水產養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的回顧與設計標準

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水產養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的回顧與設計標準
Philips G. Lee (原著)
陳世欽 (臺灣省水產試驗所) 譯
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摘 要
緒 言
水產養(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)的設計標準
水產養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來方向
結論
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美國農業(yè)從密集式經營到機械化作業(yè)，進而邁向自動化的發(fā)展過程，使其農業(yè)生產量一直居于全球領先地位。同樣的過程也適用于水產養(yǎng)殖，因為水產養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動化將使養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益：(1) 產地的生產量接近市場的需求量 ; (2) 改善環(huán)境控制 ; (3) 減少重大災害造成的損失 ; (4)可降低排放水而減少環(huán)境的管理 ; (5) 降低生產成本 ; (6) 改善水產品的品質。
水產養(yǎng)殖自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史很短，而現有大部份系統(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) (即多重微電腦網路系統(tǒng)) 。
自動化控制系統(tǒng)架構的選擇應視實際價格與本身環(huán)境及廠商的支援能力而定。成功地設計一套實用而且可以接受的水產養(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)生嚴重挫敗的機會。
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緒 言
現代全球工業(yè)的成長與競爭力，可以說主要是建立在生產系統(tǒng)中應用程序控制技術(process control technology) 的基礎上 (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)不論是水產養(yǎng)殖業(yè)或製造業(yè)，都應好好的研究并學習這些先進工業(yè)的生產系統(tǒng)。美國農業(yè)從密集式經營(intensification)到機械化作業(yè) (mechanization)，進而邁向自動化(automation)的發(fā)展過程，使其農業(yè)生產量一直居于全球領先地位。 自動化燒烤設備(Campbel，1988; Allison et al.,1991)、酪牛飼育及牧場設施(Leonard and McQuitty，1982;Mottram and Street，1991) 、 種苗培育溫室(Hopper，1988; Jones et al., 1990; Tillet1993) 、農作物灌溉系統(tǒng)(Rao et al.,1992)等，均顯示了應用程序控制系統(tǒng)的效益。
這些農業(yè)生產系統(tǒng)代表著供應市場日用品的管理型生物系統(tǒng)(managed biological system) ，是一種高產量低利潤的產業(yè)，與集約養(yǎng)殖系統(tǒng) ( 池塘、海上箱網、養(yǎng)殖水槽) 的情況非常類似。
水產養(yǎng)殖應用程序控制技術的主要理由是基于經濟的考量，特別是在已開發(fā)國家。 1992年全世界水產養(yǎng)殖生產量的產值為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% ) ，為美國增加不少貿易赤字(USDA， 1991，1992) 。此外，美國水產品市場的潛力隨著國人消費魚類的增加而擴展。因此，美國國內水產品消費市場的擴張與其本身有限的生產量，二者之間的矛盾存在已久。水產養(yǎng)殖業(yè)受到經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)或外海箱網養(yǎng)殖 (Fridly， 1993; McCoy，1993) 。然而，從目前再循環(huán)過濾技術的成本效益來看，再循環(huán)系統(tǒng)僅能應用于高經濟價值的魚種。高效率而且自動化的過濾系統(tǒng)，應同時減少對高品質用水的需求以及含有污染物的排水量。若能設置遠距自動化環(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，以及減輕工作人員的負擔，都會影響外海箱網養(yǎng)殖技術的成本效益。
程序流程控制技術的應用與水產養(yǎng)殖智慧型管理系統(tǒng)的需求，是水產養(yǎng)殖業(yè)永續(xù)經營的重要課題。集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動化，將使水產養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益 : (1) 產地的生產量接近市場的需求量 ; (2) 改善環(huán)境控制 ; (3) 減少重大災害造成的損失 ; (4) 避免排放水所造成的環(huán)境管理問題 ; (5) 降低生產成本 ; (6) 改善水產品的品質與一致性。
-----------------------------------------------------------------------------水產養(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)的警報狀況可以經由電話撥接方式通知現場或遠距的管理人員。許多對建立水產養(yǎng)殖系統(tǒng)有興趣的研究單位，已經完成養(yǎng)殖池資料獲得系統(tǒng)的設計。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、風速、風向，并控制馬達、安全閥及打氣機等設備。部份系統(tǒng)曾被用來收集池塘水質資料 (如溫度、溶氧)，并發(fā)展為池塘管理模式系統(tǒng)。
Rush 及 Malone (1989-1993) 曾設計一套整合型水產養(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)曾經專為水產養(yǎng)殖設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系統(tǒng)，達到控制溶氧的目的。系統(tǒng)中有一臺微電腦內插一片類比數位轉換板(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)應用在水產養(yǎng)殖上的另一個用途。Hoy (1985)為繁殖場設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系統(tǒng)，在龍蝦養(yǎng)殖試驗中不但可供應餌料給每一個水槽，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)設計一套生產規(guī)模的餌料供應系統(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)。它是利用中央數位式控制機來設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)控的技術在動物生產系統(tǒng)的控制中，是研究人員所追求的重要研究領域。
