水产养殖自动化控制系统的回顾与设计标准

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水产养殖自动化控制系统的回顾与设计标准
Philips G. Lee (原着)
陈世钦 (台湾省水产试验所) 译
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摘 要
绪 言
水产养殖控制系统的回顾
自动化控制系统配备
控制系统的设计标准
水产养殖控制系统的未来方向
结论
-----------------------------------------------------------------------------摘要
美国农业从密集式经营到机械化作业，进而迈向自动化的发展过程，使其农业生产量一直居于全球领先地位。同样的过程也适用于水产养殖，因为水产养殖系统的自动化将使养殖业获得下列效益：(1) 产地的生产量接近市场的需求量 ; (2) 改善环境控制 ; (3) 减少重大灾害造成的损失 ; (4)可降低排放水而减少环境的管理 ; (5) 降低生产成本 ; (6) 改善水产品的品质。
水产养殖自动化控制系统的发展历史很短，而现有大部份系统都是订製的个人电脑控制系统。目前的趋势乃是利用工业上所採用的程序控制系统，包括感测器/讯号转换器、通讯多工器、启动器/输出装置、电脑硬体及控制软体。程序控制系统可以简单到仅有一台电脑，也可複杂到分散式的控制系统 (即多重微电脑网路系统) 。
自动化控制系统架构的选择应视实际价格与本身环境及厂商的支援能力而定。成功地设计一套实用而且可以接受的水产养殖自动化控制系统，将会被养殖业广泛採用，因为它不仅能强化水质管理、降低人工监测的成本，而且可人为减少养殖系统发生严重挫败的机会。
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绪 言
现代全球工业的成长与竞争力，可以说主要是建立在生产系统中应用程序控制技术(process control technology) 的基础上 (Rock and Guerin， 1992)。前者例如，一般人所知到的美国航太及电脑工业与日本的汽车及电子工业。其实，任何工业不论是水产养殖业或製造业，都应好好的研究并学习这些先进工业的生产系统。美国农业从密集式经营(intensification)到机械化作业 (mechanization)，进而迈向自动化(automation)的发展过程，使其农业生产量一直居于全球领先地位。 自动化烧烤设备(Campbel，1988; Allison et al.,1991)、酪牛饲育及牧场设施(Leonard and McQuitty，1982;Mottram and Street，1991) 、 种苗培育温室(Hopper，1988; Jones et al., 1990; Tillet1993) 、农作物灌溉系统(Rao et al.,1992)等，均显示了应用程序控制系统的效益。
这些农业生产系统代表着供应市场日用品的管理型生物系统(managed biological system) ，是一种高产量低利润的产业，与集约养殖系统 ( 池塘、海上箱网、养殖水槽) 的情况非常类似。
水产养殖应用程序控制技术的主要理由是基于经济的考量，特别是在已开发国家。 1992年全世界水产养殖生产量的产值为26.5亿美元，但北美洲已开发国家仅佔3.2 %。美国是全世界第二大水产品进囗国 ( 1990年为5.2 亿美元，佔全球进口的14.5% ) ，为美国增加不少贸易赤字(USDA， 1991，1992) 。此外，美国水产品市场的潜力随着国人消费鱼类的增加而扩展。因此，美国国内水产品消费市场的扩张与其本身有限的生产量，二者之间的矛盾存在已久。水产养殖业受到经济冲击的三个主要因素为 : (1) 气候多变化 ; (2) 人工成本高 ; (3) 水源及陆地资源日渐萎缩加上态度不太友善的行政官僚。 这些因素促使美国及其他已开发国家开始使用集约再循环水过滤系统(recirculating water filtration system)或外海箱网养殖 (Fridly， 1993; McCoy，1993) 。然而，从目前再循环过滤技术的成本效益来看，再循环系统仅能应用于高经济价值的鱼种。高效率而且自动化的过滤系统，应同时减少对高品质用水的需求以及含有污染物的排水量。若能设置远距自动化环境监控系统及饲料管理系统，则海上箱网养殖仍然是有利可图的。降低监测环境状况所需的人力、採用抗海浪的箱网，以及减轻工作人员的负担，都会影响外海箱网养殖技术的成本效益。
