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畜牧人
標(biāo)題:
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的回顧與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
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hengtlZ
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2008-9-3 09:57
標(biāo)題:
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的回顧與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的回顧與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
Philips G. Lee (
原著
)
陳世欽
(
臺灣省水產(chǎn)試驗所
)
譯
-----------------------------------------------------------------------------
摘
要
緒
言
水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的回顧
自動化控制系統(tǒng)配備
控制系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來方向
結(jié)論
-----------------------------------------------------------------------------
摘要
美國農(nóng)業(yè)從密集式經(jīng)營到機械化作業(yè)，進而邁向自動化的發(fā)展過程，使其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量一直居于全球領(lǐng)先地位。同樣的過程也適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，因為水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動化將使養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益：
(1)
產(chǎn)地的生產(chǎn)量接近市場的需求量
; (2)
改善環(huán)境控制
; (3)
減少重大災(zāi)害造成的損失
; (4)
可降低排放水而減少環(huán)境的管理
; (5)
降低生產(chǎn)成本
; (6)
改善水產(chǎn)品的品質(zhì)。
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史很短，而現(xiàn)有大部份系統(tǒng)都是訂製的個人電腦控制系統(tǒng)。目前的趨勢乃是利用工業(yè)上所採用的程序控制系統(tǒng)，包括感測器
/
訊號轉(zhuǎn)換器、通訊多工器、啟動器
/
輸出裝置、電腦硬體及控制軟體。程序控制系統(tǒng)可以簡單到僅有一臺電腦，也可複雜到分散式的控制系統(tǒng)
(
即多重微電腦網(wǎng)路系統(tǒng)
)
。
自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)的選擇應(yīng)視實際價格與本身環(huán)境及廠商的支援能力而定。成功地設(shè)計一套實用而且可以接受的水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)，將會被養(yǎng)殖業(yè)廣泛採用，因為它不僅能強化水質(zhì)管理、降低人工監(jiān)測的成本，而且可人為減少養(yǎng)殖系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重挫敗的機會。
-----------------------------------------------------------------------------
緒
言
現(xiàn)代全球工業(yè)的成長與競爭力，可以說主要是建立在生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用程序控制技術(shù)
(process control technology)
的基礎(chǔ)上
(Rock and Guerin
，
1992)
。前者例如，一般人所知到的美國航太及電腦工業(yè)與日本的汽車及電子工業(yè)。其實，任何工業(yè)不論是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)或製造業(yè)，都應(yīng)好好的研究并學(xué)習(xí)這些先進工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)。美國農(nóng)業(yè)從密集式經(jīng)營
(intensification)
到機械化作業(yè)
(mechanization)
，進而邁向自動化
(automation)
的發(fā)展過程，使其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量一直居于全球領(lǐng)先地位。
自動化燒烤設(shè)備
(Campbel
，
1988; Allison et al.,1991)
、酪牛飼育及牧場設(shè)施
(Leonard and McQuitty
，
1982;Mottram and Street
，
1991)
、
種苗培育溫室
(Hopper
，
1988; Jones et al., 1990; Tillet1993)
、農(nóng)作物灌溉系統(tǒng)
(Rao et al.,1992)
等，均顯示了應(yīng)用程序控制系統(tǒng)的效益。
這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)代表著供應(yīng)市場日用品的管理型生物系統(tǒng)
(managed biological system)
，是一種高產(chǎn)量低利潤的產(chǎn)業(yè)，與集約養(yǎng)殖系統(tǒng)
(
池塘、海上箱網(wǎng)、養(yǎng)殖水槽
)
的情況非常類似。
水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用程序控制技術(shù)的主要理由是基于經(jīng)濟的考量，特別是在已開發(fā)國家。
1992
