規模舍飼羊場中自動稱重分欄設備的設計與試驗*

羅土玉，豆 姣，高彥玉，周昆樂，楊惠永

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東廣興牧業機械設備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，人們的飲食結構正在快速變化，人們對健康、營養、環保的畜產品需求加大。近年來，羊肉因其鮮嫩味美、肥而不膩、低脂肪、高蛋白的顯著特點，受到廣大人民的喜愛，羊肉價格持續上漲，消費需求明顯增加，肉羊養殖業由小規模散養方式向大規模精細飼養方式轉型，智能化、集約化是養殖業發展的必然趨勢。

圖1 羊群分區示意圖

現代化的養殖方式需要配備高度自動化的養殖設備。在規模化羊場中，體重的測量是精細飼養的關鍵，羊群的分欄是科學管理的重要手段。在前期育肥階段，分欄有助于養殖場主針對不同群體制定喂料策略、飼養方案，提升羊只的生產率；在后期出欄階段，養殖場主可以根據體重的差異劃分出欄區或繼續育肥區，提高養殖效益，如圖1 所示。

隨著畜牧養殖產業的發展和高科技應用領域的擴大，自動稱重設備也應運而生，國內外許多研究學者都對此展開過研究，且獲得了一定的研究成果。20 世紀末期，美國首先嘗試將自動稱重系統引入養殖業，研制出一款動物自動稱重設備，隨后加拿大、新西蘭等國家也相繼研制出類似的畜牧稱重系統。Eliel González-García 的研究團隊開發了一套用于監測集約化牧場中綿羊的重量變化的自動化步行稱重系統（WoW），通過對WoW 系統記錄的體重值與用常規體重秤測量的靜態體重進行比較，評估了WoW系統記錄的單只每日體重值的準確性[1]，但未對羊群的分欄系統作進一步研究。而國內方面，智能稱重裝置的研究起步較晚，2015 年，我國與新西蘭科研機構才合作研制出國內首套羊只自動稱重裝置，其可以對羊只進行自動稱重，并將稱重數據上傳互聯網，解決了人工稱重效率低、記錄繁瑣的問題[2]。2016 年，楊建寧等設計了一套基于PLC和組態軟件的自動稱重分群系統，能夠對羊只進行身份信息讀取與稱重分群管理[3]。2017 年，劉斯達等利用單片機、射頻識別（RFID）、傳感器及串口通信等技術，設計了類似的稱重分群系統[4]。但國內外研制的稱重分欄設備多由稱重裝置和分欄裝置兩部分組成，存在多只羊同時進入稱重區，導致出現測量數據不準確，通常在使用前需將羊只驅趕在特定的引導通道內，這會對羊只造成一定的應激反應。本文在此基礎上，研制了一套低成本的自動稱重分欄設備，實現了羊群單只分離、有序地進行稱重分欄的目的。

1 總體設計及工作流程

自動稱重分欄設備適用于規模化舍飼羊場，主要在肉羊的銷售交易、精細飼養及生長發育評估等過程使用。本文研制的自動稱重分欄設備如圖2 所示，自動稱重分欄設備一端安裝在群養羊舍出入口，一端安裝在分揀區入口。設備主要由分離裝置、過渡區域、稱重裝置、分欄裝置組成。

圖2 自動稱重分欄設備

圖3 工作流程圖

自動稱重分欄設備的工作流程如圖3 所示。系統開始工作前，工作人員要對分欄參數進行設定，為了實現羊群快速分揀功能，本文設定一個重量參數將羊群分成兩個分揀區，系統將參數進行保存后，整個系統在自動工作模式下進行工作。入口分離裝置可以使相鄰羊只在行進過程中產生距離差，有序排隊地進入稱重區，并在前只羊離開分離裝置后立即實現鎖定，阻擋后一只羊繼續前進，保證稱重區內只存在一只羊。稱重裝置能夠各方位限制羊只的活動，使羊只盡可能處于靜態進行稱重，稱重傳感器將稱重信號反饋到控制器，控制器將測量的羊只重量與設定的分欄參數進行對比，確定羊只應進入的分揀區，并將對應的分欄通道開啟，羊只完全進入后關閉分欄通道，重新開啟入口分離裝置，等待下一只羊進入。