程序流程控制技术的应用与水产养殖智慧型管理系统的需求，是水产养殖业永续经营的重要课题。集约养殖系统的自动化，将使水产养殖业获得下列效益 : (1) 产地的生产量接近市场的需求量 ; (2) 改善环境控制 ; (3) 减少重大灾害造成的损失 ; (4) 避免排放水所造成的环境管理问题 ; (5) 降低生产成本 ; (6) 改善水产品的品质与一致性。
-----------------------------------------------------------------------------水产养殖控制系统的回顾
自动化控制系统一般可分为二大类。一类称为订製控制系统 ( custom contro1 system ) ，是一种小型依使用者需求而设计的资料获取与控制系统 (DAC)，专供试验研究之用 。另一类称为工业控制系统 (industrial control system)，是一种大型商业化的监控及资料获取系统 (SCADA)或分散式控制系统 (DCS)，提供商业化作业及政府大型研究计画之用。
订製控制系统
第一个订製控制系统是以微电脑为主体的控制系统，係用来控制某一种海水鱼产卵系统的环境状况 (Schlieder， 1984; Plaio， 1987) 。 此系统随时监测并控制光周期 、 水温、水位、压缩空气，系统的警报状况可以经由电话拨接方式通知现场或远距的管理人员。许多对建立水产养殖系统有兴趣的研究单位，已经完成养殖池资料获得系统的设计。这些系统都是由微电脑、输出入装置、资料记录器及远距控制模组所组成 (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)。系统彼此之间实际上测定及控制的变数不尽相同，但大部份系统都有监测溶氧量、水温、酸硷度、气温、光照度、相对湿度、雨量、风速、风向，并控制马达、安全阀及打气机等设备。部份系统曾被用来收集池塘水质资料 (如温度、溶氧)，并发展为池塘管理模式系统。
Rush 及 Malone (1989-1993) 曾设计一套整合型水产养殖自动控制系统，能自动提供藻类做为养殖贝类的饵料。这套控制系统包括一个微电脑、一组有58个输出入通埠的资料获取与控制装置、一个远距控制模组。它能监测系统温度、水位、导电度、藻类萤光度，并利用电子启动器开闭安全阀、帮浦及不同速度的马达，来控制养殖用水及气体 ( 氧、二氧化碳)的流量。另外，Lyon (1993) 设计一个用来监测虹鳟养殖场水中溶解气体浓度的控制系统，其设备包括饱和器 (saturometer)、溶氧探针、热电偶(thermocouple)、压力计(barometer)、可携式资料记录器等。这套系统精确地评估一组脱气塔(degassing column)的功能，并且显示作业中鱼类养殖系统溶氧的日变化及总气体溶解量。Munasinghe等(1993)曾经专为水产养殖设计了一套程序控制软体，用以监测溶氧、酸硷度及温度，并利用启动器开闭打气机或氧气供应系统，达到控制溶氧的目的。系统中有一台微电脑内插一片类比数位转换板(analog-to-digital conversion)，作为电脑与感测器之间的介面。软体则是用来模拟一个再循环养殖水槽中溶氧的变化情形，唯其实际操作状况并无报告发表。
饵料供给系统是订製控制系统应用在水产养殖上的另一个用途。Hoy (1985)为繁殖场设计一套利用微电脑估算与控制饵料供给的系统，它同时还可用以测定并控制水温。应用微电脑开发的饵料供给系统，则可做为不同饲料比及不同投饵率的控制试验(Ruohonen，1987) 。另一个自动化的饵料供应系统，在龙虾养殖试验中不但可供应饵料给每一个水槽，尚可记录每一隻龙虾的摄饵率 (Grimsen et al.,1987)。这个系统包括微电脑软硬体及电脑控制的气动式投饵机 (air-actuated feeder)。Widmyer and Widmyer(1993)设计一套生产规模的饵料供应系统，有30个投饵机不停的传送饵料给养殖的虹鳟 (Widmyer and Widmyer , 1993)。它是利用中央数位式控制机来设定螺旋式饲料漏斗的马达速度，达到控制饵料输送率及投饵率的效果。此系统可增加微电脑介面以扩充其容量。
