规模舍饲羊场中自动称重分栏设备的设计与试验*

罗土玉，豆 姣，高彦玉，周昆乐，杨惠永

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东广兴牧业机械设备有限公司，广东 广州 510520）

0 引言

随着中国经济的快速发展，人们的饮食结构正在快速变化，人们对健康、营养、环保的畜产品需求加大。近年来，羊肉因其鲜嫩味美、肥而不腻、低脂肪、高蛋白的显著特点，受到广大人民的喜爱，羊肉价格持续上涨，消费需求明显增加，肉羊养殖业由小规模散养方式向大规模精细饲养方式转型，智能化、集约化是养殖业发展的必然趋势。

图1 羊群分区示意图

现代化的养殖方式需要配备高度自动化的养殖设备。在规模化羊场中，体重的测量是精细饲养的关键，羊群的分栏是科学管理的重要手段。在前期育肥阶段，分栏有助于养殖场主针对不同群体制定喂料策略、饲养方案，提升羊只的生产率；在后期出栏阶段，养殖场主可以根据体重的差异划分出栏区或继续育肥区，提高养殖效益，如图1 所示。

随着畜牧养殖产业的发展和高科技应用领域的扩大，自动称重设备也应运而生，国内外许多研究学者都对此展开过研究，且获得了一定的研究成果。20 世纪末期，美国首先尝试将自动称重系统引入养殖业，研制出一款动物自动称重设备，随后加拿大、新西兰等国家也相继研制出类似的畜牧称重系统。Eliel González-García 的研究团队开发了一套用于监测集约化牧场中绵羊的重量变化的自动化步行称重系统（WoW），通过对WoW 系统记录的体重值与用常规体重秤测量的静态体重进行比较，评估了WoW系统记录的单只每日体重值的准确性[1]，但未对羊群的分栏系统作进一步研究。而国内方面，智能称重装置的研究起步较晚，2015 年，我国与新西兰科研机构才合作研制出国内首套羊只自动称重装置，其可以对羊只进行自动称重，并将称重数据上传互联网，解决了人工称重效率低、记录繁琐的问题[2]。2016 年，杨建宁等设计了一套基于PLC和组态软件的自动称重分群系统，能够对羊只进行身份信息读取与称重分群管理[3]。2017 年，刘斯达等利用单片机、射频识别（RFID）、传感器及串口通信等技术，设计了类似的称重分群系统[4]。但国内外研制的称重分栏设备多由称重装置和分栏装置两部分组成，存在多只羊同时进入称重区，导致出现测量数据不准确，通常在使用前需将羊只驱赶在特定的引导通道内，这会对羊只造成一定的应激反应。本文在此基础上，研制了一套低成本的自动称重分栏设备，实现了羊群单只分离、有序地进行称重分栏的目的。

1 总体设计及工作流程

自动称重分栏设备适用于规模化舍饲羊场，主要在肉羊的销售交易、精细饲养及生长发育评估等过程使用。本文研制的自动称重分栏设备如图2 所示，自动称重分栏设备一端安装在群养羊舍出入口，一端安装在分拣区入口。设备主要由分离装置、过渡区域、称重装置、分栏装置组成。

图2 自动称重分栏设备

图3 工作流程图

自动称重分栏设备的工作流程如图3 所示。系统开始工作前，工作人员要对分栏参数进行设定，为了实现羊群快速分拣功能，本文设定一个重量参数将羊群分成两个分拣区，系统将参数进行保存后，整个系统在自动工作模式下进行工作。入口分离装置可以使相邻羊只在行进过程中产生距离差，有序排队地进入称重区，并在前只羊离开分离装置后立即实现锁定，阻挡后一只羊继续前进，保证称重区内只存在一只羊。称重装置能够各方位限制羊只的活动，使羊只尽可能处于静态进行称重，称重传感器将称重信号反馈到控制器，控制器将测量的羊只重量与设定的分栏参数进行对比，确定羊只应进入的分拣区，并将对应的分栏通道开启，羊只完全进入后关闭分栏通道，重新开启入口分离装置，等待下一只羊进入。

2 结构设计及控制系统设计

2.1 分离装置

分离装置的结构如图4 所示，由入口通道、入口门、限高栏、锁门模块等组成，其中滑轮、绳索为牵引模块，档杆安装座、档杆为阻挡模块。通道主体呈卧倒的L 字型，尺寸根据单只羊的体尺而定，通道上端的限高栏能够防止羊攀爬、跳出通道。羊只从羊舍出口进入入口通道，在前进过程中羊头顶起入口门，而入口门与通道前端的阻挡模块是连动状态，入口门抬起过程中会带动挡杆升起，挡杆升起后能够拦住后续羊只，从而使其停顿，与前只羊形成一定的距离差，且入口门抬起到一定位置将实现锁定，后续羊只即使到达入口门处，也无法推开门继续前进，只能停留在通道内继续等待，这样就有效防止了距离较近的羊只同时进入称重区，实现了分离羊只的目的。

图4 分离装置

图5 锁门模块

锁门模块如图5 所示，当羊推门到感应位，行程接近开关1 感应入口门的位置状态，发出电机启动信号，电机带动凸轮旋转使滚轴沿着引导槽运动，而行程接近开关2感应滚轴的位置状态，当滚轴运动到感应位，便发出电机停止信号，此时滚轴卡住偏心块，入口门在复位后，不能被再次打开，当前一只羊完成称重，并完全进入分拣区后，位于分栏装置内的传感器将发出开门信号，使滚轴远离偏心块，解除限位，后续羊只可再次顶开入口门，进入称重区。