年全世界水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)量的產(chǎn)值為
26.5
億美元，但北美洲已開發(fā)國家僅佔
3.2 %
。美國是全世界第二大水產(chǎn)品進囗國
( 1990
年為
5.2
億美元，佔全球進口的
14.5% )
，為美國增加不少貿(mào)易赤字
(USDA
，
1991
，
1992)
。此外，美國水產(chǎn)品市場的潛力隨著國人消費魚類的增加而擴展。因此，美國國內(nèi)水產(chǎn)品消費市場的擴張與其本身有限的生產(chǎn)量，二者之間的矛盾存在已久。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受到經(jīng)濟沖擊的三個主要因素為
: (1)
氣候多變化
; (2)
人工成本高
; (3)
水源及陸地資源日漸萎縮加上態(tài)度不太友善的行政官僚。
這些因素促使美國及其他已開發(fā)國家開始使用集約再循環(huán)水過濾系統(tǒng)
(recirculating water filtration system)
或外海箱網(wǎng)養(yǎng)殖
(Fridly
，
1993; McCoy
，
1993)
。然而，從目前再循環(huán)過濾技術(shù)的成本效益來看，再循環(huán)系統(tǒng)僅能應(yīng)用于高經(jīng)濟價值的魚種。高效率而且自動化的過濾系統(tǒng)，應(yīng)同時減少對高品質(zhì)用水的需求以及含有污染物的排水量。若能設(shè)置遠距自動化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)及飼料管理系統(tǒng)，則海上箱網(wǎng)養(yǎng)殖仍然是有利可圖的。降低監(jiān)測環(huán)境狀況所需的人力、採用抗海浪的箱網(wǎng)，以及減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，都會影響外海箱網(wǎng)養(yǎng)殖技術(shù)的成本效益。
程序流程控制技術(shù)的應(yīng)用與水產(chǎn)養(yǎng)殖智慧型管理系統(tǒng)的需求，是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)永續(xù)經(jīng)營的重要課題。集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動化，將使水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益
: (1)
產(chǎn)地的生產(chǎn)量接近市場的需求量
; (2)
改善環(huán)境控制
; (3)
減少重大災(zāi)害造成的損失
; (4)
避免排放水所造成的環(huán)境管理問題
; (5)
降低生產(chǎn)成本
; (6)
改善水產(chǎn)品的品質(zhì)與一致性。
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水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的回顧
自動化控制系統(tǒng)一般可分為二大類。一類稱為訂製控制系統(tǒng)
( custom contro1 system )
，是一種小型依使用者需求而設(shè)計的資料獲取與控制系統(tǒng)
(DAC)
，專供試驗研究之用
。另一類稱為工業(yè)控制系統(tǒng)
(industrial control system)
，是一種大型商業(yè)化的監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng)
(SCADA)
或分散式控制系統(tǒng)
(DCS)
，提供商業(yè)化作業(yè)及政府大型研究計畫之用。
訂製控制系統(tǒng)
第一個訂製控制系統(tǒng)是以微電腦為主體的控制系統(tǒng)，係用來控制某一種海水魚產(chǎn)卵系統(tǒng)的環(huán)境狀況
(Schlieder
，
1984; Plaio
，
1987)
。
此系統(tǒng)隨時監(jiān)測并控制光周期
、
水溫、水位、壓縮空氣，系統(tǒng)的警報狀況可以經(jīng)由電話撥接方式通知現(xiàn)場或遠距的管理人員。許多對建立水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)有興趣的研究單位，已經(jīng)完成養(yǎng)殖池資料獲得系統(tǒng)的設(shè)計。這些系統(tǒng)都是由微電腦、輸出入裝置、資料記錄器及遠距控制模組所組成
(Ebeling and Piedrahita
，
1985; Piedrahita et al.,1987; Madenjian et al.,1988; Losordo et al., 1988;Ebeling and Losordo,1989; Green and Teichert-Coddington, 1991; Ebeling, 1991)
。系統(tǒng)彼此之間實際上測定及控制的變數(shù)不盡相同，但大部份系統(tǒng)都有監(jiān)測溶氧量、水溫、酸鹼度、氣溫、光照度、相對濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向，并控制馬達、安全閥及打氣機等設(shè)備。部份系統(tǒng)曾被用來收集池塘水質(zhì)資料
(
如溫度、溶氧
)
，并發(fā)展為池塘管理模式系統(tǒng)。
Rush
及
Malone (1989-1993)
曾設(shè)計一套整合型水產(chǎn)養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)，能自動提供藻類做為養(yǎng)殖貝類的餌料。這套控制系統(tǒng)包括一個微電腦、一組有
58
個輸出入通埠的資料獲取與控制裝置、一個遠距控制模組。它能監(jiān)測系統(tǒng)溫度、水位、導(dǎo)電度、藻類螢光度，并利用電子啟動器開閉安全閥、幫浦及不同速度的馬達，來控制養(yǎng)殖用水及氣體
(
氧、二氧化碳
)
的流量。另外，
Lyon (1993)
設(shè)計一個用來監(jiān)測虹鱒養(yǎng)殖場水中溶解氣體濃度的控制系統(tǒng)，其設(shè)備包括飽和器
(saturometer)
、溶氧探針、熱電偶
(thermocouple)
、壓力計
(barometer)
、可攜式資料記錄器等。這套系統(tǒng)精確地評估一組脫氣塔
(degassing column)
的功能，并且顯示作業(yè)中魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)溶氧的日變化及總氣體溶解量。
Munasinghe
等
(1993)