利用鱼类的摄饵行为 (摄饵率) 进行摄食研究，可进一步用来预测环境对鱼类造成的的压迫(stress)，例如温度的增减、溶氧降低或受到病毒感染等 (Anthouard and Wolf，1988) 。这个系统包括一台微电脑连接一个讯号转换器，能接收来自鱼类自行饲喂单元(self-feeder unit)所发出的电子信号。另外有人发展一个简单机电式运转的感测器，用以监测循环水系统中虹鳟的活动状况(Fabregas et al.,1993)。感测器与微电脑记录系统能同时侦测，鱼类因摄饵行为而增加的活动力，以及因溶氧减少的压迫而降低的活动力。这种行为监控的技术在动物生产系统的控制中，是研究人员所追求的重要研究领域。
利用上述订製控制系统所做的研究，不论其成果有多先进，研究者对设计专家的依赖仍旧很深。一个控制系统会被放置不用，多半与系统单独由一个人设计有关，而受僱操作者通常会另谋高就。如果没有另外再僱人训练使用，系统就变成毫无用处，因为没有人懂得解读电脑程式码，也没有人会修理电子零件。
工业控制系统
大型专用的自动化控制系统在科技研究的文献中较少被提及。虽然已有许多公司将控制系统卖给水产养殖业者，但安装的系统规模都很小。很不幸的是有些厂商已经不见了，或被迫将产品推广到其他更有利的市场 (如食品加工业及废水处理) 。这个现象显然会倒转过来，因为许多有养殖经验的厂商，正大力推广监测与控制产品到水产养殖业的市场。繁殖场作业在某些方面的自动化是用Alfa-Log微电脑系统控制的; 这种系统是用来监测及控制养殖场的水温与溶氧 (Sanno，1987) 。到目前为止仅有一个真正分散式控制系统(DCS)应用在水产养殖方面，而且还只是一个理论性的系统 (HanSen，1987) 。这个建议中的系统是由一个迷你电脑主机及控制软体组成，并与监测水流、水温、能量消耗、水位、溶氧、酸硷值、导电度、浊度、饵料及自行饲育器撞击探针等16个控制单元形成网路连线。它还有可以控制的饲料机、帮浦 (开关及改变速度) 、压缩空气与热压缩机等设备。与上述订製控制系统比较起来，整个养殖系统可说已经完全自动化，而且系统设备 (例如接近输出入部份的分散式多重智慧型装置) 也有相当程度的重複情形。
Padala and Zilber (1991)利用专家系统 (expert system) 软体建构一套吴郭鱼集约养殖雏型系统(prototype)。此一系统是以工业用可程式逻辑控制器(PLC)及监视器(monitors) 为基础发展而成，可控制水质及其流动。Ebeling (1993)提出一个控制系统的计画，希望在澹水鱼研究室建立一套可以监测并控制许多小型循环水槽的系统。控制系统由逻辑控制器、商业化相容的软体及电话拨接器组成。系统将控制养殖用水的温度、溶氧与酸硷值、个别水槽的水温及水位、储水槽的水位、注水管中的流水量、打气管的气屋及电源线等。使用逻辑控制器将提高最初的投资成本，但类似这样的系统应用在水产养殖自动化确有其可行性。
Lee (1991，1993) 已採行工业化程序控制系统应用在水产养殖上。其系统包括微电脑系统(SCADA)执行一套商业化的软体、一个输出入多工器(multiplexer)及许多感测器与计数器。水温、盐度、光周期、酸硷值、溶氧、水流、水位等均在一个封闭式再循环海水的鱼道 (raceway) 中被监测与控制。系统之中还包括一个自动化脱氮生物反应器(de-nitrifying bioreactor)控制海水中硝酸监含量(Lee， 1991， 1993; Whitson et al.,1993)。自动化生物反应器係由一个铺上细菌床巾(bacterial bed) 的管子、感测器组列、输出入多工器、供应碳的帮浦与贮存槽、可调流速帮浦以及一台微电脑所组成(Whitson et al.,1993) 。此一系统採用商业化程序控制套装软体控制，而且也已连续运作了三年。目前，这套系统正准备升级为DCS系统，将可控制分散在三栋连筑内的水产养殖多重水槽系统。
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自动化控制系统配备
建立自动化控制系统所需的配备可分为六个部份：(1)感测器(sensor)或讯号转换器 (transducer) ; (2)计数器 (meter) 、 传输器 (transmitter) 、 信号调节器(signal conditioner) ; (3)输出装置(output device) ; (4) 通讯设备或多工器 (multiplexer) ;(5) 电脑硬体 ; 及(6) 电脑软体等(Dray，l994) 。
感测器
选择适当的感测器是设计自动控制系统最重要的一个步骤。感测器的目的是将环境变数量化转变为数据输出，通常感测器处于最坏的环境下 (如没入水中) ，接受最严厉的考验(Gray，1989)。因此，感测器的选择不仅应考虑其性能，还要注意其耐久性。非金属的感测器如玻璃或塑胶製品比金属製探针持久。自动化系统会发生错误警报，最常见的问题是控制的范围设定太严，第二个原因则是感测器失效。所以感测器必需定期更换，因此感测器的更新与定期校正维修的人力构成系统维护的主要费用。
