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    云南省奶牛場智能光照系統(tǒng)設(shè)計與控制參數(shù)整定

    2024-12-31 00:00:00王家陳楊潤承周利明黃蕊黃兆波
    農(nóng)業(yè)工程 2024年8期
    關(guān)鍵詞:參數(shù)優(yōu)化奶牛場牛舍

    摘 要: 針對云南省規(guī)?;膛銎毡榇嬖诘呐I峁庹窄h(huán)境管理與奶牛生理需求不匹配現(xiàn)狀,影響奶牛泌乳性能,設(shè)計了一種基于西門子S7-1500 型PLC 控制架構(gòu)的智能光照系統(tǒng),探尋出符合奶牛實際光照需求的調(diào)控參數(shù)優(yōu)化方法,旨在改善牛舍的光照環(huán)境,提高奶牛機體健康、生產(chǎn)福利及生產(chǎn)性能。希望能夠為其他規(guī)?;膛龈纳婆I岬墓庹窄h(huán)境提供參考。

    關(guān)鍵詞:奶牛場;牛舍;智能光照;系統(tǒng)設(shè)計;參數(shù)優(yōu)化;云南省

    中圖分類號:S26 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1795(2024)08-0088-06

    DOI:10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.015

    0 引言

    牛舍燈光是保障奶牛泌乳性能和機體健康的重要養(yǎng)殖光照因素。舒適的光照環(huán)境能夠促進奶牛產(chǎn)奶量及牛奶品質(zhì)的提升,不良的光照環(huán)境質(zhì)量則影響奶牛生產(chǎn)性能,并對奶牛的機體健康和牛眼器官造成傷害[1]。云南省具有良好的氣候條件和牧草種植資源,適宜奶牛的規(guī)?;B(yǎng)殖與發(fā)展。然而,云南省規(guī)?;膛雠I醿?nèi)養(yǎng)殖環(huán)境的自動化管控水平相對落后,牛舍內(nèi)光照環(huán)境質(zhì)量較差,普遍存在光照時間不足、光照度和光照色溫調(diào)控不合理等現(xiàn)象,對奶牛的生產(chǎn)性能和機體健康造成了一定影響。本研究結(jié)合奶牛生長規(guī)律、生產(chǎn)需求和健康需要,設(shè)計了一套牛舍智能光照系統(tǒng)。系統(tǒng)可實時采集、顯示和監(jiān)測牛舍內(nèi)的光照環(huán)境參數(shù),根據(jù)牛舍內(nèi)光照的變化自適應(yīng)調(diào)控牛舍內(nèi)的燈光時長、燈光強度,為奶牛的生長需求、生產(chǎn)性能發(fā)揮和機體健康提供必要的光照條件保障。同時,為保證牛舍內(nèi)光照周期、光照度和光照舒適度與奶牛的實際光照需求相一致,采用對照試驗和數(shù)據(jù)分析的方法整定出一組較優(yōu)的光照時間和光照度控制參數(shù),驗證了智能光照系統(tǒng)對奶牛產(chǎn)奶量具有正向增長作用。

    1 牛舍光照環(huán)境現(xiàn)狀

    1.1 養(yǎng)殖光照環(huán)境質(zhì)量偏低

    牛舍主要采用包圍式結(jié)構(gòu)設(shè)計,白天利用自然光提供光照,夜間則采用人工控燈方式為奶?;顒犹峁┱彰?。然而,自然光會跟隨季節(jié)和天氣變化,不能有效保障奶牛養(yǎng)殖的光照環(huán)境。同時,奶牛屬于反芻類動物,夜間有進食和反芻習(xí)慣,需要補充足夠的光照條件[2]。大部分奶牛場牛舍的夜間燈光是根據(jù)工作人員的工作照明需求進行設(shè)計的,很少考慮奶牛的夜間活動需求及光照對奶牛生理激素的影響[3]。目前云南省規(guī)模化奶牛場牛舍的自然光照+人工燈光的管控方式不夠科學(xué),導(dǎo)致牛舍內(nèi)光照環(huán)境質(zhì)量偏低,達不到奶牛規(guī)?;B(yǎng)殖的技術(shù)要求。