曾經(jīng)專為水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)計了一套程序控制軟體，用以監(jiān)測溶氧、酸鹼度及溫度，并利用啟動器開閉打氣機或氧氣供應(yīng)系統(tǒng)，達到控制溶氧的目的。系統(tǒng)中有一臺微電腦內(nèi)插一片類比數(shù)位轉(zhuǎn)換板
(analog-to-digital conversion)
，作為電腦與感測器之間的介面。軟體則是用來模擬一個再循環(huán)養(yǎng)殖水槽中溶氧的變化情形，唯其實際操作狀況并無報告發(fā)表。
餌料供給系統(tǒng)是訂製控制系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的另一個用途。
Hoy (1985)
為繁殖場設(shè)計一套利用微電腦估算與控制餌料供給的系統(tǒng)，它同時還可用以測定并控制水溫。應(yīng)用微電腦開發(fā)的餌料供給系統(tǒng)，則可做為不同飼料比及不同投餌率的控制試驗
(Ruohonen
，
1987)
。另一個自動化的餌料供應(yīng)系統(tǒng)，在龍蝦養(yǎng)殖試驗中不但可供應(yīng)餌料給每一個水槽，尚可記錄每一隻龍蝦的攝餌率
(Grimsen et al.,1987)
。這個系統(tǒng)包括微電腦軟硬體及電腦控制的氣動式投餌機
(air-actuated feeder)
。
Widmyer and Widmyer(1993)
設(shè)計一套生產(chǎn)規(guī)模的餌料供應(yīng)系統(tǒng)，有
30
個投餌機不停的傳送餌料給養(yǎng)殖的虹鱒
(Widmyer and Widmyer , 1993)
。它是利用中央數(shù)位式控制機來設(shè)定螺旋式飼料漏斗的馬達速度，達到控制餌料輸送率及投餌率的效果。此系統(tǒng)可增加微電腦介面以擴充其容量。
利用魚類的攝餌行為
(
攝餌率
)
進行攝食研究，可進一步用來預(yù)測環(huán)境對魚類造成的的壓迫
(stress)
，例如溫度的增減、溶氧降低或受到病毒感染等
(Anthouard and Wolf
，
1988)
。這個系統(tǒng)包括一臺微電腦連接一個訊號轉(zhuǎn)換器，能接收來自魚類自行飼喂單元
(self-feeder unit)
所發(fā)出的電子信號。另外有人發(fā)展一個簡單機電式運轉(zhuǎn)的感測器，用以監(jiān)測循環(huán)水系統(tǒng)中虹鱒的活動狀況
(Fabregas et al.,1993)
。感測器與微電腦記錄系統(tǒng)能同時偵測，魚類因攝餌行為而增加的活動力，以及因溶氧減少的壓迫而降低的活動力。這種行為監(jiān)控的技術(shù)在動物生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中，是研究人員所追求的重要研究領(lǐng)域。
利用上述訂製控制系統(tǒng)所做的研究，不論其成果有多先進，研究者對設(shè)計專家的依賴仍舊很深。一個控制系統(tǒng)會被放置不用，多半與系統(tǒng)單獨由一個人設(shè)計有關(guān)，而受僱操作者通常會另謀高就。如果沒有另外再僱人訓(xùn)練使用，系統(tǒng)就變成毫無用處，因為沒有人懂得解讀電腦程式碼，也沒有人會修理電子零件。
工業(yè)控制系統(tǒng)
大型專用的自動化控制系統(tǒng)在科技研究的文獻中較少被提及。雖然已有許多公司將控制系統(tǒng)賣給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)者，但安裝的系統(tǒng)規(guī)模都很小。很不幸的是有些廠商已經(jīng)不見了，或被迫將產(chǎn)品推廣到其他更有利的市場
(
如食品加工業(yè)及廢水處理
)
。這個現(xiàn)象顯然會倒轉(zhuǎn)過來，因為許多有養(yǎng)殖經(jīng)驗的廠商，正大力推廣監(jiān)測與控制產(chǎn)品到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的市場。繁殖場作業(yè)在某些方面的自動化是用
Alfa-Log
微電腦系統(tǒng)控制的
;
這種系統(tǒng)是用來監(jiān)測及控制養(yǎng)殖場的水溫與溶氧
(Sanno
，
1987)
。到目前為止僅有一個真正分散式控制系統(tǒng)
(DCS)
應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，而且還只是一個理論性的系統(tǒng)
(HanSen
，
1987)
。這個建議中的系統(tǒng)是由一個迷你電腦主機及控制軟體組成，并與監(jiān)測水流、水溫、能量消耗、水位、溶氧、酸鹼值、導(dǎo)電度、濁度、餌料及自行飼育器撞擊探針等
16
個控制單元形成網(wǎng)路連線。它還有可以控制的飼料機、幫浦
(
開關(guān)及改變速度
)
、壓縮空氣與熱壓縮機等設(shè)備。與上述訂製控制系統(tǒng)比較起來，整個養(yǎng)殖系統(tǒng)可說已經(jīng)完全自動化，而且系統(tǒng)設(shè)備
(
例如接近輸出入部份的分散式多重智慧型裝置
)
也有相當(dāng)程度的重複情形。
Padala and Zilber (1991)
利用專家系統(tǒng)
(expert system)
軟體建構(gòu)一套吳郭魚集約養(yǎng)殖雛型系統(tǒng)
(prototype)
。此一系統(tǒng)是以工業(yè)用可程式邏輯控制器
(PLC)
及監(jiān)視器
(monitors)
為基礎(chǔ)發(fā)展而成，可控制水質(zhì)及其流動。
Ebeling (1993)
提出一個控制系統(tǒng)的計畫，希望在澹水魚研究室建立一套可以監(jiān)測并控制許多小型循環(huán)水槽的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由邏輯控制器、商業(yè)化相容的軟體及電話撥接器組成。系統(tǒng)將控制養(yǎng)殖用水的溫度、溶氧與酸鹼值、個別水槽的水溫及水位、儲水槽的水位、注水管中的流水量、打氣管的氣屋及電源線等。使用邏輯控制器將提高最初的投資成本，但類似這樣的系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化確有其可行性。
Lee (1991
，
1993)
已採行工業(yè)化程序控制系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上。其系統(tǒng)包括微電腦系統(tǒng)
(SCADA)
執(zhí)行一套商業(yè)化的軟體、一個輸出入多工器
(multiplexer)
及許多感測器與計數(shù)器。水溫、鹽度、光周期、酸鹼值、溶氧、水流、水位等均在一個封閉式再循環(huán)海水的魚道