对每一个系统来说，感测器的型式及安放位置都是特定的，例如在养殖鳟鱼的寒冷澹水中与在养殖虾类的温暖海水中，所要测定的环境变数不会一样。因此，感测器必须是特定而且相容的种类，将来才能选择不同厂牌的感测器与现有的计数器及传输器搭配使用。
计数器
一旦感测器选择以后，特定型式的计数器或传输器就很容易决定。计数器包含将感测器的电子信号转换成数位显示所需的各种电子零组件，也应包括一些与其成比例输出的信号如电压或电流，而且可以被送到控制系统。传输器则仅提供输出信号用并不贝显示功能。只有在讯息需要当场显示的时候计数器才有必要 ; 在大部份情况下选择一个传输器可以节省费用。所有电子零件、线路及电话线都应以防蚀箱或导管保护(最好是PVC 或玻璃纤维製品) ，而且要符合NEMA 4 (美国国家电子製造协会)的标准。这些额外保护箱的成本将可因电子零件寿命延长而得到补偿。在1993年，水产养殖设备已併入国家电子码 (NEC) 的标准，今后所有新的系统都必需坚守这些规范。
输出装置/启动器
水产养殖系统的输出装置在性能上与感测器有许多共同的标准，因为二者同样都处于不良的环境下。启动器与可移动的设备 (如帮浦、安全阀、开关) 在一起，是另一个缺点。因为如果帮浦、安全阀经常关闭或长久不动，很容会易因腐蚀而动弹不得。重複的设备是解决的方法之一。实际上要确定帮浦是运转或停止、安全阀是开或闭的方法，是在下游处多安置一个较便直的水流感测器开关。设备封闭是非常重要的，而且应该使用塑胶安全阀、封闭的帮浦、完全密封并用风扇冷却 (TEFC) 的马达。
通讯设备
绝大部份的养殖业者因为每天使用感测器、计数器、安全阀及帮浦，对这些设备的操作都相当熟悉。他们唯一对自动化系统感到厌烦的，就是不瞭解通讯设备如多工器、数位通讯开关、可程式控制器、智慧型数位通讯及逻辑装置、资料记录器、独立的资料获取及控制装置等。设备是否需要重複安装是首先须要考虑的问题，决定选择分散式控制系统(DCS)或监控与数据收集(SCADA)，将会影响系统的安装与作业成本。其中有二个与输出入相关的技术则影响目前或未来系统的架构：(1) 网路系统的输出入成本显着降低 ; (2) 更高智慧型的输出入装置 (Cleaveland， 1993 ) 。而程序控制工程师对于控制与输出入二项功能(control and I/O function)，究竟是分开独立作业最有效还是应将输出入装置整合较有利，尚有不同的意见。价格与性能的比较(price performance) 成为决定性的因素，因为就避免系统故障来说，系统的设备重複是最安全的措施，但若只是增加智慧型输出入装置(intelligent I/O devices) 的数目而没有经过证实， 则控制系统的安装费用将快速加倍成长。以高密度养殖系统中最重要的功能，例如监测溶氧量及液态氧的注射而言，就可证明智慧型输出入装置对于现场控制系统以及设备重複设置的必要性。
电脑硬体
电脑硬体的选择最容易做决定而且所需费用也最低的。首先必须在IBM相容电脑或麦金塔微电脑之间作一选择。目前大部份商业化控制套装软体都是为IBM相容电脑所设计，但是有一些很好的套装软体却仅能在麦金塔微电脑上使用。大型商业化的监控及资料获取系统 (SCADA)或分散式控制系统 (DAC)的中央模组，所需电脑规格建议如下：(1)中央处理器为 80486-5O MHz至少在 80386SX-2O MHz 以上;(2)主记忆体(RAM) 2 Mb;(3) 如果电脑不是80486以上则需要数学运算处理器; (4)100Mb 硬式磁碟机;(5) VGA彩色显示卡及彩色监视器 (6)1.2 及l.4 Mb软式磁碟机;(7) 一个滑鼠(mouse)或轨迹球 (trackball);(8)一个平行阜及二个串列阜;(9)全高直立式或大型平面式电脑外壳含有六个扩充槽(Slot)。选择性的配备为：一台印表机 ( 列印报告或资料用 ) ，一个数据机 (系统警报电话拨接用) ，一个磁带机或其他大容量储存设备 (供作业系统备份及长时期资料库储存用) 、另有现场操作员介面(如可程式控制的信息显示、触摸萤幕及电脑工作站) 通常设于养殖系统的水槽附近，对输入备忘资料、警报通知、显示系统状态、图形显示系统功能等都非常有用(Anonymous， 1990，Cleaveland， 1993， Herb， 1993) 。 这些介面的应用范围 ，依分散式控制系统设备的需要以及技术人员与控制系统间的沟通情况而定。