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)單獨由一個人設計有關，而受僱操作者通常會另謀高就。如果沒有另外再僱人訓練使用，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不見了，或被迫將產品推廣到其他更有利的市場 (如食品加工業(yè)及廢水處理) 。這個現象顯然會倒轉過來，因為許多有養(yǎng)殖經驗的廠商，正大力推廣監(jiān)測與控制產品到水產養(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)應用在水產養(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個控制單元形成網路連線。它還有可以控制的飼料機、幫浦 (開關及改變速度) 、壓縮空氣與熱壓縮機等設備。與上述訂製控制系統(tǒng)比較起來，整個養(yǎng)殖系統(tǒng)可說已經完全自動化，而且系統(tǒng)設備 (例如接近輸出入部份的分散式多重智慧型裝置) 也有相當程度的重複情形。
Padala and Zilber (1991)利用專家系統(tǒng) (expert system) 軟體建構一套吳郭魚集約養(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) 為基礎發(fā)展而成，可控制水質及其流動。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)?？刂葡到y(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)應用在水產養(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)應用在水產養(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)。自動化生物反應器係由一個鋪上細菌床巾(bacterial bed) 的管子、感測器組列、輸出入多工器、供應碳的幫浦與貯存槽、可調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)正準備升級為DCS系統(tǒng)，將可控制分散在三棟連筑內的水產養(yǎng)殖多重水槽系統(tǒng)。
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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)或訊號轉換器 (transducer) ; (2)計數器 (meter) 、 傳輸器 (transmitter) 、 信號調節(jié)器(signal conditioner) ; (3)輸出裝置(output device) ; (4) 通訊設備或多工器 (multiplexer) ;(5) 電腦硬體 ; 及(6) 電腦軟體等(Dray，l994) 。
感測器
選擇適當的感測器是設計自動控制系統(tǒng)最重要的一個步驟。感測器的目的是將環(huán)境變數量化轉變?yōu)閿祿敵?，通常感測器處于最壞的環(huán)境下 (如沒入水中) ，接受最嚴厲的考驗(Gray，1989)。因此，感測器的選擇不僅應考慮其性能，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定太嚴，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有的計數器及傳輸器搭配使用。
計數器
一旦感測器選擇以后，特定型式的計數器或傳輸器就很容易決定。計數器包含將感測器的電子信號轉換成數位顯示所需的各種電子零組件，也應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。只有在訊息需要當場顯示的時候計數器才有必要 ; 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、線路及電話線都應以防蝕箱或導管保護(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)的標準。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，水產養(yǎng)殖設備已併入國家電子碼 (NEC) 的標準，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準，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備 (如幫浦、安全閥、開關) 在一起，是另一個缺點。因為如果幫浦、安全閥經常關閉或長久不動，很容會易因腐蝕而動彈不得。重複的設備是解決的方法之一。實際上要確定幫浦是運轉或停止、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。設備封閉是非常重要的，而且應該使用塑膠安全閥、封閉的幫浦、完全密封并用風扇冷卻 (TEFC) 的馬達。
通訊設備
絕大部份的養(yǎng)殖業(yè)者因為每天使用感測器、計數器、安全閥及幫浦，對這些設備的操作都相當熟悉。他們唯一對自動化系統(tǒng)感到厭煩的，就是不瞭解通訊設備如多工器、數位通訊開關、可程式控制器、智慧型數位通訊及邏輯裝置、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)控與數據收集(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的技術則影響目前或未來系統(tǒng)的架構：(1) 網路系統(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) 的數目而沒有經過證實， 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場控制系統(tǒng)以及設備重複設置的必要性。
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以上則需要數學運算處理器; (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 ) ，一個數據機 (系統(tǒng)警報電話撥接用) ，一個磁帶機或其他大容量儲存設備 (供作業(yè)系統(tǒng)備份及長時期資料庫儲存用) 、另有現場操作員介面(如可程式控制的信息顯示、觸摸螢幕及電腦工作站) 通常設于養(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) 。 這些介面的應用范圍 ，依分散式控制系統(tǒng)設備的需要以及技術人員與控制系統(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，仔細評估目前的需要并預估未來的需求，因為修改軟體的成本可能超過原本購置價格的四至五倍?？刂栖涹w應包括 (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定、邏輯與數學運算、統(tǒng)計控制 (3) 設定控制迴圈 (1oop) 及螢幕顯示的選擇表單(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) 有當地廠商的支援而且系統(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、未來產品的相容性、解決現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。最好的一條路是與一位有水產養(yǎng)殖自動化經驗的控制系統(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應用在石化、食品加工、運輸工業(yè)方面有廣泛經驗的整合專家(Chatha，1989)。這位專家應該參與建置流程控制系統(tǒng)的全部過程，從自動化的構想、經濟目標、開發(fā)設計、設備安裝到系統(tǒng)文件與系統(tǒng)運轉。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)。一個經過適當設計的系統(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。