    1.2 牛舍內(nèi)燈光管理水平落后

    牛舍燈光系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的配電照明方案設(shè)計,全部通過人工手動合閘送電進行控制,牛舍內(nèi)沒有安裝相應(yīng)的光照度和光照色溫傳感器。燈具的開啟與關(guān)閉全憑工作人員的經(jīng)驗或視覺感官判斷,造成牛舍內(nèi)的光照周期不固定,對奶牛采食量、產(chǎn)奶量及生理激素的影響較大。同時,牛舍內(nèi)通常選用普通照明燈具,燈光亮度與光色也是按照工作人員的夜間照明需要進行選配。由于普通燈具的燈光強度和色溫是固定設(shè)置的,不能自動調(diào)節(jié),無法根據(jù)奶牛的光照需求自動調(diào)節(jié),并對奶牛的視力和機體健康造成長期傷害。目前云南省規(guī)?;膛龅呐I釤艄庠O(shè)計和管理措施不夠科學(xué),光照周期、光照度和光照色溫的控制效果與奶牛的實際需求相差甚遠,不利于奶牛養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展。

    1.3 牛舍內(nèi)燈具選用不合理

    大部分奶牛場在牛舍燈具選擇上存在一定誤區(qū)。牛舍燈具通常是以“人”為主體進行選擇,忽視了牛眼與人眼的感光區(qū)別,導(dǎo)致所選用燈具與奶牛感光需求不匹配。調(diào)研發(fā)現(xiàn),大部分牛舍裝設(shè)的燈具為普通LED 燈和藍光燈,能夠滿足奶牛場人員夜間工作需要,但在奶牛眼中普通LED 燈光和藍光則是不可見光。原因是奶牛視網(wǎng)膜上只有2 種視錐細胞,導(dǎo)致奶牛對長波長的紅光敏感,對短波長的藍光不敏感[4]。換言之,奶牛的可見光為橙光與紅光,不可見光為藍光,與人眼截然相反。因此,牛舍中按照人眼的感光條件去選擇牛眼看不見的燈光是不科學(xué)的,而應(yīng)從奶牛的視覺出發(fā)去選擇奶??梢姷募t光和橙光。

    2 養(yǎng)殖光照環(huán)境需求分析

    2.1 光照時間

    奶牛是非季節(jié)性繁殖動物,光照環(huán)境會直接影響奶牛的內(nèi)分泌、性成熟、采食、生長發(fā)育和產(chǎn)奶量[5]。從近幾年奶牛場養(yǎng)殖數(shù)據(jù)可知,自然光照條件下奶牛產(chǎn)奶量與季節(jié)相關(guān),一般在春季最高,夏末秋初最低,10 月以后又逐步回升。李云甫等[6] 采用人工光照的方式,將奶牛每天的光照時間分別由9.5 h 的自然光照增加到15 和18 h,試驗期30 d。結(jié)果表明,光照時間15 h 時,產(chǎn)奶量和采食量均顯著高于9.5 和18 h。因此,在云南省規(guī)?;膛鰺艄庀到y(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)充分考慮奶牛對光照時間的實際需求及光照周期變化作用,從而發(fā)揮光照控制系統(tǒng)的價值。

    2.2 光照度

    奶牛屬于反芻類哺乳動物,在夜間有進食需求。但奶牛天性膽小,若夜間牛舍光照度過低或過亮,都會影響奶牛的反芻和進食。研究表明,舒適的光照度能增加奶牛夜間的食欲,進一步提升奶牛對粗飼料進食量和轉(zhuǎn)化率。合理控制牛舍燈光的強度,能夠增加奶牛夜間的采食量,總產(chǎn)奶量能提高5%~8%[7]。因此,規(guī)?;膛雠I嵋归g燈光照度的調(diào)控應(yīng)與奶牛感光舒適度相一致,才能保障奶牛夜間活動的光照需求。