电脑软体

流程控制软体的成长，证实了电脑控制系统在製造业、製药业及食品工业上的角色日益重要 (Wolske， 1989，Labs， 1993)。种类多且低成本的套装软体，针对订製控制系统脑软体相关的一些问题提供了解决方桉。选择程序控制系统软体最重要的一点是，仔细评估目前的需要并预估未来的需求，因为修改软体的成本可能超过原本购置价格的四至五倍。控制软体应包括 (1)与控制系统输出入多工器直接沟通的趋动程式 (2) 各种控制功能如高低值设定、逻辑与数学运算、统计控制 (3) 设定控制迴圈 (1oop) 及萤幕显示的选择表单(menu) (4) 即时以图形显示养殖系统功能(5)即时的警报与状况显示、有声及远距电话拨接警报，(6) 突发状况的记录及旧有资料的储存与管理 (7) 统计分析(平均值与范围及圚形显示) (8) 交谈式控制及整批处理的程式 (9) 与不同电脑硬体的相容性(如视讯转接器、共同处理器);(1O)不需停机便可在线上作小部份修正;(11) 有当地厂商的支援而且系统升级 (upgrade) 费用下高。目前大部份程序控制软体都支援具有使用者图形介面(GUI) 的作业系统如Windows与OS/2;考虑未来系统的相容性最好是採用这一类的套装软体(Tomsick,1992，Labs ， 1993)。选择一个具备合理又合乎成本效益升级制度的厂商，对支援软体新功能、改进性能、未来产品的相容性、解决现有软体错误等都会有好处(Labs,1992)。


系统整合

一般养殖业者不可能是一位电脑或电子工程专家，就如同他们不是鱼类病理或营养专家一样。业者必须找一个合格的顾问或公司去帮助他们达成自动化的目标。最好的一条路是与一位有水产养殖自动化经验的控制系统整合专家(SI)接洽。不过，目前这种公司或个人很少。比较有可能的是，找一位对程序控制技术应用在石化、食品加工、运输工业方面有广泛经验的整合专家(Chatha，1989)。这位专家应该参与建置流程控制系统的全部过程，从自动化的构想、经济目标、开发设计、设备安装到系统文件与系统运转。系统完工验收，即控制系统在实际情况下运作的最后测试，是系统安装程序中最后也是最重要的一个步骤 (Levey 及 Leonard，1993)。一个经过适当设计的系统事实上并不需要整合专家长期连缤的支援，但是专家的协助仍是有必要的，以避免控制系统将来被弃而不顾。


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控制系统的设计标准


目标

根据经验，设计自动化系统应从小型系统做起。避免一开始就想要设立一个完美的系统或解决所有的问题，因为很显然的自动化系统运作时必会发现一些看不到的问题，而且在系统管理过桯中也会激发一些革新与改进的意见。 Christie (1989) 指出开始设计自动化控制系统有二种方式 : (1) 由上而下设计 (Top Down); (2) 由下而上设计 (Bottom Up)。由下而上设计强调的是如何(how)建立系统，而由上而下设计则强调建立何种(What)系统。一般而言由上而下设计的方式比较好，因为水产养殖计画的目的就是要赚钱。举例来说，控制系统要如何设计才能使养殖池容易管理，这是事先就应该瞭解的，但最重要的问题是对养殖经营者而言有何经济上的意义。养殖系统能否避免重大的损失?控制系统能否减少养殖经营所需的人力 ?能否藉改善能量效率及饲料消费而增加生产量?