2.2 称重装置

称重装置是自动称重分栏设备的关键部件，本文设计的称重装置如图6 所示，主要由固定外框、称重笼体、称重传感器、光电传感器组成，称重传感器分别连接外框和笼体，安装数目为2～4 个。称重外框上安装了光电传感器用来检测羊只位置，当传感器检测到羊头时表明羊只完全进入称重笼体，此时把信号传入控制中心，开始读取称重数据。在体重测量时，静止状态要比运动状态得到的数据更为准确，误差更小，而查阅资料得出一般羊两只脚之间的宽度大约在200mm 左右[5]，因此，称重笼体设计为下窄上宽的结构，笼体各方位限制了羊只的活动，使其不能产生转身、跳动等大幅度动作行为，提高了称重测量精度。

图6 称重装置

2.3 分栏装置

分栏装置常用的有两门三通道和单门单通道两种，两门三通道是指将两扇门平行放置，两扇门的开关决定两个通道的开闭，两扇门之间也作为另一通道的一种结构形式，此种形式整体结构简单，但不易增加通道数目。单门单通道是指一扇门决定一通道的结构形式，此种形式体积较大，但各通道间相互独立，易于增加通道数目[6]。本文在单门单通道的基础上设计了一种单门双通道的结构形式，设计的关键在于可控开关门的结构设计，可控开关门不仅实现门的打开和关闭，同时还要防止羊夹伤及羊撞击。常用的门机构多是机电结合的自动门，有单扇门、双扇门、旋转门等[7-8]。

本文设计的分栏装置如图7 所示，主要由旋转门、电动推杆、防逆门、分栏通道、光电传感器等组成。装置设置左、右两个分栏通道，羊只通过分栏通道进入相应的分拣区内，旋转门为空心结构，设置在两个通道中间，逆时针旋转开启左分栏通道，顺时针旋转开启右分栏通道，如图8所示。电动推杆的一端连接旋转门，另一端固定在通道侧壁上，电动推杆的伸缩提供门旋转的驱动力。通道末端的防逆门只能单向开启，可以防止羊只从分拣区回到分栏通道内。两个分栏通道末端均安装了光电传感器用来检测羊只位置，当传感器检测到羊头时表明羊只完全进入分栏通道，此时关闭旋转门，并开启分离装置的入口门，等待下一只羊进入。

图7 分栏装置

图8 旋转门运动状态

2.4 控制系统设计

图9 系统主控流程图

本文的控制系统主要包括3 个功能：1）控制入口门的锁定与开启；2）读取羊的体重数据并与分栏参数比较；3）显示控制器运行状态并控制执行机构动作。针对上述功能要求，本文选择可编程控制器（PLC）系统，PLC 控制系统结构简单，安装维护方便，且拥有丰富的I/O 口，连线简单，通过内部模块就能完成A/D 与D/A 转换等任务。本文的控制方案采用以PLC 为控制中心，通过触摸屏编辑人机界面来实现动态显示和设定功能，具有手动模式和自动模式两种工作方式，系统主控流程和操作界面如图9、10 所示。

图10 操作界面

3 试验与讨论

3.1 静态称重试验

称重装置静态特性的好坏与羊只称重时动态数据采集的准确度密切相关，相关文献指出，绵羊出栏体重在40kg 左右，山羊出栏体重在25kg 左右[9]，因此，静态称重试验主要测试称重装置在承受25kg～100kg 范围重量时的称量准确度。试验时选择标准重量为25kg 的铸铁锁型砝码作为测试对象，通过向称重装置内逐渐增加砝码的方式，分别测试了承受25kg、50kg、75kg 和100kg 标准重量时的称显重量，实验重复进行3 次，测量结果如表1 所示，称显重量与标准重量的误差在0.5kg 左右，能满足装置的使用要求。

表1 静态特性测试

3.2 动态称重试验

动态称重试验在自搭的试验场地内进行，试验对象为市场上买入的两只新疆山羊，图11 为试验羊只，试验前对两只山羊进行为期1 周的训练，使其多次穿梭整个称重分栏设备，逐步适应设备的各个装置。图12 为现场试验时羊只在设备内的行进轨迹，可以看出，设备运行效果良好，训练后的羊只能够顺利通过分离装置进入称重装置进行称重，分栏装置的旋转门在羊只称重后能够快速开启，羊只可以快速通过分栏通道进入相应的分拣区内。

称重分栏试验前，用电子秤对羊只称重，体重分别为55.8kg、44.6kg，作为实际重量参考，试验时设定分栏参数为50kg，羊只重量大于50kg，左分栏通道打开，小于50kg，右分栏通道打开，每只山羊分别重复5 次进行分栏试验，试验结果如表2 所示，通过将称显重量与实际重量进行比较，得出称重分栏设备对羊只体重的测量存在一定误差，平均相对误差在1% 左右，误差范围略高于静态称重时的误差范围，主要原因是羊只称重时非完全绝对静止状态，羊只的活动会对称重传感器的信号稳定性产生一定的影响，从而产生一定的测量误差，但误差范围能满足养殖过程中对羊群进行快速分区的基本要求。

图11 试验羊只

图12 试验时羊只的行进轨迹

表2 称重分栏试验

4 结论

本文设计的自动称重分栏设备实现了规模化、自动化养殖过程中对羊只的自动称重和快速分拣。与人工称重方式相比，自动化程度更高，避免了人畜直接接触，减少了羊只的应激反应，称重精度虽有所降低，但在可接受范围内，能够满足精细化舍饲养殖和销售的基本使用要求，具有一定的推广价值，对提高养殖效益及实现福利化养殖有重要意义。