    2.3 光照色溫

    在牛舍燈光色溫的選擇上應(yīng)從牛眼視角出發(fā),選擇適于奶牛敏感的燈光色溫,從而保障奶牛夜間的可見性。

    3 牛舍智能光照系統(tǒng)設(shè)計

    3.1 總體方案

    牛舍智能光照系統(tǒng)的工作原理,是基于光照傳感器實時采集各牛舍的光照度,并通過光電轉(zhuǎn)化模塊將測量到的光照度轉(zhuǎn)換為4~20 mA 模擬量信號,并傳送至S7-1500 PLC 的模擬量卡件通道,再經(jīng)過S7-1500PLC 的CPU 運算處理后向各燈具發(fā)出光照時間和光照度的控制指令。同時,為保證燈光控制的靈活性與便捷性,本研究在各牛舍的控制柜內(nèi)安裝了觸摸屏,用于現(xiàn)地控制;并在監(jiān)控室配置一臺監(jiān)控主機,用于遠方監(jiān)控。此外,各牛舍還可以通過安全隔離和無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至云端,可在手機APP 端進行實時監(jiān)控。發(fā)展以數(shù)字化、自動化和智能化為特征的智慧奶牛養(yǎng)殖,是實現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖高質(zhì)量發(fā)展的核心任務(wù)[8]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1 所示。

    3.2 硬件設(shè)計

    系統(tǒng)采用設(shè)備層、控制層和應(yīng)用層3 層架構(gòu)設(shè)計,最底層為設(shè)備層,主要由光照傳感器與牛眼專用燈組成;中間層為控制層,由S7-1500 PLC、觸摸屏、交換機與安全隔離裝置及無線網(wǎng)關(guān)組成;最頂層為應(yīng)用層,由監(jiān)控主機和可移動智能終端組成。

    3.3 設(shè)備選擇

    3.3.1 基于牛眼感光特性的專用燈具選擇

    云南省大部分奶牛場目前使用的是交流型220 V 的普通LED 燈,但普通LED 燈的色溫在5 000 K 以上,不符合奶牛的感光要求。同時,交流型220 V 的普通LED 燈存在頻閃和光照度不均勻等現(xiàn)象,會嚴重影響奶牛的夜間活動。由于奶牛天性膽小,受到驚嚇時容易產(chǎn)生應(yīng)激現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)奶量急劇下降。此外,普通LED 燈的燈光強度和色溫不可調(diào)控,也不符合規(guī)?;膛龅臒艄庠O(shè)計要求。針對奶牛對光照度和光色的特殊需求,本研究從泌乳牛感光舒適性和心理安全角度出發(fā),從中山市譽球照明有限公司定制了一款LED光源、可調(diào)控光照度和標準顏色的泌乳牛舍專用燈具,型號為MRGZ01,參數(shù)如表1 所示。

    3.3.2 光照傳感器選擇

    由于牛舍面積較大,為準確測量牛舍內(nèi)地面的光照度,本研究選擇山東仁科測控技術(shù)有限公司RS-GZN01-2 型光照傳感器,測量精度±7%。光照傳感器將采集到的光照度數(shù)值直接轉(zhuǎn)換為4~20 mA 標準信號,并經(jīng)過通信電纜傳送至PLC 的模擬量通道。同時,光照傳感器安裝在采食過道內(nèi)離地高度60~80 cm 的位置,與奶牛采食時眼睛的高度接近。

    3.3.3 控制器PLC 選擇

    PLC 控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中已有成功應(yīng)用的案例,能夠滿足燈光控制系統(tǒng)的可靠性和實時性技術(shù)要求[9]。經(jīng)過選型分析,本研究選擇西門子S7-1500 PLC 控制器作為智能光照系統(tǒng)控制器,配置有以太網(wǎng)通信模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出模塊。其中,模擬量輸入模塊主要接收光照傳感器發(fā)出的4~20 mA 模擬量信號,而模擬量輸出模塊則向牛舍燈光發(fā)送燈光的亮度調(diào)節(jié)指令;開關(guān)量輸出模塊用于牛舍燈開啟與關(guān)閉的控制,開關(guān)量輸入模塊則用于牛舍燈光和光照傳感器運行狀態(tài)信息的采集;此外,以太網(wǎng)通信模塊用于現(xiàn)地PLC 與觸摸屏和后臺交換機的通信,從而實現(xiàn)牛舍燈光的就地與遠程控制。

    3.4 控制回路設(shè)計

    3.4.1 智能光照系統(tǒng)控制電路

    為保證牛舍內(nèi)采食過道光線和光照度的均勻,每間牛舍安裝16 盞牛眼專用燈,全部并聯(lián)接線,由同一個交流接觸器進行控制。同時,為保證各牛舍燈光同時點亮?xí)r的電壓質(zhì)量,采用1 號與3 號牛舍引用L1-N接線、2 號牛舍引用L2-N 接線、4 號牛舍引用L3-N 接線。智能光照系統(tǒng)控制電路設(shè)計如圖2 所示。