这些问题将决定自动化计画的目标，而不是可资利用的技术问题。在评估任何设计之前，养殖场经理及员工应该为控制系统的经济效益详细建构其目标。在设计及安装过程中的每一个步骤，控制系统的经济效益以及可利用的技术是主要的考量标准。首先，原定的经济目标限制了自动化设计的方式及其处理方法。其次，这些方法将用来决定计画中各种技术的经济效益。经济目标在计画期间可以更改，但到了採购及安装阶段则不宜再变动。目前缺乏技术已不足构成中止自动化计画的理由，但技术的成本将影响最终的计画。缺乏适当的现场感测器 (氨感测器) 或在通讯网路系统的设计阶段遇到技术上旳瓶颈 (图 1 ) 。例如，要确定监测池塘溶氧的设备与控制池水的打气机很简单，但是涉及线路成本或红外线通讯费用时，可能就需要变更监测池塘的总数，或将中央控制系统(SCADA)改为现场控制系统(单迴圈控制器或资料记录器) 。缺乏适当旳现场感测器可用人工检测的方法来瀰补，只要将分析结果直接输入电脑资料库并显示在萤幕上即可。


系统架构

许多公司所生产的个人电脑用流程控制系统软体，可广泛应用在製造业及工业上(Gonales and Wolak，1992) 。估计全球在电脑整台製造业的投资 1991 年为53亿美元((Anonymous，1989．Chatha，1989) ，单是软体在1992 年为1亿美元 (Wolske， 1989;Labs，1993) 。不过，工业用软体通常包括许多额外的功能，有些功能对水产养殖的应用是不必要的。这些软体设计了上千个输出入通道，却缺少一些必要的功能而软体更改费用又很高。因此，发展一套合乎成本效益且专为养殖设计的软体，能顺利运作并且适用于一般硬体设备，对未来发展集约养殖是相当的重要 (Lee， 1991， 1993) 。


现代商业化养殖设施，已经把一些能将原料 (氧、热量、饵料及水)快速转变成高品质产品 (含高蛋白可食用鱼肉)所需的交错处理(interrelated process)及副处理(sub-process) ，变成一个精密的网路系统。这些处理相当于製造业所管理的作业流程(George，1992) ，它随时随地需要整合许多逐一的步骤及複杂的(侧迴圈)程序，以提高生产量并减少损失。由于这样的结果，养殖场的经理及其员工已被迫成为生物化学、动物生理、微生物学、动物行为、工程、建筑及照顾动物 (曾经是他们的主要工作) 的专家。


自动化控制系统的另一项好处是便于从小型系统升级为生产规模的系统。系统在扩大生产之前，所有不太清楚的程序最好先经过小型系统运作，让操作人员能测试各种不同变化的控制 (Dowling and Sullivan,1993)。另外，自动化控制系统所产生全球性即时的资料库，也加速了控制模组的改进，因为资料品质的提升，对一个完美控制模组的製造，有助于减少所需的试验次数(约减少40%的时间 ) 。


