимов, Ю.Л. Морозов, А.Н. Перекопский, Г.А. Логинов, Н.В. Романовский, А.И. Сухопаров – СПб.: СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2014. – 287 с.
2. Попов В.Д. Технологическая модернизация - основа инновационного развития АПК Северо-Западного региона России / В.Д. Попов, Д.А. Максимов, Ю.Л. Морозов // Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2012. – №4. – С. 19 – 22.
3. Иванов Ю.А. Система технологий и машин для механизации и автоматизации производства продукции животноводства и птицеводства на период до 2020 г. / Ю.А. Иванов, Н.М. Морозов [и др.]. – М.: ГНУ ВНИИМЖ, – 2013. – 28,0 п.л.
4. Рунов Б.А. Анализ применения робототехнических средств в сельском хозяйстве / Б.А. Рунов, Н.Н. Новиков // Вестник ВНИИМЖ. – 2017. – №2 – С. 113 – 117.
5. Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года / Ю.Ф. Лачуга и др.; – М.: ФГНУ «Росинформаготех», – 2009. – 80 с.
6. Стребков Д.С. Направления научно-технического обеспечения модернизации АПК / Д.С. Стребков, В.Д. Попов, В.Р. Краусп, Э.А. Папушин // Техника в сельском хозяйстве. – 2013. – №3. – С. 4 – 6.
7. Юнин В.А. Интенсификация кормопроизводства в условиях Северо-Западного региона / В.А. Юнин, А.В. Зыков, Н.Н. Кузнецов // В сборнике: Технические науки в России и за рубежом Материалы V Международной научной конференции. – 2016. – С. 82 – 85.
8. Зыков А.В. Эффективность применения химических консервантов при заготовке кормов трав, прессованных в рулоны / А.В. Зыков, В.А. Юнин, А.М. Захаров // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. – 2018. – №96. – С. 138 – 145.
9. Шаныгин С.В. Роботы как средство механизации сельского хозяйства / С.В. Шаныгин // Изв. высш. учеб. заведений. Машиностроение. – 2013. – №3. – С. 39 – 42.
10. Труфляк Е.В. Интеллектуальные технические средства в сельском хозяйстве. Краснодар: КубГАУ. – 2016. – 42 с.
11. Фагуцист И.А. Использование современных информационных технологий в агропромышленном комплексе / И.А. Фагуцист // Научно-методический электронный журнал Концепт. – 2015. – №7. – С. 96 – 100.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Popov V.D. Texnologicheskaya modernizaciya otraslej rastenievodstva APK Severo-Zapadnogo Federal`nogo okruga [Technological modernization of crop production, agricultural North-West Federal district] / V.D. Popov, D.A. Maksimov, Yu.L. Morozov, A.N. Perekopskij, G.A. Loginov, N.V. Romanovskij, A.I. Suxoparov // – SPb.: SZNIIME`SX Rossel`xozakademii, 2014. – 287 s. [in Russian]
2. Popov V.D. Texnologicheskaya modernizaciya - osnova innovacionnogo razvitiya APK Severo-Zapadnogo regiona Rossii [Technological modernization-the basis of innovative development of agriculture in the North-West region of Russia] / V.D. Popov, D.A. Maksimov, Yu.L. Morozov // Sel`skoxozyajstvenny`e mashiny` i texnologii. – 2012. – №4. – S. 19 – 22. [in Russian]
3. Ivanov Yu.A. Sistema texnologij i mashin dlya mexanizacii i avtomatizacii proizvodstva produkcii zhivotnovodstva i pticevodstva na period do 2020 g. [The system of technologies and machines for the mechanization and automation of production of livestock and poultry for the period up to 2020] / Yu.A. Ivanov, N.M. Morozov [i dr.]. – M.: GNU VNIIMZh, – 2013. – 28,0 p.l. [in Russian]
4. Runov B.A. Analiz primeneniya robototexnicheskix sredstv v sel`skom xozyajstve [Analysis of application of robotic tools in agriculture] / B.A. Runov, N.N. Novikov // Vestnik VNIIMZh. – 2017. – №2 – S. 113 – 117. [in Russian]
5. Strategiya mashinno-texnologicheskoj modernizacii sel`skogo xozyajstva Rossii na period do 2020 goda [Strategy of machine-technological modernization of agriculture of Russia for the period up to 2020] / Yu.F. Lachuga i dr.; – M.: FGNU «Rosinformagotex», – 2009. – 80 s. [in Russian]
6. Strebkov D.S. Napravleniya nauchno-texnicheskogo obespecheniya modernizacii APK [Strebkov D. S. Directions of scientific and technical support of modernization of agriculture] / D.S. Strebkov, V.D. Popov, V.R. Krausp, E`.A. Papushin // Texnika v sel`skom xozyajstve. – 2013. – №3. – S. 4 – 6. [in Russian]
7. Yunin V.A. Intensifikaciya kormoproizvodstva v usloviyax Severo-Zapadnogo regiona [Intensification of fodder production in North-West region] / V.A. Yunin, A.V. Zy`kov, N.N. Kuzneczov // V sbornike: Texnicheskie nauki v Rossii i za rubezhom Materialy` V Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii. – 2016. – S. 82 – 85. [in Russian]
8. Zy`kov A.V. E`ffektivnost` primeneniya ximicheskix konservantov pri zagotovke kormov trav, pressovanny`x v rulony` [The Efficacy of chemical preservatives with fodder grasses, pressed into rolls] / A.V. Zy`kov, V.A. Yunin, A.M. Zaxarov // Texnologii i texnicheskie sredstva mexanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. – 2018. – №96. – S. 138 – 145. [in Russian]
9. Shany`gin S.V. Roboty` kak sredstvo mexanizacii sel`skogo xozyajstva [Robots as a means of mechanization of agriculture] / S.V. Shany`gin // Izv. vy`ssh. ucheb. zavedenij. Mashinostroenie. – 2013. – №3. – S. 39 – 42. [in Russian]
10. Truflyak E.V. Intellektual`ny`e texnicheskie sredstva v sel`skom xozyajstve [Intellectual technical means in agriculture] / Krasnodar: KubGAU. – 2016. – 42 s. [in Russian]
11. Fagucist I.A. Ispol`zovanie sovremenny`x informacionny`x texnologij v agropromy`shlennom komplekse [The Use of modern information technologies in the agro-industrial complex] / I.A. Fagucist // Nauchno-metodicheskij e`lektronny`j zhurnal Koncept. – 2015. – №7. – S. 96 – 100. [in Russian]