(raceway)
中被監(jiān)測與控制。系統(tǒng)之中還包括一個自動化脫氮生物反應(yīng)器
(de-nitrifying bioreactor)
控制海水中硝酸監(jiān)含量
(Lee
，
1991
，
1993; Whitson et al.,1993)
。自動化生物反應(yīng)器係由一個鋪上細(xì)菌床巾
(bacterial bed)
的管子、感測器組列、輸出入多工器、供應(yīng)碳的幫浦與貯存槽、可調(diào)流速幫浦以及一臺微電腦所組成
(Whitson et al.,1993)
。此一系統(tǒng)採用商業(yè)化程序控制套裝軟體控制，而且也已連續(xù)運作了三年。目前，這套系統(tǒng)正準(zhǔn)備升級為
DCS
系統(tǒng)，將可控制分散在三棟連筑內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖多重水槽系統(tǒng)。
-----------------------------------------------------------------------------
自動化控制系統(tǒng)配備
建立自動化控制系統(tǒng)所需的配備可分為六個部份：
(1)
感測器
(sensor)
或訊號轉(zhuǎn)換器
(transducer) ; (2)
計數(shù)器
(meter)
、
傳輸器
(transmitter)
、
信號調(diào)節(jié)器
(signal conditioner) ; (3)
輸出裝置
(output device) ; (4)
通訊設(shè)備或多工器
(multiplexer) ;(5)
電腦硬體
;
及
(6)
電腦軟體等
(Dray
，
l994)
。
感測器
選擇適當(dāng)?shù)母袦y器是設(shè)計自動控制系統(tǒng)最重要的一個步驟。感測器的目的是將環(huán)境變數(shù)量化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)輸出，通常感測器處于最壞的環(huán)境下
(
如沒入水中
)
，接受最嚴(yán)厲的考驗
(Gray
，
1989)
。因此，感測器的選擇不僅應(yīng)考慮其性能，還要注意其耐久性。非金屬的感測器如玻璃或塑膠製品比金屬製探針持久。自動化系統(tǒng)會發(fā)生錯誤警報，最常見的問題是控制的范圍設(shè)定太嚴(yán)，第二個原因則是感測器失效。所以感測器必需定期更換，因此感測器的更新與定期校正維修的人力構(gòu)成系統(tǒng)維護的主要費用。
對每一個系統(tǒng)來說，感測器的型式及安放位置都是特定的，例如在養(yǎng)殖鱒魚的寒冷澹水中與在養(yǎng)殖蝦類的溫暖海水中，所要測定的環(huán)境變數(shù)不會一樣。因此，感測器必須是特定而且相容的種類，將來才能選擇不同廠牌的感測器與現(xiàn)有的計數(shù)器及傳輸器搭配使用。
計數(shù)器
一旦感測器選擇以后，特定型式的計數(shù)器或傳輸器就很容易決定。計數(shù)器包含將感測器的電子信號轉(zhuǎn)換成數(shù)位顯示所需的各種電子零組件，也應(yīng)包括一些與其成比例輸出的信號如電壓或電流，而且可以被送到控制系統(tǒng)。傳輸器則僅提供輸出信號用并不貝顯示功能。只有在訊息需要當(dāng)場顯示的時候計數(shù)器才有必要
;
在大部份情況下選擇一個傳輸器可以節(jié)省費用。所有電子零件、線路及電話線都應(yīng)以防蝕箱或?qū)Ч鼙Ｗo
(
最好是
PVC
或玻璃纖維製品
)
，而且要符合
NEMA 4 (
美國國家電子製造協(xié)會
)
的標(biāo)準(zhǔn)。這些額外保護箱的成本將可因電子零件壽命延長而得到補償。在
1993
年，水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備已併入國家電子碼
(NEC)
的標(biāo)準(zhǔn)，今后所有新的系統(tǒng)都必需堅守這些規(guī)范。
輸出裝置
/
啟動器
水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的輸出裝置在性能上與感測器有許多共同的標(biāo)準(zhǔn)，因為二者同樣都處于不良的環(huán)境下。啟動器與可移動的設(shè)備
(
如幫浦、安全閥、開關(guān)
)
在一起，是另一個缺點。因為如果幫浦、安全閥經(jīng)常關(guān)閉或長久不動，很容會易因腐蝕而動彈不得。重複的設(shè)備是解決的方法之一。實際上要確定幫浦是運轉(zhuǎn)或停止、安全閥是開或閉的方法，是在下游處多安置一個較便直的水流感測器開關(guān)。設(shè)備封閉是非常重要的，而且應(yīng)該使用塑膠安全閥、封閉的幫浦、完全密封并用風(fēng)扇冷卻
(TEFC)
的馬達。
通訊設(shè)備
絕大部份的養(yǎng)殖業(yè)者因為每天使用感測器、計數(shù)器、安全閥及幫浦，對這些設(shè)備的操作都相當(dāng)熟悉。他們唯一對自動化系統(tǒng)感到厭煩的，就是不瞭解通訊設(shè)備如多工器、數(shù)位通訊開關(guān)、可程式控制器、智慧型數(shù)位通訊及邏輯裝置、資料記錄器、獨立的資料獲取及控制裝置等。設(shè)備是否需要重複安裝是首先須要考慮的問題，決定選擇分散式控制系統(tǒng)
(DCS)
或監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集
(SCADA)
，將會影響系統(tǒng)的安裝與作業(yè)成本。其中有二個與輸出入相關(guān)的技術(shù)則影響目前或未來系統(tǒng)的架構(gòu)：
(1)
網(wǎng)路系統(tǒng)的輸出入成本顯著降低
; (2)
更高智慧型的輸出入裝置
(Cleaveland
，
1993 )
。而程序控制工程師對于控制與輸出入二項功能
(control and I/O function)
，究竟是分開獨立作業(yè)最有效還是應(yīng)將輸出入裝置整合較有利，尚有不同的意見。價格與性能的比較
(price performance)
成為決定性的因素，因為就避免系統(tǒng)故障來說，系統(tǒng)的設(shè)備重複是最安全的措施，但若只是增加智慧型輸出入裝置
(intelligent I/O devices)
的數(shù)目而沒有經(jīng)過證實，
則控制系統(tǒng)的安裝費用將快速加倍成長。以高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)中最重要的功能，例如監(jiān)測溶氧量及液態(tài)氧的注射而言，就可證明智慧型輸出入裝置對于現(xiàn)場控制系統(tǒng)以及設(shè)備重複設(shè)置的必要性。
電腦硬體
電腦硬體的選擇最容易做決定而且所需費用也最低的。首先必須在