系统架构

一个运作正常的程序控制系统，应该直接或间接地收集操作环境以及系统中每一个处理部门的资料(Dray，1994) 。而养殖自动化系统必须能够控制温度、水流、水质、光周期及投饵等。这一类型(Hansen，1987)的系统 (表一) 係靠电脑及特殊软体来运作，其基本配备为：(1) 监控输出入功能 ;(2)供即时的系统时间 ;(3)启动并监控警报器 ; (4) 记录并储存资料「(5) 执行控制与模式化所必需的数学及逻辑运算表一 水产养殖自动化管理系统所使用的流程控制系统软硬体设备需求功能：(6) 与主机的作业系统沟通 ; (7) 提供使用者交谈式图形介面。此外，系统应具有经济性、直觉性、重複性、弹性及免维护等特性，并且能与多种设备相容。图2显示自动控制系统的四种设计模式(Dray，1994)。图2A为封闭式迴圈控制器或资料记录器，是属于简单型低价位的众麙惆謒t统，没有通讯能力但包括一些资料储存功能 (Azabo， 1993) ;图2B为可程式逻辑控制系统(PLC)能在系统最低阶执行控制功能，具高度重複性以避免系统故障，无法储存输出入资料档，显示能力也有限，除非连接一台电脑或终端机(Cleaveland， 1993) ; 图2C为微电脑监控及资料获取系统(SCADA)係专业化系统，提供即时分析 ( 类比与数位 ) 与输出入资料厍储存，可作过去累积资料的趋势分析 (Bailliet，1987; Yingst，1988); 图 2D 为分散式控制系统 (DCS)提供多工(multitasking)、重複设备及大容量资料储存功能，可将数个电脑或可程式逻辑控制系统连成网路(George，1992)。封闭式迴圈控制器PLC为现场控制系统的例子，SCADA为中央控制系统，至于DCS 则为整合型控制系统，包括上述二种型式的单元 (Spennato and Noblett，1992) 。SCADA系统运作效率与DCS 一样，但其成本只有五分之一，唯一浪费的就是设备重複(Yingst， 1988) 。因此，对小型的养殖场或刚开始设置控制系统的大型养殖场而言，SCADA 系统提供了弹性与合理价格的组合。不过，DCS 对大型貵殖场能提供最佳的方桉，因为複杂的控制问题需要特殊的智慧型设备 (如多工器、PLC 或PC )去控制特殊的处理，它还容许别的电脑撷取全部资料作更高阶的控制。例如水产养殖场的经营管理，就可从网路系统上获取最新的资讯 (如动物存量、动物大小、饵料消费量、能源及氧的使用量) 来加以改进。这种DCS 系统因为使用大型主机或迷你电脑网路，其价格一直到最近都还很高 ( 大于50,000美元 ) 。现在使用个人电脑，成本已经降低 (小于 10,000 美元 ) ，也大大改善了DCS系统的相容性并简化其操作程序。事实上，PLC、SCADA 与 DCS 系统之间的差异，已因建立开放式架构与改善其相容性 ， 而变得模煳不分(Spennato and Noblett， 1992) 。 不少 DCS已被製造业(Geroge，1992)、食品加工业 (Nisenfeld，1989)、製药业 (Nisebfeld，1989)、石化工业(Bailliet et al.,1987)、废水处理业 (Came，1987)、农业等用来改善处理品质与提高效益。大型企业化养殖计画必可从这种整合经营的方式获取利益。而DCS 系统配合使用智慧型控制软体，将使大规模集约养殖系统的建立带来希望。


表一、水产养殖自动化管理系统所使用的程序控制软硬体设备需求

硬体设备需求  软体设备需求  硬体设备需求  软体设备需求

输出入监控
低维护

相容性

模组化

调节功能
系统组态
使用者介面

趋势分析

报表与资料录

手动控制
警报监控
资料处理

数学及逻辑功能

即时系统时间

重複设备
设定值控制
调节控制

统计控制

交谈式图形

模拟





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水产养殖控制系统的未来方向


程序控制技术应用在水产养殖上很重要，但有些地方还需要改善，包括感测器的改进与开发、人工智慧应用于程序控制软体、电脑或机器视觉的发展。一些位于远距旳貵殖设施 (如外海箱网与大型养殖池) 也需要发展更经济而精密的通讯协定(protocol) ，如微波、无线电或卫星通讯等协定。毫无疑问的，设计与安装任何现代化控制系统，最重要的目标是考虑未来的相容性。另外，控制系统的设计也应考虑让系统在新技术可行的时候，得以改进或升级。