2 結構設計及控制系統設計

2.1 分離裝置

分離裝置的結構如圖4 所示，由入口通道、入口門、限高欄、鎖門模塊等組成，其中滑輪、繩索為牽引模塊，檔桿安裝座、檔桿為阻擋模塊。通道主體呈臥倒的L 字型，尺寸根據單只羊的體尺而定，通道上端的限高欄能夠防止羊攀爬、跳出通道。羊只從羊舍出口進入入口通道，在前進過程中羊頭頂起入口門，而入口門與通道前端的阻擋模塊是連動狀態，入口門抬起過程中會帶動擋桿升起，擋桿升起后能夠攔住后續羊只，從而使其停頓，與前只羊形成一定的距離差，且入口門抬起到一定位置將實現鎖定，后續羊只即使到達入口門處，也無法推開門繼續前進，只能停留在通道內繼續等待，這樣就有效防止了距離較近的羊只同時進入稱重區，實現了分離羊只的目的。

圖4 分離裝置

圖5 鎖門模塊

鎖門模塊如圖5 所示，當羊推門到感應位，行程接近開關1 感應入口門的位置狀態，發出電機啟動信號，電機帶動凸輪旋轉使滾軸沿著引導槽運動，而行程接近開關2感應滾軸的位置狀態，當滾軸運動到感應位，便發出電機停止信號，此時滾軸卡住偏心塊，入口門在復位后，不能被再次打開，當前一只羊完成稱重，并完全進入分揀區后，位于分欄裝置內的傳感器將發出開門信號，使滾軸遠離偏心塊，解除限位，后續羊只可再次頂開入口門，進入稱重區。

2.2 稱重裝置

稱重裝置是自動稱重分欄設備的關鍵部件，本文設計的稱重裝置如圖6 所示，主要由固定外框、稱重籠體、稱重傳感器、光電傳感器組成，稱重傳感器分別連接外框和籠體，安裝數目為2～4 個。稱重外框上安裝了光電傳感器用來檢測羊只位置，當傳感器檢測到羊頭時表明羊只完全進入稱重籠體，此時把信號傳入控制中心，開始讀取稱重數據。在體重測量時，靜止狀態要比運動狀態得到的數據更為準確，誤差更小，而查閱資料得出一般羊兩只腳之間的寬度大約在200mm 左右[5]，因此，稱重籠體設計為下窄上寬的結構，籠體各方位限制了羊只的活動，使其不能產生轉身、跳動等大幅度動作行為，提高了稱重測量精度。

圖6 稱重裝置

2.3 分欄裝置

分欄裝置常用的有兩門三通道和單門單通道兩種，兩門三通道是指將兩扇門平行放置，兩扇門的開關決定兩個通道的開閉，兩扇門之間也作為另一通道的一種結構形式，此種形式整體結構簡單，但不易增加通道數目。單門單通道是指一扇門決定一通道的結構形式，此種形式體積較大，但各通道間相互獨立，易于增加通道數目[6]。本文在單門單通道的基礎上設計了一種單門雙通道的結構形式，設計的關鍵在于可控開關門的結構設計，可控開關門不僅實現門的打開和關閉，同時還要防止羊夾傷及羊撞擊。常用的門機構多是機電結合的自動門，有單扇門、雙扇門、旋轉門等[7-8]。

本文設計的分欄裝置如圖7 所示，主要由旋轉門、電動推桿、防逆門、分欄通道、光電傳感器等組成。裝置設置左、右兩個分欄通道，羊只通過分欄通道進入相應的分揀區內，旋轉門為空心結構，設置在兩個通道中間，逆時針旋轉開啟左分欄通道，順時針旋轉開啟右分欄通道，如圖8所示。電動推桿的一端連接旋轉門，另一端固定在通道側壁上，電動推桿的伸縮提供門旋轉的驅動力。通道末端的防逆門只能單向開啟，可以防止羊只從分揀區回到分欄通道內。兩個分欄通道末端均安裝了光電傳感器用來檢測羊只位置，當傳感器檢測到羊頭時表明羊只完全進入分欄通道，此時關閉旋轉門，并開啟分離裝置的入口門，等待下一只羊進入。