IBM
相容電腦或麥金塔微電腦之間作一選擇。目前大部份商業(yè)化控制套裝軟體都是為
IBM
相容電腦所設(shè)計，但是有一些很好的套裝軟體卻僅能在麥金塔微電腦上使用。大型商業(yè)化的監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng)
(SCADA)
或分散式控制系統(tǒng)
(DAC)
的中央模組，所需電腦規(guī)格建議如下：
(1)
中央處理器為
80486-5O MHz
至少在
80386SX-2O MHz
以上
;(2)
主記憶體
(RAM) 2 Mb;(3)
如果電腦不是
80486
以上則需要數(shù)學(xué)運算處理器
; (4)100Mb
硬式磁碟機
;(5) VGA
彩色顯示卡及彩色監(jiān)視器
(6)1.2
及
l.4 Mb
軟式磁碟機
;(7)
一個滑鼠
(mouse)
或軌跡球
(trackball);(8)
一個平行阜及二個串列阜
;(9)
全高直立式或大型平面式電腦外殼含有六個擴充槽
(Slot)
。選擇性的配備為：一臺印表機
(
列印報告或資料用
)
，一個數(shù)據(jù)機
(
系統(tǒng)警報電話撥接用
)
，一個磁帶機或其他大容量儲存設(shè)備
(
供作業(yè)系統(tǒng)備份及長時期資料庫儲存用
)
、另有現(xiàn)場操作員介面
(
如可程式控制的信息顯示、觸摸螢?zāi)患半娔X工作站
)
通常設(shè)于養(yǎng)殖系統(tǒng)的水槽附近，對輸入備忘資料、警報通知、顯示系統(tǒng)狀態(tài)、圖形顯示系統(tǒng)功能等都非常有用
(Anonymous
，
1990
，
Cleaveland
，
1993
，
Herb
，
1993)
。
這些介面的應(yīng)用范圍
，依分散式控制系統(tǒng)設(shè)備的需要以及技術(shù)人員與控制系統(tǒng)間的溝通情況而定。
電腦軟體
流程控制軟體的成長，證實了電腦控制系統(tǒng)在製造業(yè)、製藥業(yè)及食品工業(yè)上的角色日益重要
(Wolske
，
1989
，
Labs
，
1993)
。種類多且低成本的套裝軟體，針對訂製控制系統(tǒng)腦軟體相關(guān)的一些問題提供了解決方桉。選擇程序控制系統(tǒng)軟體最重要的一點是，仔細(xì)評估目前的需要并預(yù)估未來的需求，因為修改軟體的成本可能超過原本購置價格的四至五倍。控制軟體應(yīng)包括
(1)
與控制系統(tǒng)輸出入多工器直接溝通的趨動程式
(2)
各種控制功能如高低值設(shè)定、邏輯與數(shù)學(xué)運算、統(tǒng)計控制
(3)
設(shè)定控制迴圈
(1oop)
及螢?zāi)伙@示的選擇表單
(menu) (4)
即時以圖形顯示養(yǎng)殖系統(tǒng)功能
(5)
即時的警報與狀況顯示、有聲及遠距電話撥接警報，
(6)
突發(fā)狀況的記錄及舊有資料的儲存與管理
(7)
統(tǒng)計分析
(
平均值與范圍及圚形顯示
) (8)
交談式控制及整批處理的程式
(9)
與不同電腦硬體的相容性
(
如視訊轉(zhuǎn)接器、共同處理器
);(1O)
不需停機便可在線上作小部份修正
;(11)
有當(dāng)?shù)貜S商的支援而且系統(tǒng)升級
(upgrade)
費用下高。目前大部份程序控制軟體都支援具有使用者圖形介面
(GUI)
的作業(yè)系統(tǒng)如
Windows
與
OS/2;
考慮未來系統(tǒng)的相容性最好是採用這一類的套裝軟體
(Tomsick,1992
，
Labs
，
1993)
。選擇一個具備合理又合乎成本效益升級制度的廠商，對支援軟體新功能、改進性能、未來產(chǎn)品的相容性、解決現(xiàn)有軟體錯誤等都會有好處
(Labs,1992)
。
系統(tǒng)整合
一般養(yǎng)殖業(yè)者不可能是一位電腦或電子工程專家，就如同他們不是魚類病理或營養(yǎng)專家一樣。業(yè)者必須找一個合格的顧問或公司去幫助他們達成自動化的目標(biāo)。最好的一條路是與一位有水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化經(jīng)驗的控制系統(tǒng)整合專家
(SI)
接洽。不過，目前這種公司或個人很少。比較有可能的是，找一位對程序控制技術(shù)應(yīng)用在石化、食品加工、運輸工業(yè)方面有廣泛經(jīng)驗的整合專家
(Chatha
，
1989)
。這位專家應(yīng)該參與建置流程控制系統(tǒng)的全部過程，從自動化的構(gòu)想、經(jīng)濟目標(biāo)、開發(fā)設(shè)計、設(shè)備安裝到系統(tǒng)文件與系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)完工驗收，即控制系統(tǒng)在實際情況下運作的最后測試，是系統(tǒng)安裝程序中最后也是最重要的一個步驟
(Levey
及
Leonard
，
1993)
。一個經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計的系統(tǒng)事實上并不需要整合專家長期連繽的支援，但是專家的協(xié)助仍是有必要的，以避免控制系統(tǒng)將來被棄而不顧。
--------------------------------------------------------------------------------
控制系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
目標(biāo)
根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)計自動化系統(tǒng)應(yīng)從小型系統(tǒng)做起。避免一開始就想要設(shè)立一個完美的系統(tǒng)或解決所有的問題，因為很顯然的自動化系統(tǒng)運作時必會發(fā)現(xiàn)一些看不到的問題，而且在系統(tǒng)管理過桯中也會激發(fā)一些革新與改進的意見。
Christie (1989)
指出開始設(shè)計自動化控制系統(tǒng)有二種方式
: (1)
由上而下設(shè)計
(Top Down); (2)
由下而上設(shè)計
(Bottom Up)
。由下而上設(shè)計強調(diào)的是如何
(how)
建立系統(tǒng)，而由上而下設(shè)計則強調(diào)建立何種
(What)
系統(tǒng)。一般而言由上而下設(shè)計的方式比較好，因為水產(chǎn)養(yǎng)殖計畫的目的就是要賺錢。舉例來說，控制系統(tǒng)要如何設(shè)計才能使養(yǎng)殖池容易管理，這是事先就應(yīng)該瞭解的，但最重要的問題是對養(yǎng)殖經(jīng)營者而言有何經(jīng)濟上的意義。養(yǎng)殖系統(tǒng)能否避免重大的損失
?