感测器的改进
感测器设计与耐久性(durability) 的改进，对监控设备在养殖上旳广泛应用扮演重要角色(Dartez，1989)，而这种情况将扩展到自动化养殖系统。使用更耐久的材料并把固体电路 (solid state circuitry)嵌入感测器内 ， 可使探针变得更且小不易衼缠住。有几种新的感测器即将应用在环境监控上， 由压电晶体生物感测器(piezoelectric crystal biosensor) 箝入一个外表涂有对特殊溶解化学药品起反应的振盪晶体 (oscillating crystal) 组成 (Guilbault and Suleiman， 1990) 。 生物感测器的原理是晶体吸附分解质溶液后会成比例的改娈振盪频率。一些传统测定电流与电位感测器 (如酸硷度、离子电极、 氧化还原、导电度等 ) ， 目前已因新材料与新设计的改善而再度加入市场 (Gary，1989; Gennett and Purdy， 1991) 。玻璃纤维感测器由雷射及多层薄膜药剂所组成， 一旦成本降低乜可能应用在水产养殖上(Luo and Walt，1989) 。这些感测器的优点是可减少纠纆，因为抗缠化学物质(antifouling chemicals) 可被加入薄膜药剂层，因此化学物质得以不断地从表面释出。另外，新一代的感测器及启动器正开始出现(Bryzek，1993; Muller and Grumstrup，1993)。这些感测器如温度、压力 、 振动等， 基本上已结合记忆体、数学与逻辑功能及通讯协定形成积体电路(IC)，与流程控制系统具有同样的高阶功能，也有诊断 (diagnostics)能力， 可检查其输出 、检测感测器失效或校正偏差。


人工智慧


控制技术进步最显着的是控制模式软体所使用的编码方法。软体将超越简单的开闭控制或统计控制 ， 而延伸进入到机器智慧 (machine intelligence)或人工智慧的领域。未来最可能应用的技术是专家系统 (Bechtold，1993; Bechtcold，1994; Eliot，1994)与神经网路(neural nets)(Chester，l992) 。专家系统需要以往累积的流程控制经验，而神经网路则可自我学习去控制本身的流程 (Rock and Guerin，1992; Plummer， 1993)。


模楜逻辑控制(Fuzzy logic Control) 理论也很有可能被应用，因为水产养殖所要控制的流桯，经常不易明瞭但具高度的变动性(Karr，1993) 。一些更複杂的工业流程控制软体，现在已包括人工智慧模组。水产养殖上应用人工智慧控制软体的未来趋势为 : 採用溷合功能，专家系统与神经网路结合或模煳控制技术与神经网路结合 ; (2) 由于人工智慧与数学运算有关，硬体设备 (如主机板) 的更新将使执行速度有所改进 ; (3)利用过去的资料去改进记忆(如循环网路) -并以现在的实际数值取代错误的隐藏变数(如强迫学习)，将使神经网路的学习速度加快 ; (4) 因为操作者与控制程式彼此之间会变得更密切，使用者介面 ( 如多媒体、语音辨识 ) 将大为改善(Chester，l992) 。


电脑或机器视觉


即时抓取、观察、分析养殖水槽的视讯影像，则可在远距估计鱼类的大小、体重及活动状况。鱼类活动的分类 (自然状态、摄食、交配、产卵或因压迫造成暴燥)与活动的量化 (quantification) ， 对养殖业者非常有参考价值。远距估计鱼体大小 (体长、体重 ) 可看到鱼类每天的生长情形，并让鱼类在不受干扰的环境下成长。另外，鱼类行为现场即时的量化与估计现存量(biomass) ，对远距的养殖场知外海箱网尤其重要 。 目前机器视觉系统 (machine vision system) 使用静态的影像 ， 尚无法作即时自 动的分析 (Boyle et al.,1993; Petrell et al.,1993; Naiberg et al.,1993) 。 不过，即时旳视讯分析系统不久即将问世(Whitsell and Lee， 1994) 。使用远距摄影机无疑将发现在养殖设施上的其它用途，例如可用来监视人员的活动、报告系统故障情况以及最后收成的自动化处理。



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结 论


商业化水产养殖如室外养殖池、鱼道、外海箱网以及室内水槽系统等，应用现代化流程控制技术将使养殖经营受益。
水产养殖设施自动化的决定应以实际价格为衡量基准。
养殖业者应桹据其养殖场设施的规模大小与複杂度，使用微电脑SCADA与DCS系统，小规模的用SCADA系统，大规模的用DCS 系统。
所有控制系统应该模组化，并可使用不同型式的感测器、启动器，以确保未来系统的相容性。基于未来相容性及维护等相关问题的发生，订製系统应该儘量避免。
养殖业者应信赖程序控制系统整合专家及设备厂商，请其协助并参与控制系统的设计、安装与运作。
未来程序控制技术的改进 (感测器、人工智慧、使用者介面、远距通讯与电脑视觉) 将扩大集约养殖系统的效果。

zhangli9813

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