圖7 分欄裝置

圖8 旋轉門運動狀態

2.4 控制系統設計

圖9 系統主控流程圖

本文的控制系統主要包括3 個功能：1）控制入口門的鎖定與開啟；2）讀取羊的體重數據并與分欄參數比較；3）顯示控制器運行狀態并控制執行機構動作。針對上述功能要求，本文選擇可編程控制器（PLC）系統，PLC 控制系統結構簡單，安裝維護方便，且擁有豐富的I/O 口，連線簡單，通過內部模塊就能完成A/D 與D/A 轉換等任務。本文的控制方案采用以PLC 為控制中心，通過觸摸屏編輯人機界面來實現動態顯示和設定功能，具有手動模式和自動模式兩種工作方式，系統主控流程和操作界面如圖9、10 所示。

圖10 操作界面

3 試驗與討論

3.1 靜態稱重試驗

稱重裝置靜態特性的好壞與羊只稱重時動態數據采集的準確度密切相關，相關文獻指出，綿羊出欄體重在40kg 左右，山羊出欄體重在25kg 左右[9]，因此，靜態稱重試驗主要測試稱重裝置在承受25kg～100kg 范圍重量時的稱量準確度。試驗時選擇標準重量為25kg 的鑄鐵鎖型砝碼作為測試對象，通過向稱重裝置內逐漸增加砝碼的方式，分別測試了承受25kg、50kg、75kg 和100kg 標準重量時的稱顯重量，實驗重復進行3 次，測量結果如表1 所示，稱顯重量與標準重量的誤差在0.5kg 左右，能滿足裝置的使用要求。

表1 靜態特性測試

3.2 動態稱重試驗

動態稱重試驗在自搭的試驗場地內進行，試驗對象為市場上買入的兩只新疆山羊，圖11 為試驗羊只，試驗前對兩只山羊進行為期1 周的訓練，使其多次穿梭整個稱重分欄設備，逐步適應設備的各個裝置。圖12 為現場試驗時羊只在設備內的行進軌跡，可以看出，設備運行效果良好，訓練后的羊只能夠順利通過分離裝置進入稱重裝置進行稱重，分欄裝置的旋轉門在羊只稱重后能夠快速開啟，羊只可以快速通過分欄通道進入相應的分揀區內。

稱重分欄試驗前，用電子秤對羊只稱重，體重分別為55.8kg、44.6kg，作為實際重量參考，試驗時設定分欄參數為50kg，羊只重量大于50kg，左分欄通道打開，小于50kg，右分欄通道打開，每只山羊分別重復5 次進行分欄試驗，試驗結果如表2 所示，通過將稱顯重量與實際重量進行比較，得出稱重分欄設備對羊只體重的測量存在一定誤差，平均相對誤差在1% 左右，誤差范圍略高于靜態稱重時的誤差范圍，主要原因是羊只稱重時非完全絕對靜止狀態，羊只的活動會對稱重傳感器的信號穩定性產生一定的影響，從而產生一定的測量誤差，但誤差范圍能滿足養殖過程中對羊群進行快速分區的基本要求。

圖11 試驗羊只

圖12 試驗時羊只的行進軌跡

表2 稱重分欄試驗

4 結論

本文設計的自動稱重分欄設備實現了規模化、自動化養殖過程中對羊只的自動稱重和快速分揀。與人工稱重方式相比，自動化程度更高，避免了人畜直接接觸，減少了羊只的應激反應，稱重精度雖有所降低，但在可接受范圍內，能夠滿足精細化舍飼養殖和銷售的基本使用要求，具有一定的推廣價值，對提高養殖效益及實現福利化養殖有重要意義。