控制系統(tǒng)能否減少養(yǎng)殖經(jīng)營所需的人力
?
能否藉改善能量效率及飼料消費而增加生產(chǎn)量
?
這些問題將決定自動化計畫的目標(biāo)，而不是可資利用的技術(shù)問題。在評估任何設(shè)計之前，養(yǎng)殖場經(jīng)理及員工應(yīng)該為控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益詳細(xì)建構(gòu)其目標(biāo)。在設(shè)計及安裝過程中的每一個步驟，控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益以及可利用的技術(shù)是主要的考量標(biāo)準(zhǔn)。首先，原定的經(jīng)濟目標(biāo)限制了自動化設(shè)計的方式及其處理方法。其次，這些方法將用來決定計畫中各種技術(shù)的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟目標(biāo)在計畫期間可以更改，但到了採購及安裝階段則不宜再變動。目前缺乏技術(shù)已不足構(gòu)成中止自動化計畫的理由，但技術(shù)的成本將影響最終的計畫。缺乏適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場感測器
(
氨感測器
)
或在通訊網(wǎng)路系統(tǒng)的設(shè)計階段遇到技術(shù)上旳瓶頸
(
圖
1 )
。例如，要確定監(jiān)測池塘溶氧的設(shè)備與控制池水的打氣機很簡單，但是涉及線路成本或紅外線通訊費用時，可能就需要變更監(jiān)測池塘的總數(shù)，或?qū)⒅醒肟刂葡到y(tǒng)
(SCADA)
改為現(xiàn)場控制系統(tǒng)
(
單迴圈控制器或資料記錄器
)
。缺乏適當(dāng)旳現(xiàn)場感測器可用人工檢測的方法來瀰補，只要將分析結(jié)果直接輸入電腦資料庫并顯示在螢?zāi)簧霞纯伞?/font>
系統(tǒng)架構(gòu)
許多公司所生產(chǎn)的個人電腦用流程控制系統(tǒng)軟體，可廣泛應(yīng)用在製造業(yè)及工業(yè)上
(Gonales and Wolak
，
1992)
。估計全球在電腦整臺製造業(yè)的投資
1991
年為
53
億美元
((Anonymous
，
1989
．
Chatha
，
1989)
，單是軟體在
1992
年為
1
億美元
(Wolske
，
1989;Labs
，
1993)
。不過，工業(yè)用軟體通常包括許多額外的功能，有些功能對水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用是不必要的。這些軟體設(shè)計了上千個輸出入通道，卻缺少一些必要的功能而軟體更改費用又很高。因此，發(fā)展一套合乎成本效益且專為養(yǎng)殖設(shè)計的軟體，能順利運作并且適用于一般硬體設(shè)備，對未來發(fā)展集約養(yǎng)殖是相當(dāng)?shù)闹匾?/font>
(Lee
，
1991
，
1993)
。
現(xiàn)代商業(yè)化養(yǎng)殖設(shè)施，已經(jīng)把一些能將原料
(
氧、熱量、餌料及水
)
快速轉(zhuǎn)變成高品質(zhì)產(chǎn)品
(
含高蛋白可食用魚肉
)
所需的交錯處理
(interrelated process)
及副處理
(sub-process)
，變成一個精密的網(wǎng)路系統(tǒng)。這些處理相當(dāng)于製造業(yè)所管理的作業(yè)流程
(George
，
1992)
，它隨時隨地需要整合許多逐一的步驟及複雜的
(
側(cè)迴圈
)
程序，以提高生產(chǎn)量并減少損失。由于這樣的結(jié)果，養(yǎng)殖場的經(jīng)理及其員工已被迫成為生物化學(xué)、動物生理、微生物學(xué)、動物行為、工程、建筑及照顧動物
(
曾經(jīng)是他們的主要工作
)
的專家。
自動化控制系統(tǒng)的另一項好處是便于從小型系統(tǒng)升級為生產(chǎn)規(guī)模的系統(tǒng)。系統(tǒng)在擴大生產(chǎn)之前，所有不太清楚的程序最好先經(jīng)過小型系統(tǒng)運作，讓操作人員能測試各種不同變化的控制
(Dowling and Sullivan,1993)
。另外，自動化控制系統(tǒng)所產(chǎn)生全球性即時的資料庫，也加速了控制模組的改進，因為資料品質(zhì)的提升，對一個完美控制模組的製造，有助于減少所需的試驗次數(shù)
(
約減少
40%
的時間
)
。
系統(tǒng)架構(gòu)
一個運作正常的程序控制系統(tǒng)，應(yīng)該直接或間接地收集操作環(huán)境以及系統(tǒng)中每一個處理部門的資料
(Dray
，
1994)
。而養(yǎng)殖自動化系統(tǒng)必須能夠控制溫度、水流、水質(zhì)、光周期及投餌等。這一類型
(Hansen
，
1987)
的系統(tǒng)
(
表一
)
係靠電腦及特殊軟體來運作，其基本配備為：
(1)
監(jiān)控輸出入功能
;(2)
供即時的系統(tǒng)時間
;(3)
啟動并監(jiān)控警報器
; (4)
記錄并儲存資料「
(5)
執(zhí)行控制與模式化所必需的數(shù)學(xué)及邏輯運算表一
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化管理系統(tǒng)所使用的流程控制系統(tǒng)軟硬體設(shè)備需求功能：
(6)
與主機的作業(yè)系統(tǒng)溝通
; (7)
提供使用者交談式圖形介面。此外，系統(tǒng)應(yīng)具有經(jīng)濟性、直覺性、重複性、彈性及免維護等特性，并且能與多種設(shè)備相容。圖
2
顯示自動控制系統(tǒng)的四種設(shè)計模式
(Dray
，
1994)
。圖
2A
為封閉式迴圈控制器或資料記錄器，是屬于簡單型低價位的眾麙惆謒
t
統(tǒng)，沒有通訊能力但包括一些資料儲存功能
(Azabo
，
1993) ;
圖
2B
為可程式邏輯控制系統(tǒng)
(PLC)
能在系統(tǒng)最低階執(zhí)行控制功能，具高度重複性以避免系統(tǒng)故障，無法儲存輸出入資料檔，顯示能力也有限，除非連接一臺電腦或終端機
(Cleaveland
，
1993) ;
圖
2C
