Agrartechnik II Innenwirtschaft

Transkript

1 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Agrartechnik II Innenwirtschaft Robert Kaufmann ETH-Zürich, Frühlingssemester 2017

2 Stoffprogramm Innenwirtschaft 1. Modul: Futterkonservierung - Heubelüftung 2. Modul: Silagetechnik 3. Modul: Ein-/Auslagerungs- und Futtervorlagetechnik 4. Modul: Elektronik im Stall (Digitale Landwirtschaft, Smart Farming, Farming 4.0) 5. Modul: Hofdüngertechnik/Emissionen (S. Schrade) 2

3 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Modul 4: Elektronik im Stall (Digitale Landwirtschaft, Smart Farming, Farming 4.0, Precision Livestock Farming PLF) Robert Kaufmann ETH-Zürich, Frühlingssemester 2017

4 Smart Farming 4

5 Smart Farming Digital Farming: Precision Farming Smart Farming Farming 4.0 Precision Livestock Farming 5

6 Smart Farming or Precision Farming? 6

7 Smart Farming or Precision Farming? 7

8 GRUNDLAGEN Agrartechnische Systeme, Definitionen Mechanisierung - Steigerung der Produktivität ist die Anwendung von Arbeitsmitteln (Werkzeug) zur Steigerung der Produktivität und Qualität Automatisierung/Automation - Reduzierung Arbeitskosten ist die mit Hilfe von Maschinen realisierte Übertragung von Arbeit vom Menschen auf Automaten Roboter und autonome Maschinen (Autonomik) - Künstliche Helfer sind komplexe, intelligente und flexible Systeme Quelle: Hans W. Griepentrog / Hinweis: alle Präsentationen der Agroscope-Tagung Nachhaltigkeitstagung Smart Farming und Nachhaltigkeit: Chancen und Herausforderungen Januar

9 Grundlagen - Prozessparameter Quelle: Hans W. Griepentrog /

10 Precision Livestock Farming PLF Management of livestock farming using the principle and technology of process engineering Früher Mensch kümmerte sich um das Tier als Individuum: Enge Mensch-Tier-Beziehung Heute Tier muss sich in der Gruppe an das technisch-bauliche Umfeld anpassen Technik bestimmt die Abläufe Zukunft mit PLF Mensch wird durch Technik in der individuellen Betreuung des Einzeltieres unterstützt Tier steht im Mittelpunkt Leistung im Einklang mit Tierwohl, Umwelt und Produktqualität 11

11 Gründe zunehmender Bedeutung der Elektronik beim Herdenmanagement Wachsende Bestandsgrössen Wirtschaftliche Zwänge Anforderungen Herdenmanagement Informationsbedarf Datenflut Steigende Milchleistungen Unterstützung: - Herdenmanagement - Datengewinnung - Datenaufzeichnung - Datenverarbeitung - Datenauswertung - Datensicherung Aufzeichnungspflichten Quelle: Ch. Moriz, 2003, BTU Vechta 12

12 Kontakt zum Tier Elektronische Tieridentifikation EID Halsbandtransponder an Kühen 13

13 EID Funktionsprinzip RFID = Radio Frequency IDentification = Funkidentifikation Transponder im/am Tier elektromagnetisches Feld Ausleseeinheit (stationär/mobil) Elektronik (IC) integrierte Antenne externe Antenne Elektronik Energie Kontroll- Einheit Schnittstelle zum Management-PC externe Stromversorgung RF- Modul Spannungs- Versorgung codierte Transpondernummer Quelle: Klindtworth,

14 EID Elektronische Ohrmarken Quelle: Klindtworth,

15 EID Injizierbare Transponder Transponder wird in Glas eingegossen Transponder wird mit Hohlnadel injiziert Lage: unter dem Schildknorpel hinter dem Ohr Quelle: Dr. M. Klindtworth 16

16 EID Injektate Quelle: Klindtworth,

17 EID Bolus Eine Hülle aus Keramik enthält den Transponder 2 Bolus wird mit einer Sonde eingegeben 3 Lage des Bolus: tiefster Teil des Netzmagens Quelle: Dr. M. Klindtworth 18

18 EID Lesegeräte industriell Quelle: Klindtworth,

19 Klassifizierung der RFID-Systeme Low Frequency LF: Einzeltierlesen bei naher Distanz Zwei Datenstrom-Betriebsarten: Full duplex system (FDX): Senden und Lesen gleichzeitig. Daten können in beide Richtungen gleichzeitig übertragen werden. Half duplex system (HDX): Senden und Lesen seriell. Daten können abwechselnd, aber nicht gleichzeitig, in beide Richtungen fließen. Ultra High Frequency UHF: Gruppenlesen, weite Distanz Aktive, passive, semi-aktive Transponder 20

