Giải pháp giám sát môi trường cho trang trại chăn nuôi gia súc & gia cầm

Khi toàn cầu hóa tăng tốc, sự lây lan của cúm gia cầm trên toàn thế giới cũng tăng nhanh. Gần đây, các quốc gia trong đó có Đài Loan và Nhật Bản đã tiến hành tiêu hủy hàng loạt gia cầm để làm chậm sự lây lan và ngăn chặn các đợt bùng phát mới, dẫn đến tình trạng thiếu nguồn cung trứng. Ở Đài Loan, hầu hết các trang trại chăn nuôi gia cầm vẫn áp dụng phương pháp nuôi truyền thống - chuồng trại ngoài trời. Với các mặt của chuồng mở ra môi trường ngoài trời, gia cầm dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Kết quả là mức độ miễn dịch của gia cầm giảm góp phần làm tăng nguy cơ nhiễm trùng.

Một môi trường sống thoải mái đảm bảo sức khỏe và sự an toàn của gia cầm và điều này có thể đạt được nhờ thiết bị giám sát và kiểm soát môi trường. Nghiên cứu điển hình này minh họa cách hệ thống giám sát môi trường thông minh ICP DAS cung cấp cho người chăn nuôi gia cầm một môi trường chăn nuôi tối ưu giúp giảm bớt tác động của sự thay đổi theo mùa đối với sản lượng trứng.

Giải pháp giám sát môi trường cho trang trại chăn nuôi gia súc & gia cầm

Cấu trúc hệ thống bao gồm năm phần:

• Giám sát & Kiểm soát Môi trường
• Giám sát nguồn điện
• Quản lý tài nguyên nước
• Quản lý nguồn cấp thức ăn
• Điện toán biên & Quản lý từ xa.

1. Giám sát và kiểm soát môi trường

Để giám sát môi trường, khách hàng đã triển khai Trạm thời tiết mini DLW-1023 bên trong chuồng của trang trại ngỗng để phát hiện thông tin về CO, CO2, chất dạng hạt, tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm, độ chiếu sáng, v.v. DL-305-IP43 Bộ ghi dữ liệu thu thập dữ liệu trên NH3, trong khi Bộ ghi dữ liệu DL-306-IP65 đo các giá trị H2S. Ngoài ra, Module đầu vào kỹ thuật số M-7051-G giám sát trạng thái hệ thống chiếu sáng và tấm làm mát, trong khi Module M-7055-G kiểm soát trạng thái bật/tắt của quạt thông gió.

Tất cả thông tin thu thập được sẽ được truyền đến IIoT Edge Controller WISE-5231 bằng Modbus RTU. WISE-5231 hỗ trợ bo mạch mở rộng I/O XV107, giúp nó có khả năng điều khiển thiết bị chiếu sáng và hệ thống tấm làm mát. Đồng thời, dữ liệu được đưa về phần mềm Scada AVEVA Edge trong trung tâm điều khiển thông qua Modbus TCP để trực quan hóa và quản lý dữ liệu.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống - quan trắc môi trường.

Series DLW-1000 – trạm thời tiết mini đo dữ liệu khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa, độ rọi, áp suất khí quyển và mực nước biển; Dòng sản phẩm này cũng đo dữ liệu chất lượng không khí theo thời gian thực, bao gồm CO, CO2, O2, NH3, HCHO, H2S, PM1/2.5/10 và TVOC. Ngoài ra, toàn bộ dòng sản phẩm này đều hỗ trợ các giao thức truyền thông Modbus RTU/TCP và MQTT.

Series DLW-1000 cung cấp thiết kế bảo vệ IP54 cũng như quạt cấp và xả. Thiết kế ngăn chặn hiệu quả mưa xiên do gió mạnh xâm nhập vào mô-đun. Ngoài ra, các đầu nối chống nước và bảo vệ cho RS-485 và Ethernet (có hỗ trợ PoE) cũng được cung cấp để đảm bảo hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt.