    3.4.2 智能光照系統(tǒng)控制信號I/O 分配

    為保證PLC 控制單元實時采集各牛舍的光照數(shù)據(jù)和監(jiān)測燈光運行狀態(tài),實現(xiàn)牛眼專用燈光強度的智能調(diào)控。設(shè)計了燈亮、燈滅、燈故障和光照傳感器故障開關(guān)量輸入信號,以及光照度模擬量輸入信號;開燈、關(guān)燈開關(guān)量輸出指令,以及光照度調(diào)節(jié)模擬量輸出指令。光照系統(tǒng)I/O 分配如表2 所示。

    3.4.3 PLC 外部接線設(shè)計

    為實現(xiàn)PLC 控制單元與光照傳感器及牛眼專用燈的信息交互,各牛舍PLC 控制單元的外部接線設(shè)計如圖3 所示。

    3.5 光照系統(tǒng)控制模式

    牛舍燈光系統(tǒng)的控制分為手動和自動控制兩種模式,工作人員可在觸摸屏、后臺監(jiān)控主機及手機APP進行手動控制,并且通過人機界面實時查看各牛舍的燈光狀態(tài)和光照環(huán)境信息[10]。自動控制模式則是由PLC 系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的周期、光照度等條件,自動控制燈光的開啟、關(guān)閉及燈光亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。牛舍光照系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。

    定光照周期控制的目的是通過光照明、暗周期的交替變化刺激奶牛體內(nèi)激素反應(yīng),最大程度地發(fā)揮奶牛的生產(chǎn)性能[11]。因此,根據(jù)奶牛的飲食與休息規(guī)律將光照周期分為明周期與暗周期, 明周期時長15~18 h,暗周期時長6~9 h;當投入定光照周期自動模式后,系統(tǒng)將在每天07: 00—24: 00 自動開啟牛舍內(nèi)燈光,其余時間則關(guān)閉牛舍內(nèi)的燈光,以保證牛舍的光照時間。

    定光照度控制的目的是向奶牛提供舒適的光照度,刺激奶牛食欲,從而增加奶牛夜間粗飼料的進食量和產(chǎn)奶量[12]。當定光照度控制模式投入后,系統(tǒng)將自動檢測光照傳感器的光照度實時數(shù)值,與PLC 程序中設(shè)定的控制參數(shù)定值進行運算處理,并向牛眼專用燈自動下發(fā)調(diào)節(jié)指令,使牛舍內(nèi)的光照度與設(shè)定參數(shù)保持一致。定光照度閉環(huán)調(diào)節(jié)原理如圖5 所示。

    3.6 人機交互界面設(shè)計

    為了推動奶牛養(yǎng)殖信息化的發(fā)展,更加便捷地對奶牛養(yǎng)殖場進行環(huán)境監(jiān)測和遠程控制,更好地滿足奶牛場牛舍的燈光管理需求,采用手動與自動控制兩種模式[13]。手動模式下由工作人員手動開啟、關(guān)閉各牛舍燈光,并根據(jù)燈光亮度調(diào)節(jié)需求手動輸入控制參數(shù)。光照系統(tǒng)的手動控制人機界面如圖6 所示。

    在自動控制模式下,工作人員可選擇定光照周期控制或定光照度控制模式。光照系統(tǒng)自動控制的人機界面如圖7 所示。

    4 牛舍燈光調(diào)控參數(shù)整定

    4.1 整定方法說明

    牛舍燈光系統(tǒng)與工業(yè)照明控制系統(tǒng)的最大區(qū)別,在于控制參數(shù)整定與光照效果評價。工業(yè)照明控制系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)整定過程較短、控制響應(yīng)速度快,燈光舒適度調(diào)控效果較直觀;但牛舍燈光系統(tǒng)控制參數(shù)整定與優(yōu)化周期較長、難度較大,并且不宜采用工業(yè)照明控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。牛舍燈光系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)需要從奶牛的視角進行整定,由于燈光參數(shù)的變化對奶牛生產(chǎn)性能及機體健康的影響是一個緩慢、較長的過程,需要一定時間后才能在采食量或產(chǎn)奶量上有顯著變化。為此,本研究提出以奶牛的產(chǎn)奶量作為評價指標,采用對照試驗和數(shù)據(jù)分析的方法對牛舍智能光照系統(tǒng)的光照時間、光照度的控制參數(shù)進行整定,并選擇一組較優(yōu)的光照時間和光照度控制參數(shù)置入控制系統(tǒng)[14]。