20 Beispiele automatischer Interaktion Tier Technik 21

21 EID Durchlauferkennung Melkstand Durchlauferkennung im Autotandem-Melkstand Quelle: Agroscope INH Tänikon 22

22 EID Einzelplatzerkennung Melkstand Kombinierte Einzelplatzerkennung und Aktivitätsmessung durch Fuss-RESCOUNTER Quelle: Westfalia GEA 23

23 Kraftfutterstation Kraftfutterstation für je zwei verschiedene Ergänzungsfutter Im Laufhof aufgestellt und für alle laktierenden Kühe erreichbar 24

24 Kälber Tränkeautomat Möglichkeiten zur Einzeltierfütterung Identifikation der Kälber mit Ohrmarken oder Halsbändern Vielfältige Möglichkeiten für Futterpläne (Gleitzeit- oder Intervallfütterungsprogramm), Rezepte, Tierkontrollen (z.b. Themperaturfühler am Tränkenuggi) Dokumentation und Auswertung via PC Quelle: Förster 25

25 Kälber Wasserverbrauchskontrolle Bessere Gesundheitskontrolle Automatisierte Erfassung der tierindividuellen Wasseraufnahme Schneller Rückschluss auf Gesundheitsstörungen Quelle: Förster 26

26 Von automatischer Interaktion Tier Technik. zum umfassenden Monitoringsystem 27

27 «RumiWatch» Monitoringsystem: Entwicklung Agroscope mit Itin&Hoch Automatische Erfassung: Wiederkauen und Futteraufnahme Quelle: Dissertation Niels Zehner Quelle:

28 «RumiWatch» Monitoringsystem Datenlogger Druckschlauch Batterie Drucksensor Kausensor RumiWatch Aufbau Nasenbandsensor, Einsatz am Tier 29

29 RumiWatch Gesundheitsüberwachung Fressen, Wiederkauen, Trinken Kuh mit Gesundheitsüberwachung RumiWatchSystem: Kausensor und Pedometer Bewegung 30

30 «RumiWatch» Monitoringsystem Auswertungssoftware Darstellung der Messdaten Nasenbandsensor Wiederkauen, Fressen, Trinken Pedometer Gehen, Stehen, Liegen 31

31 Druck [mbar] Druck [mbar] Klassifikation der Drucksignale Wiederkauen Abschlucken und Rejektion eines Bolus Zeit [10-1 s] Fressen Grundfutter Zeit [10-1 s] 32

32 Validierungsmethode Direktbeobachtung Wiederkauen und Fressen Erfassung der Kauschläge mit Tablet-PC 33

33 Ausblick: Alarmsystem Alarmsystem nach einem Ampelprinzip 34

34 App & Cloud für RumiWatch 35

35 EquiWatch Gesundheitsüberwachung What next? LupoWATCH?? 36

36 Weitere Beispiele für Monitoringsysteme Mastitis-Früherkennung: Leitfähigkeit Zellzahlmessung Bestimmung von Brunst, Scheinbrunst, Follikelzysten, Eisprung, Trächtigkeit: Analyse Progesteron in Milch Bestimmung Besamungszeitpunkt: Messung Aktivität Verhaltensbasierter Monitoringlösungen: CowView, GEA Herd Navigator, Delaval SmartBow Siehe Tagungspräsentation NH-Tagung CattleData - 37

37 Trend: Nichtinvasive Messmethoden (1) optiscan Die Schweinewaage in einer Hand (Gold Eurotier 2012) 38

38 Trend: Nichtinvasive Messmethoden (2) opticow 3D-Vermessung von Milchkühen, Ermittlung des Body Condition Scores (BCS Wert) (Gold Eurotier 2012) 39

39 Von automatischer Interaktion Tier Technik. zum umfassenden Monitoringsystem 40

40 bis hin zu selbststeuernden kybernetischen Systemen Kybernetik: kommt vom griechischen Wort Steuermann (Norbert Wiener) Zentral ist der Feedback Mechanismus Kybernetische Systeme sind operationell geschlossenen Systeme Quelle: lexikon/neurowissenschaft Quelle: Roland Klinger "Steuermann halt Wacht" 2000) 41

41 Automatisierung mit kybernetischem Systemansatz - Virtual Fencing oder mühsames Einzäunen? Foto: Paddy Halton Tier wird per GPS geortet und erhält zur Lenkung akustische und andere Reize. Eine physische Barriere existiert nicht. Foto: Stefanie Beyer Aufwendige Infrastruktur zur Einzäunung von Kühen auf der Alp. 42