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控制系統(tǒng)的設計標準


目標

根據經驗，設計自動化系統(tǒng)應從小型系統(tǒng)做起。避免一開始就想要設立一個完美的系統(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) 指出開始設計自動化控制系統(tǒng)有二種方式 : (1) 由上而下設計 (Top Down); (2) 由下而上設計 (Bottom Up)。由下而上設計強調的是如何(how)建立系統(tǒng)，而由上而下設計則強調建立何種(What)系統(tǒng)。一般而言由上而下設計的方式比較好，因為水產養(yǎng)殖計畫的目的就是要賺錢。舉例來說，控制系統(tǒng)要如何設計才能使養(yǎng)殖池容易管理，這是事先就應該瞭解的，但最重要的問題是對養(yǎng)殖經營者而言有何經濟上的意義。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量?


這些問題將決定自動化計畫的目標，而不是可資利用的技術問題。在評估任何設計之前，養(yǎng)殖場經理及員工應該為控制系統(tǒng)的經濟效益詳細建構其目標。在設計及安裝過程中的每一個步驟，控制系統(tǒng)的經濟效益以及可利用的技術是主要的考量標準。首先，原定的經濟目標限制了自動化設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的經濟效益。經濟目標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。目前缺乏技術已不足構成中止自動化計畫的理由，但技術的成本將影響最終的計畫。缺乏適當的現場感測器 (氨感測器) 或在通訊網路系統(tǒng)的設計階段遇到技術上旳瓶頸 (圖 1 ) 。例如，要確定監(jiān)測池塘溶氧的設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，或將中央控制系統(tǒng)(SCADA)改為現場控制系統(tǒng)(單迴圈控制器或資料記錄器) 。缺乏適當旳現場感測器可用人工檢測的方法來瀰補，只要將分析結果直接輸入電腦資料庫并顯示在螢幕上即可。


系統(tǒng)架構

許多公司所生產的個人電腦用流程控制系統(tǒng)軟體，可廣泛應用在製造業(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，有些功能對水產養(yǎng)殖的應用是不必要的。這些軟體設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)殖設計的軟體，能順利運作并且適用于一般硬體設備，對未來發(fā)展集約養(yǎng)殖是相當的重要 (Lee， 1991， 1993) 。


現代商業(yè)化養(yǎng)殖設施，已經把一些能將原料 (氧、熱量、餌料及水)快速轉變成高品質產品 (含高蛋白可食用魚肉)所需的交錯處理(interrelated process)及副處理(sub-process) ，變成一個精密的網路系統(tǒng)。這些處理相當于製造業(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(側迴圈)程序，以提高生產量并減少損失。由于這樣的結果，養(yǎng)殖場的經理及其員工已被迫成為生物化學、動物生理、微生物學、動物行為、工程、建筑及照顧動物 (曾經是他們的主要工作) 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)升級為生產規(guī)模的系統(tǒng)。系統(tǒng)在擴大生產之前，所有不太清楚的程序最好先經過小型系統(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(約減少40%的時間 ) 。