Trong trường hợp này, khách hàng sử dụng DLW-1023 để đo nhiệt độ, độ ẩm, độ sáng, tốc độ gió, CO, CO2 và PM1/2.5/10. Sau đó, dữ liệu được thu thập sẽ được gửi đến Bộ điều khiển IIoT thông minh WISE-5231 để thực hiện các chức năng điều khiển và cảnh báo logic đơn giản.

Series DL-300 cung cấp màn hình cảm ứng LCD, dùng để đo và ghi lại dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, CO, CO2, HCHO, TVOC, NH3 và H2S kèm theo ngày tháng và bao gồm cả mốc thời gian. Nó có thể lưu trữ tới 450.000 bản ghi có thể tải xuống. Dòng sản phẩm này hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông khác nhau như DCON, Modbus RTU, Modbus TCP và MQTT, có thể được tích hợp liền mạch với các hệ thống HMI hoặc SCADA.

Nhân viên quản lý có thể tải xuống Ứng dụng iAir do ICP DAS phát triển trên thiết bị di động để truy xuất dữ liệu thời gian thực được giám sát bởi series DL-300 bất cứ lúc nào và gửi tin nhắn tới màn hình LCD được tích hợp trên các mô-đun. Ngoài ra, ICP DAS iAir Utility – một phần mềm miễn phí – có thể được cài đặt trên PC để sử dụng nhóm cho nhiều mô-đun dòng DL-300 và xuất tệp CSV để nhân viên quản lý kiểm tra và quản lý dữ liệu từ xa và thuận tiện.

Trong trường hợp này, khách hàng sử dụng bộ ghi dữ liệu DL-305-IP43 để đo nồng độ NH3 và sử dụng bộ ghi dữ liệu DL-306-IP65 để phát hiện giá trị H2S. Dữ liệu thu được sau đó được truyền đến WISE-5231 bằng giao thức truyền thông Modbus RTU.

M-7051/M-7051D cung cấp đầu vào kỹ thuật số 16 kênh, chấp nhận cả tiếp xúc khô và ướt. Module này cung cấp khoảng cách nối dây tối đa là 500 mét đối với tiếp xúc khô, giúp nó phù hợp cho các phép đo trên khoảng cách xa. Ngoài ra, Module còn mang đến khả năng bảo vệ chống phóng tĩnh điện (ESD) lên đến 4 kV và khả năng cách ly trong mô-đun có thể chịu được điện áp lên tới 3750 VDC. Tất cả các kênh đều có tính năng cách ly được kích hoạt bởi bộ ghép quang. Mô-đun này có thể hoạt động như một bộ đếm 16 bit và có 16 đèn LED trạng thái giúp giám sát trạng thái kênh.

M-7055/M-7055D cung cấp đầu vào kỹ thuật số 8 kênh và đầu ra kỹ thuật số 8 kênh với khả năng cách ly trong mô-đun. Mô-đun này cung cấp đầu vào sink or source và có thể hoạt động như bộ đếm 16 bit. Ngoài ra, mô-đun này hỗ trợ đầu ra tìm nguồn cung ứng với khả năng bảo vệ ngắn mạch. M-7055D có 16 đèn LED trạng thái giúp giám sát trạng thái kênh.

2. Giám sát nguồn điện

Để giám sát nguồn điện, khách hàng lắp đặt Đồng hồ đo điện thông minh 3 pha PM-3133-100 bên trong chuồng của trang trại để theo dõi mức tiêu thụ điện trên toàn trang trại. Dữ liệu thu được sẽ được truyền đến WISE-5231 bằng Modbus RTU. WISE-5231 thực hiện logic tự động, tắt các thiết bị không cần thiết khi thiết bị trên toàn trang trại tiêu thụ quá nhiều năng lượng. Khả năng này làm giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể. Đồng thời, WISE-5231 gửi dữ liệu đến phần mềm Scada AVEVA Edge của trung tâm điều khiển bằng Modbus TCP để quản lý và trực quan hóa dữ liệu.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống - giám sát nguồn điện

Series PM-3000 – đồng hồ đo điện thông minh có các phép đo có độ chính xác cao (<0,5%, PF=1) và chúng phù hợp để đo dòng điện ở phía sơ cấp mang điện áp thấp và phía thứ cấp mang điện áp trung bình và cao. Khả năng của dòng PM-3000 cho phép người dùng có được dữ liệu chính xác và đáng tin cậy về mức tiêu thụ năng lượng cũng như giám sát và vận hành thiết bị trong thời gian thực.