42 Virtueller Zaun Prototyp GPS Ortung an der Kuh Virtuelle Zaunlinie (elektrisches Stimulus wird ausgelöst) Warnlinie (Warnsignal wird ausgelöst) -2 m 1.) wenn Warnline überquert wird, wird Warnsignal ausgelöst 2.) wenn virtuelle Zaunlinie überquert wird, wird elektrischer Stimulus ausgelöst 3.) wenn Kuh einfach weiter läuft, schaltet sich das System ab und Landwirt wird alarmiert Virtual Paddock Exclusion Zone 0 m 43

43 Vorteile Arbeitsreduktion Reduktion der Zaunkosten Flexibilität der Zäune Wildtiere werden nicht gestört Schwer zugängliche Weiden können eingezäunt werden Reduktion von Verletzungen durch Zäune für landw. Nutztiere Sicht wird nicht gestört in Nationalparks VZ kann in Notfällen schnell ausgeschaltet werden (Überflutung) Zusätzliche Sensortechnik, z.b. für Früherkennung Tiere können aus der Entfernung zusammengetrieben werden (weniger Arbeitskräfte; verbessertes Tierwohl durch langsamere Geschwindigkeit des Zusammentreibens) 44

44 Kybernetisches Weidesystem Virtueller Zaun GrassHopper Photo: Paddy Halton 45

45 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Modul 4: Elektronik im Stall Melktechnik

46 Wechselbeziehung zwischen Tier, (Mensch) und Melkmaschine anatomisch physiol. Regulation Kuh Milchabgabe Melkroutine (Mensch, Roboter) Melkmaschine Vakuum Pulsation etc. Milchentzug Milchfluss 47

47 Link zu Smart Farming Tierhaltung: Definitionen nach DeLaval Unsere Strategie Smart Farming möchte die Zukunft der heutigen Milchwirtschaft beeinflussen und gestalten. Ihr Ziel besteht darin, den Übergang vom reinen Melkmanagement zum gesamtbetrieblichen Rentabilitätsmanagement durch die Nutzung neuer Entscheidungshilfen und Automatisierungstechnologien zu beschleunigen, um eine bessere Milchqualität und höhere Gewinne zu erzielen. Für DeLaval geht es beim Smart Farming darum, den heutigen Milchproduzenten Entscheidungshilfen und Automatisierungstechnologien zur Verfügung zu stellen, die für eine nahtlose Integration von Produkten, Dienstleistungen und Kenntnissen sorgen, um bessere Milchqualität, besseres Herdenmanagement, höhere Produktivität und höhere Gewinne zu erzielen. 48

48 Grundlagen der Milcherzeugung Melken Maschinenmelken Vakuum Quelle: Westfalia, Werksunterlagen (1990) 49

49 Aufbau einer Melkanlage png Schema Rohrmelkanlage: Technische Anforderungen, vgl. DIN / ISO

50 Melkzeug Quelle: Delaval 51

51 Standardmelkzeug mit Zwei-Raum-Zitzenbecher jpg 52

52 Pulszyklus mit Phasen (nach DIN 11845) Saugphase Entlastungsphase (Massage) png 77/455 Mindestvakuum erforderlich, damit Melkzeuge immer haften bleiben Phase b mind. 30 % Phase d länger als 150 ms (15 %) Pulsverhältnis Saugphase:Entlastungsphase (z. B. 65:35) 53

53 Melkverfahren 54

54 Melken im Anbindestall tägliches Kniebeugen 55

55 Fischgrätenmelkstand (FGM 2x6) Quelle: ALB Bayern 56

56 Melken im Laufstall: Fischgrätenmelkstand (FGM) Vorteile: Ausgereifte Bauform (Standard) Grosse Variationsbreite Gute Melkleistung Gute Übersicht Nachteile: Langsamste Kuh bestimmt Gruppenwechsel Schnellauslass nur mit hohem Aufwand realisierbar 57

57 Side by Side-Melkstand (SbS) 58

58 Side by Side-Melkstand 59

59 Side by Side-Melkstand Vorteile: Kurze Wege Gute Melkleistung Geringes Verletzungsrisiko für den Melker Schnellauslass einfach zu integrieren Nachteile: Langsamste Kuh bestimmt Gruppenwechsel Schlechte Übersicht über Kühe Schlechte Kontrolle der Vorderviertel Melker und ME sind stärker der Verschmutzung durch Kot und Harn ausgesetzt 60

60 Tandem- und Autotandemmelkstand (TD, ATD) 61

61 Tandem- und Autotandemmelkstand (TD, ATD) Quelle: ALB Bayern 62

62 Tandem- und Autotandemmelkstand Vorteile: Hohe Melkleistung Beste Übersicht über Kuh und Euter Gleichmässiger stressfreier Arbeitsablauf Nachteile: Hoher Raumbedarf Grosse Euterabstände Lange Arbeitswege 63