系統(tǒng)架構

一個運作正常的程序控制系統(tǒng)，應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、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學及邏輯運算表一 水產養(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)應具有經濟性、直覺性、重複性、彈性及免維護等特性，并且能與多種設備相容。圖2顯示自動控制系統(tǒng)的四種設計模式(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)、重複設備及大容量資料儲存功能，可將數個電腦或可程式邏輯控制系統(tǒng)連成網路(George，1992)。封閉式迴圈控制器PLC為現場控制系統(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，唯一浪費的就是設備重複(Yingst， 1988) 。因此，對小型的養(yǎng)殖場或剛開始設置控制系統(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。例如水產養(yǎng)殖場的經營管理，就可從網路系統(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路，其價格一直到最近都還很高 ( 大于50,000美元 ) ?，F在使用個人電腦，成本已經降低 (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)、農業(yè)等用來改善處理品質與提高效益。大型企業(yè)化養(yǎng)殖計畫必可從這種整合經營的方式獲取利益。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、水產養(yǎng)殖自動化管理系統(tǒng)所使用的程序控制軟硬體設備需求

硬體設備需求  軟體設備需求  硬體設備需求  軟體設備需求

輸出入監(jiān)控
低維護

相容性

模組化

調節(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

數學及邏輯功能

即時系統(tǒng)時間

重複設備
設定值控制
調節(jié)控制

統(tǒng)計控制

交談式圖形

模擬





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水產養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來方向


程序控制技術應用在水產養(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施 (如外海箱網與大型養(yǎng)殖池) 也需要發(fā)展更經濟而精密的通訊協(xié)定(protocol) ，如微波、無線電或衛(wèi)星通訊等協(xié)定。毫無疑問的，設計與安裝任何現代化控制系統(tǒng)，最重要的目標是考慮未來的相容性。另外，控制系統(tǒng)的設計也應考慮讓系統(tǒng)在新技術可行的時候，得以改進或升級。


感測器的改進
感測器設計與耐久性(durability) 的改進，對監(jiān)控設備在養(yǎng)殖上旳廣泛應用扮演重要角色(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 ， 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藥品起反應的振盪晶體 (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、導電度等 ) ， 目前已因新材料與新設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用在水產養(yǎng)殖上(Luo and Walt，1989) 。這些感測器的優(yōu)點是可減少糾纆，因為抗纏化學物質(antifouling chemicals) 可被加入薄膜藥劑層，因此化學物質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(Bryzek，1993; Muller and Grumstrup，1993)。這些感測器如溫度、壓力 、 振動等， 基本上已結合記憶體、數學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)或人工智慧的領域。未來最可能應用的技術是專家系統(tǒng) (Bechtold，1993; Bechtcold，1994; Eliot，1994)與神經網路(neural nets)(Chester，l992) 。專家系統(tǒng)需要以往累積的流程控制經驗，而神經網路則可自我學習去控制本身的流程 (Rock and Guerin，1992; Plummer， 1993)。


模楜邏輯控制(Fuzzy logic Control) 理論也很有可能被應用，因為水產養(yǎng)殖所要控制的流桯，經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，現在已包括人工智慧模組。水產養(yǎng)殖上應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)與神經網路結合或模煳控制技術與神經網路結合 ; (2) 由于人工智慧與數學運算有關，硬體設備 (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)網路) -并以現在的實際數值取代錯誤的隱藏變數(如強迫學習)，將使神經網路的學習速度加快 ; (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，魚類行為現場即時的量化與估計現存量(biomass) ，對遠距的養(yǎng)殖場知外海箱網尤其重要 。 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)現在養(yǎng)殖設施上的其它用途，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。



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結 論


商業(yè)化水產養(yǎng)殖如室外養(yǎng)殖池、魚道、外海箱網以及室內水槽系統(tǒng)等，應用現代化流程控制技術將使養(yǎng)殖經營受益。
水產養(yǎng)殖設施自動化的決定應以實際價格為衡量基準。
養(yǎng)殖業(yè)者應桹據其養(yǎng)殖場設施的規(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護等相關問題的發(fā)生，訂製系統(tǒng)應該儘量避免。
養(yǎng)殖業(yè)者應信賴程序控制系統(tǒng)整合專家及設備廠商，請其協(xié)助并參與控制系統(tǒng)的設計、安裝與運作。
未來程序控制技術的改進 (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。

zhangli9813

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