Dòng PM-3000 cung cấp máy biến dòng điện dạng kẹp (CT) để đo lường và hỗ trợ Modbus RTU, Modbus TCP và CANopen. Dòng sản phẩm này còn hoạt động cùng với đầu ra rơle 2 kênh, cho phép tích hợp với các thiết bị báo động và hệ thống chiếu sáng. Trong trường hợp này, Đồng hồ đo điện thông minh 3 pha PM-3133-100 thu thập dữ liệu tiêu thụ điện năng của thiết bị và truyền dữ liệu đến Bộ điều khiển biên IIoT thông minh WISE-5231 thông qua Modbus RTU.

3. Quản lý tài nguyên nước

Về quản lý tài nguyên nước, WISE-5231 thu thập dữ liệu được phát hiện bởi máy đo nước và độ pH được lắp đặt trong bể. Trong trường hợp mực nước tăng hoặc giảm quá mức, WISE-5231 thực hiện thực hiện logic tự động và tắt/bật van điện từ thông qua Mô-đun rơle nguồn tM-R5 để điều chỉnh lưu lượng nước. Trong khi đó, WISE-5231 truyền thông tin thu được đến AVEVA Edge trên trung tâm điều khiển thông qua Modbus TCP để quản lý và trực quan hóa dữ liệu.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống - quản lý tài nguyên nước.

tM-R5 cung cấp đầu ra 5 kênh relay. Trong trường hợp này, tM-R5 được triển khai để nhận lệnh từ WISE-5231, điều chỉnh lưu lượng nước bằng cách tắt/bật van điện từ khi mực nước vượt quá hoặc giảm xuống dưới giá trị ngưỡng.

4. Quản lý thức ăn

Để quản lý thức ăn của gia súc, khách hàng cài đặt Màn hình HMI cảm ứng TPD-433F-H và VPD-143-H để thu thập và hiển thị dữ liệu tương ứng thu được từ cân kỹ thuật số và cân treo. Sau đó, dữ liệu được gửi đến WISE-5231 bằng Modbus RTU để thực thi logic tự động. Khi số đọc của cân kỹ thuật số và cân treo giảm xuống dưới giá trị ngưỡng thấp hơn được định cấu hình trước, WISE-5231 sẽ kích hoạt động cơ cấp liệu thông qua Mô-đun rơle nguồn & đầu vào kỹ thuật số tM-PD3R3 để nạp lại nguồn cấp dữ liệu. Đồng thời, WISE-5231 trả dữ liệu về AVEVA Edge trên trung tâm điều khiển thông qua Modbus TCP để quản lý và trực quan hóa dữ liệu.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống - quản lý thức ăn.

Series TPD/VPD – màn hình cảm ứng HMI màu độ phân giải cao, đồng hồ thời gian thực (RTC) và nhiều giao diện truyền thông khác nhau như RS-232/RS-485, Ethernet và USB.

Trong hai dòng sản phẩm, dòng TPD phù hợp lý tưởng cho việc tự động hóa nhà ở và tòa nhà, trong khi dòng VPD được thiết kế đặc biệt cho tự động hóa nhà máy và máy móc. Dòng TPD đi kèm với bộ rung tích hợp và cung cấp các hộp treo tường bên ngoài chuyên dụng, cho phép mô-đun hòa hợp với môi trường xung quanh và trở nên ít gây chú ý hơn. Dòng VPD có bàn phím cao su và mặt trước có xếp hạng IP65 - bảo vệ chống nước và bụi. Các tính năng này giúp nó rất phù hợp cho các ứng dụng trong nhà máy có môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

tM-PD3R3 cung cấp 3 đầu vào kỹ thuật số và 3 đầu ra rơle, đồng thời mỗi kênh có tính năng cách ly được kích hoạt bởi bộ ghép quang. tM-PD3R3 được triển khai trong trường hợp này nhận lệnh từ WISE-5231, kích hoạt động cơ trung chuyển để bổ sung nguồn cấp dữ liệu khi cần thiết.