為微電腦監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng)
(SCADA)
係專業(yè)化系統(tǒng)，提供即時分析
(
類比與數(shù)位
)
與輸出入資料厙儲存，可作過去累積資料的趨勢分析
(Bailliet
，
1987; Yingst
，
1988);
圖
2D
為分散式控制系統(tǒng)
(DCS)
提供多工
(multitasking)
、重複設(shè)備及大容量資料儲存功能，可將數(shù)個電腦或可程式邏輯控制系統(tǒng)連成網(wǎng)路
(George
，
1992)
。封閉式迴圈控制器
PLC
為現(xiàn)場控制系統(tǒng)的例子，
SCADA
為中央控制系統(tǒng)，至于
DCS
則為整合型控制系統(tǒng)，包括上述二種型式的單元
(Spennato and Noblett
，
1992)
。
SCADA
系統(tǒng)運作效率與
DCS
一樣，但其成本只有五分之一，唯一浪費的就是設(shè)備重複
(Yingst
，
1988)
。因此，對小型的養(yǎng)殖場或剛開始設(shè)置控制系統(tǒng)的大型養(yǎng)殖場而言，
SCADA
系統(tǒng)提供了彈性與合理價格的組合。不過，
DCS
對大型貵殖場能提供最佳的方桉，因為複雜的控制問題需要特殊的智慧型設(shè)備
(
如多工器、
PLC
或
PC )
去控制特殊的處理，它還容許別的電腦擷取全部資料作更高階的控制。例如水產(chǎn)養(yǎng)殖場的經(jīng)營管理，就可從網(wǎng)路系統(tǒng)上獲取最新的資訊
(
如動物存量、動物大小、餌料消費量、能源及氧的使用量
)
來加以改進。這種
DCS
系統(tǒng)因為使用大型主機或迷你電腦網(wǎng)路，其價格一直到最近都還很高
(
大于
50,000
美元
)
。現(xiàn)在使用個人電腦，成本已經(jīng)降低
(
小于
10,000
美元
)
，也大大改善了
DCS
系統(tǒng)的相容性并簡化其操作程序。事實上，
PLC
、
SCADA
與
DCS
系統(tǒng)之間的差異，已因建立開放式架構(gòu)與改善其相容性
，
而變得模煳不分
(Spennato and Noblett
，
1992)
。
不少
DCS
已被製造業(yè)
(Geroge
，
1992)
、食品加工業(yè)
(Nisenfeld
，
1989)
、製藥業(yè)
(Nisebfeld
，
1989)
、石化工業(yè)
(Bailliet et al.,1987)
、廢水處理業(yè)
(Came
，
1987)
、農(nóng)業(yè)等用來改善處理品質(zhì)與提高效益。大型企業(yè)化養(yǎng)殖計畫必可從這種整合經(jīng)營的方式獲取利益。而
DCS
系統(tǒng)配合使用智慧型控制軟體，將使大規(guī)模集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立帶來希望。
表一、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化管理系統(tǒng)所使用的程序控制軟硬體設(shè)備需求
硬體設(shè)備需求
軟體設(shè)備需求
硬體設(shè)備需求
軟體設(shè)備需求
輸出入監(jiān)控
低維護
相容性
模組化
調(diào)節(jié)功能
系統(tǒng)組態(tài)
使用者介面
趨勢分析
報表與資料錄
手動控制
警報監(jiān)控
資料處理
數(shù)學(xué)及邏輯功能
即時系統(tǒng)時間
重複設(shè)備
設(shè)定值控制
調(diào)節(jié)控制
統(tǒng)計控制
交談式圖形
模擬
--------------------------------------------------------------------------------
水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來方向
程序控制技術(shù)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上很重要，但有些地方還需要改善，包括感測器的改進與開發(fā)、人工智慧應(yīng)用于程序控制軟體、電腦或機器視覺的發(fā)展。一些位于遠距旳貵殖設(shè)施
(
如外海箱網(wǎng)與大型養(yǎng)殖池
)
也需要發(fā)展更經(jīng)濟而精密的通訊協(xié)定
(protocol)
，如微波、無線電或衛(wèi)星通訊等協(xié)定。毫無疑問的，設(shè)計與安裝任何現(xiàn)代化控制系統(tǒng)，最重要的目標(biāo)是考慮未來的相容性。另外，控制系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)考慮讓系統(tǒng)在新技術(shù)可行的時候，得以改進或升級。
感測器的改進
感測器設(shè)計與耐久性
(durability)
的改進，對監(jiān)控設(shè)備在養(yǎng)殖上旳廣泛應(yīng)用扮演重要角色
(Dartez
，
1989)
，而這種情況將擴展到自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)。使用更耐久的材料并把固體電路
(solid state circuitry)
嵌入感測器內(nèi)
，
可使探針變得更且小不易衼纏住。有幾種新的感測器即將應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)控上，
由壓電晶體生物感測器
(piezoelectric crystal biosensor)
箝入一個外表涂有對特殊溶解化學(xué)藥品起反應(yīng)的振盪晶體
(oscillating crystal)
組成
(Guilbault and Suleiman
，
1990)
。
生物感測器的原理是晶體吸附分解質(zhì)溶液后會成比例的改孌振盪頻率。一些傳統(tǒng)測定電流與電位感測器
(
如酸鹼度、離子電極、
氧化還原、導(dǎo)電度等
)
，
目前已因新材料與新設(shè)計的改善而再度加入市場
(Gary
，
1989; Gennett and Purdy
，
1991)
。玻璃纖維感測器由雷射及多層薄膜藥劑所組成，
一旦成本降低乜可能應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上