63 Melkkarussell (1) 64

64 Melkkarussell (2) Vorteile: Hohe Melkleistung Gute Überwachung des Melkprozesses Gute Übersicht über Kuh und Euter Einsatzmöglichkeiten von technischen Hilfsmitteln Nachteile: Hoher Raumbedarf Hohe Investitionen Langsamste Kuh bestimmt die Umlaufgeschwindigkeit Verschleiss, Reparaturen 65

65 Melkkarussell (3) Quelle: DeLaval 66

66 Automatisierung des Melkens 67

67 AMS-Melkroboter Quelle: ART, Produkt Lely Astronaut 68

68 AMS-Melkroboter Vorteile: Geringer Raumbedarf Sehr hohe Melkleistung (pro Tag) Kuh wählt sich ihre Melkzeiten aus Entlastung des Tierbetreuers von festen Melkzeiten Nachteile: Sehr hohe Anforderungen an Tierbetreuer Manager und an eingesetzte Verfahrenstechnik Vermehrter Stress für den Tierbetreuer durch stetige Unsicherheit Feuerwehrmanneffekt 69

69 VMS Melkstand Fütterungseinheit Tandembox Elektronik Pneumatik Melkeinheit Zitzenbecher magazin Bedienfeld Multifunktionsarm 70

70 GEA DairyProQ: GEA Melkplatz-Modul Intelligentes, selbständig agierendes Melkplatz-Modul für vorhandene Melkstände zum voll- oder semi-automatischen Melken von Kühen. Goldmedaille Eurotier

71 AMS und angepasstes Stallsystem 72

72 AMS: Zuordnung im Detail 73

73 Freier Kuhverkehr 74

74 Gelenkter Kuhverkehr 75

75 FeedFirst Quelle: DeLaval 76

76 Melkroboterbetriebe weltweit Verteilung (n = ca ) 77

77 Welche Herdengrösse für den Familienbetrieb? 78

78 Arbeitszeitbedarf je Kuh und Jahr [AKh] Arbeitszeitbedarf Milchviehhaltung Mischbetrieb CH - Durchschnitt Betriebsführung/Sonderarbeiten Misten/Einstreuen Füttern 120 Melken Milchleistung: 5470 kg Arbeitsproduktivität: AP: 36 kg Milchleistung: 5718 kg AP: 42 kg Milchleistung: 6851 kg AP: 73 kg Milchleistung: 7100 kg AP: 87 kg Milchleistung: 7300 kg AP: 105 kg Milchleistung: 7500 kg AP: 114 kg Jahr 97 % Anbindestall 3 % Laufstall 82 % Anbindestall 18 % Laufstall 58 % Anbindestall 42 % Laufstall 45 % Anbindestall 55 % Laufstall 39 % Anbindestall 61 % Laufstall 33 % Anbindestall 67 % Laufstall Aktuell: 1 GVE = SAK = AKh Quelle: BLW, Agrarbericht

79 Arbeitszeitbedarf je Kuh und Jahr [AKh] Gesamtzeitbedarf je Kuh und Jahr / Tagessumme je Bestand und Jahr Melken Misten/Einstreuen Management u. Sonderarbeiten Füttern Kälberbetreuung Aussenwirtschaft Anzahl Kühe [n] Quelle: Schick,

80 Einfluss Automatisation auf Wirtschaftlichkeit des Technikeinsatzes AMS Autotandem 81

81 Effekt Automatisierung und Herdengrösse auf die Wirtschaftlichkeit Arbeitsverwertung (Fr./AKh) in Abhängigkeit der Herdengrösse mit oder ohne AMS Quelle: Gazzarin Agroscope Tänikon,

82 Arbeitszeitbedarf je Betrieb und Jahr [AKh] Wachstum des Familienbetriebs? Gesamtzeitbedarf je Betrieb und Jahr in Familien-AK 3 AK 2 AK 1,5 AK 1 AK 1 AK = 2800 AKh Quelle: Schick,

83 Amerikanische Dimensionen? 84

84 Landwirtschaft und Siedlungsraum Betriebsstandorte 85

85 Mindestabstände Geruch: Hüllkurven Vorher: 30 Milchkühe Anbindestall 34 x 14 m Nachher: 80 Milchkühe Laufstall mit Laufhof 53 x 30 m Landwirtschaftszone Wohnzone Landwirtschaftszone Wohnzone 86

86 Bauen und Landschaft Ist 15 GVE 87

87 Bauen und Landschaft Soll 80 GVE? 88

88 Praktikable Konzepte für die Schweizer Milchproduktion Traditioneller Familienbetrieb: 30 bis 40 Kühe Familienbetrieb mit Spezialisierung Tierhaltung und Outsourcing Aussenwirtschaft: 50 bis 70 Kühe Erweiterter Familienbetrieb mit Angestellten: 70 bis 150 Kühe Stallkooperation: 120 bis 200 Kühe 89

89 90