5. Điện toán biên & Quản lý từ xa

Dòng bộ điều khiển biên IIoT thông minh ICP DAS WISE được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau, cho phép giám sát và điều khiển logic. Câu lệnh IF-THEN-ELSE tích hợp cung cấp khả năng thực thi logic tự động một cách ổn định và hiệu quả. Giả sử xảy ra sự gián đoạn trong giao tiếp giữa bộ điều khiển và trung tâm điều khiển. Trong trường hợp đó, dòng WISE đặt tại hiện trường vẫn thực hiện các chức năng tính toán biên, tính toán, lập lịch và gửi tin nhắn cảnh báo qua email/Line/WeChat/SMS.

Bộ ghi dữ liệu tích hợp của dòng WISE cung cấp khả năng phục hồi dữ liệu, tự động truyền tất cả dữ liệu đến trung tâm điều khiển. Những điều này đảm bảo truyền dữ liệu hoàn chỉnh và không cần phải lo lắng về việc mất dữ liệu. Ngoài ra, dòng WISE có thể được sử dụng với các bo mạch mở rộng DI/DO của dòng bo mạch XV cho các ứng dụng yêu cầu giải pháp I/O trên nhiều lĩnh vực. Các bảng mở rộng có thể được lắp trực tiếp vào dòng WISE, giúp tiết kiệm không gian đáng kể.

AVEVA Edge là phần mềm toàn diện có khả năng phát triển các ứng dụng HMI và SCADA đầy đủ tính năng với nhiều công cụ cơ bản khác nhau được cung cấp. Nó hỗ trợ tất cả các nền tảng thời gian chạy Windows, bao gồm Windows Embedded Compact, Windows Embedded Standard, Windows 8.1/10 và Windows Server Editions (Server 2012/2016/2019).

Bên cạnh việc chạy AVEVA Edge trên PC, người dùng còn có thể truy cập từ xa vào giao diện phần mềm trên trình duyệt web bằng điện thoại di động. Trong trường hợp nghiên cứu này, dữ liệu của trang trại được truyền đến trung tâm điều khiển để trực quan hóa trên web. Phần mềm AVEVA Edge HMI/SCADA tổng hợp dữ liệu được thu thập để tạo biểu đồ xu hướng nhằm phân tích và xuất báo cáo ở các định dạng khác nhau, bao gồm CSV, PDF và Excel. Khi xảy ra sự bất thường trong dữ liệu thu được từ trang trại, AVEVA Edge sẽ đưa ra cảnh báo cho nhân viên quản lý để khắc phục sự cố.

Kết luận

Việc giám sát môi trường giúp chủ nuôi gia cầm nắm bắt được các yếu tố môi trường, cho phép họ thực hiện các biện pháp kịp thời khi phát hiện các dấu hiệu bất thường và ngăn ngừa lây lan dịch bệnh. Trong thời gian dịch cúm gia cầm bùng phát, giám sát môi trường cũng giúp các cơ quan chính phủ và cơ quan nông nghiệp xác minh khu vực bị nhiễm bệnh và hỗ trợ những người ra quyết định xây dựng các chiến lược và kế hoạch dự phòng đại dịch hiệu quả.

Các giải pháp thông minh ICP DAS đã chứng tỏ được hiệu quả của mình trên thực tế trên nhiều lĩnh vực khác nhau, như: giải pháp nuôi trồng thủy sản thông minh, hệ thống tưới nước thông minh được triển khai trên cánh đồng ngô, v.v. ICP DAS xây dựng các hệ thống canh tác thông minh để quản lý trang trại hiệu quả bằng cách sử dụng công nghệ kỹ thuật số, cho phép khách hàng cập nhật điều kiện và cải thiện hiệu quả hoạt động một cách dễ dàng.