(Luo and Walt
，
1989)
。這些感測器的優(yōu)點是可減少糾纆，因為抗纏化學(xué)物質(zhì)
(antifouling chemicals)
可被加入薄膜藥劑層，因此化學(xué)物質(zhì)得以不斷地從表面釋出。另外，新一代的感測器及啟動器正開始出現(xiàn)
(Bryzek
，
1993; Muller and Grumstrup
，
1993)
。這些感測器如溫度、壓力
、
振動等，
基本上已結(jié)合記憶體、數(shù)學(xué)與邏輯功能及通訊協(xié)定形成積體電路
(IC)
，與流程控制系統(tǒng)具有同樣的高階功能，也有診斷
(diagnostics)
能力，
可檢查其輸出
、檢測感測器失效或校正偏差。
人工智慧
控制技術(shù)進步最顯著的是控制模式軟體所使用的編碼方法。軟體將超越簡單的開閉控制或統(tǒng)計控制
，
而延伸進入到機器智慧
(machine intelligence)
或人工智慧的領(lǐng)域。未來最可能應(yīng)用的技術(shù)是專家系統(tǒng)
(Bechtold
，
1993; Bechtcold
，
1994; Eliot
，
1994)
與神經(jīng)網(wǎng)路
(neural nets)(Chester
，
l992)
。專家系統(tǒng)需要以往累積的流程控制經(jīng)驗，而神經(jīng)網(wǎng)路則可自我學(xué)習(xí)去控制本身的流程
(Rock and Guerin
，
1992; Plummer
，
1993)
。
模楜邏輯控制
(Fuzzy logic Control)
理論也很有可能被應(yīng)用，因為水產(chǎn)養(yǎng)殖所要控制的流桯，經(jīng)常不易明瞭但具高度的變動性
(Karr
，
1993)
。一些更複雜的工業(yè)流程控制軟體，現(xiàn)在已包括人工智慧模組。水產(chǎn)養(yǎng)殖上應(yīng)用人工智慧控制軟體的未來趨勢為
:
採用溷合功能，專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)路結(jié)合或模煳控制技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)路結(jié)合
; (2)
由于人工智慧與數(shù)學(xué)運算有關(guān)，硬體設(shè)備
(
如主機板
)
的更新將使執(zhí)行速度有所改進
; (3)
利用過去的資料去改進記憶
(
如循環(huán)網(wǎng)路
) -
并以現(xiàn)在的實際數(shù)值取代錯誤的隱藏變數(shù)
(
如強迫學(xué)習(xí)
)
，將使神經(jīng)網(wǎng)路的學(xué)習(xí)速度加快
; (4)
因為操作者與控制程式彼此之間會變得更密切，使用者介面
(
如多媒體、語音辨識
)
將大為改善
(Chester
，
l992)
。
電腦或機器視覺
即時抓取、觀察、分析養(yǎng)殖水槽的視訊影像，則可在遠距估計魚類的大小、體重及活動狀況。魚類活動的分類
(
自然狀態(tài)、攝食、交配、產(chǎn)卵或因壓迫造成暴燥
)
與活動的量化
(quantification)
，
對養(yǎng)殖業(yè)者非常有參考價值。遠距估計魚體大小
(
體長、體重
)
可看到魚類每天的生長情形，并讓魚類在不受干擾的環(huán)境下成長。另外，魚類行為現(xiàn)場即時的量化與估計現(xiàn)存量
(biomass)
，對遠距的養(yǎng)殖場知外海箱網(wǎng)尤其重要
。
目前機器視覺系統(tǒng)
(machine vision system)
使用靜態(tài)的影像
，
尚無法作即時自
動的分析
(Boyle et al.,1993; Petrell et al.,1993; Naiberg et al.,1993)
。
不過，即時旳視訊分析系統(tǒng)不久即將問世
(Whitsell and Lee
，
1994)
。使用遠距攝影機無疑將發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖設(shè)施上的其它用途，例如可用來監(jiān)視人員的活動、報告系統(tǒng)故障情況以及最后收成的自動化處理。
--------------------------------------------------------------------------------
結(jié)
論
商業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖如室外養(yǎng)殖池、魚道、外海箱網(wǎng)以及室內(nèi)水槽系統(tǒng)等，應(yīng)用現(xiàn)代化流程控制技術(shù)將使養(yǎng)殖經(jīng)營受益。
水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施自動化的決定應(yīng)以實際價格為衡量基準(zhǔn)。
養(yǎng)殖業(yè)者應(yīng)桹據(jù)其養(yǎng)殖場設(shè)施的規(guī)模大小與複雜度，使用微電腦
SCADA
與
DCS
系統(tǒng)，小規(guī)模的用
SCADA
系統(tǒng)，大規(guī)模的用
DCS
系統(tǒng)。
所有控制系統(tǒng)應(yīng)該模組化，并可使用不同型式的感測器、啟動器，以確保未來系統(tǒng)的相容性?；谖磥硐嗳菪约熬S護等相關(guān)問題的發(fā)生，訂製系統(tǒng)應(yīng)該儘量避免。
養(yǎng)殖業(yè)者應(yīng)信賴程序控制系統(tǒng)整合專家及設(shè)備廠商，請其協(xié)助并參與控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝與運作。
未來程序控制技術(shù)的改進
(
感測器、人工智慧、使用者介面、遠距通訊與電腦視覺
)
將擴大集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的效果。
作者:
zhangli9813
時間:
2009-8-13 10:54
1#
hengtlZ
正在找這樣的資料，謝謝??！
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