    4.2 智能光照系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)整定

    在云南省某奶牛場選擇50 頭平均產(chǎn)奶量(24.6±2.8) kg/周、平均胎次( 2.2+0.9) 次、體型大?。?43±69)cm 的健康泌乳期奶牛。隨機選出5 頭奶牛作為對照組,圈養(yǎng)在傳統(tǒng)牛舍,并按自然光照進行控制;另外45 頭奶牛平均分成9 小組,進行不同光照時間與光照度對奶牛產(chǎn)奶量的影響試驗,每個試驗因素取3 個水平,即光照時間13、15 和18 h,光照度150、200 和250 lux。試驗全過程所有奶牛飼喂的精料、粗料及相關(guān)飼草成分構(gòu)成一致,試驗參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

    4.3 試驗結(jié)果與參數(shù)確定

    影響奶牛生產(chǎn)性能的主要因素包括遺傳因素、環(huán)境因素和生理因素,要提高奶牛的生產(chǎn)性能,必須充分了解影響奶牛生產(chǎn)性能的因素[15-16]。由表3 可知,各小組的周平均產(chǎn)奶量增加值都不相同,說明牛舍內(nèi)光照時間和光照度對奶牛的產(chǎn)奶量影響存在差異。SY-5 組的周平均產(chǎn)奶量增加值最大,初步斷定光照時間15 h 和光照度200 lux 最有利于奶牛的生產(chǎn)性能發(fā)揮。

    為深入分析光照時間與光照度對奶牛產(chǎn)奶性能的影響,對表3 進行重新歸類、計算和極差分析,結(jié)果如表4 所示。

    由表4 可知,光照時間15 h 參與的3 次試驗的平均產(chǎn)奶量增加值最高值為25.44 kg,說明15 h 光照時間對奶牛產(chǎn)奶量的影響大于13 和18 h; 光照度200 lux 對應(yīng)的平均產(chǎn)奶量增加值最高為20.36 kg,同樣說明200 lux 光照度對奶牛產(chǎn)奶量的影響大于150 和250 lux。光照時間的極差值13.43 kg 遠大于光照度的極差值2.79 kg,表明光照時間是影響奶牛產(chǎn)奶量的主要光照因素。分析表明,光照時間15 h 和光照度200 lux是云南省某奶牛場的最佳光照組合方式。

    本研究以試驗小組奶牛的周平均產(chǎn)奶量增加值為評價指標,選擇周平均產(chǎn)奶量增加值最多的小組SY-5的光照時間15 h 和光照度200 lux,作為智能光照控制系統(tǒng)的燈光控制參數(shù)設(shè)定值。從試驗后期奶牛場總產(chǎn)奶量增加值來看,以對照試驗來整定和選擇光照時間和光照度的方法是可行的,并可以用于其他養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的整定和控制。

    5 結(jié)束語

    傳統(tǒng)奶牛場主要以“人”的感光方式和工作需求實施牛舍的光照系統(tǒng)設(shè)計,忽視了“牛眼”的特殊感光方式,較少從奶牛的視角和感光舒適度出發(fā)對燈光系統(tǒng)進行設(shè)計和控制。本研究對云南省規(guī)?;膛雠I釤艄饪刂啤⒐芾憩F(xiàn)狀和控制需求進行分析與研究,設(shè)計了基于西門子S7-1500 PLC 控制架構(gòu)的智能光照系統(tǒng)方案、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、控制模式、人機交互界面及控制參數(shù)整定等,為云南省規(guī)?;膛鲳B(yǎng)殖環(huán)境的智能化控制提供技術(shù)參考。同時希望為其他規(guī)?;膛龈纳婆I岬墓庹窄h(huán)境提供設(shè)計思路。

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