Освещение коровника: лучшие светодиодные светильники для коровника

Каталог:
1. Текущее состояние освещения в коровниках
2. Анализ требований к освещению в животноводческих
помещениях 3. Проектирование интеллектуальной системы освещения для коровников
4. Конфигурация параметров управления освещением коровника
5. Лучшие светодиодные светильники для коровников

Освещение в коровниках играет решающую роль в аквакультуре, влияя на лактацию и общее состояние здоровья молочных коров. Правильно спроектированная система освещения может повысить как продуктивность, так и качество молока, в то время как недостаточное освещение может негативно сказаться на продуктивности молочных коров и нанести вред их здоровью и зрению.

В рамках данного исследования была разработана интеллектуальная система освещения для коровников, адаптированная к потребностям роста, продуктивности и здоровья молочных коров. Система способна отслеживать, отображать и корректировать параметры освещения в режиме реального времени в зависимости от условий в коровнике. Она может изменять продолжительность и интенсивность освещения в зависимости от изменений окружающей среды, обеспечивая оптимальное освещение для роста, продуктивности и здоровья коров.

Кроме того, чтобы привести цикл освещения, интенсивность и комфорт в соответствие с реальными потребностями молочных коров, путем тестирования и анализа данных были установлены оптимальные параметры управления продолжительностью и интенсивностью освещения, которые продемонстрировали, что интеллектуальная система освещения положительно влияет на производство молока.

1. Текущее состояние освещения в коровниках

1.1 Низкое качество освещения в сельском хозяйстве

Скотоводческие помещения обычно имеют закрытую конструкцию, которая использует естественное освещение днём и искусственное ночью. Однако естественное освещение меняется в зависимости от сезона и погоды, что делает его ненадёжным для молочного животноводства.

Поскольку молочные коровы — жвачные животные, которые часто едят и жуют по ночам, им требуется достаточное освещение в эти часы. К сожалению, ночное освещение на молочных фермах в основном предназначено для удобства персонала, а не для удовлетворения потребностей коров в ночной активности и влияния света на их гормональный фон.

В настоящее время сочетание естественного и искусственного освещения на крупных молочных фермах провинции Юньнань не имеет под собой научной основы, что приводит к неудовлетворительной освещенности, не соответствующей техническим стандартам для крупных молочных ферм.

1.2 Управление освещением в коровниках устарело

Системы освещения в коровниках в основном основаны на традиционных схемах распределения электроэнергии с ручным управлением. В этих помещениях не установлены датчики интенсивности освещения или цветовой температуры. В результате работа освещения зависит исключительно от опыта или визуального восприятия персонала, что приводит к неравномерности световых циклов, что существенно влияет на потребление корма, продуктивность и гормональный баланс молочных коров.

Кроме того, обычно используются стандартные осветительные приборы, яркость и цвет которых подбираются в зависимости от ночных потребностей рабочих, а не коров. Поскольку эти обычные лампы имеют фиксированную интенсивность света и цветовую температуру, которые невозможно регулировать автоматически, они не отвечают требованиям к освещению для молочных коров, что может нанести вред их зрению и общему здоровью.

Проектирование и методы управления освещением на крупных молочных фермах не имеют под собой научной основы, а контроль световых циклов, интенсивности и цветовой температуры не соответствует реальным потребностям коров, что препятствует здоровому развитию молочного животноводства.

1.3 Неправильный выбор ламп в коровниках

На многих молочных фермах существуют ошибочные представления о выборе ламп для коровников. При выборе часто приоритет отдаётся потребностям человека, игнорируя различия в светочувствительности коров и людей. В результате выбранные лампы не соответствуют требованиям к светочувствительности молочных коров.

Исследования показывают, что большинство коровников оборудованы стандартными светодиодными светильниками и синим освещением, которые служат для освещения сельскохозяйственных рабочих в ночное время, но не видны коровам. Это связано с тем, что у коров в сетчатке глаза есть только два типа колбочек, что делает их чувствительными к длинноволновому красному свету и нечувствительными к коротковолновому синему свету.

По сути, коровы видят оранжевый и красный свет, в то время как синий свет для них невидим, что противоречит человеческому зрению. Поэтому выбирать освещение, основываясь на светочувствительности человека, ненаучно, тогда как следует ориентироваться на то, что видят коровы, что приводит к необходимости использовать красный и оранжевый свет, учитывающий особенности их зрения.

2. Анализ требований к освещению для разведения

2.1 Продолжительность освещения

Молочные коровы не являются сезонными животными, и условия освещения существенно влияют на их эндокринную систему, половое созревание, пищевые привычки, рост и молочную продуктивность. Последние данные с молочных ферм показывают, что молочная продуктивность при естественном освещении варьируется в зависимости от сезона: пик приходится на весну, снижение – на конец лета и начало осени, а затем постепенно восстанавливается после октября.

Исследования Ли Юньфу и его коллег показали, что увеличение продолжительности ежедневного освещения с 9,5 часов естественного света до 15 или 18 часов в течение 30-дневного эксперимента привело к повышению надоев молока и потребления корма при 15 часах по сравнению с 9,5 и 18 часами.

Следовательно, при проектировании системы освещения для крупных молочных ферм важно учитывать фактическую продолжительность освещения, необходимую молочным коровам, и влияние колебаний светового цикла, чтобы максимально использовать преимущества системы управления освещением.

2.2 Интенсивность света

Будучи жвачными млекопитающими, молочные коровы нуждаются в ночном кормлении. Однако они от природы пугливы, и неправильное освещение — слишком тусклое или слишком яркое — может помешать их пережевыванию и кормлению.

Исследования показывают, что оптимальная интенсивность освещения может улучшить ночной аппетит молочных коров, что приводит к улучшению потребления грубых кормов и повышению конверсии. Правильное управление интенсивностью освещения в коровнике может повысить потребление кормов в ночное время, потенциально увеличивая общую продуктивность на 5–8%.

Поэтому регулирование интенсивности ночного освещения на крупных молочных фермах должно соответствовать светочувствительности молочных коров, чтобы эффективно удовлетворять их потребности в освещении.

2.3 Цветовая температура света

При выборе цветовой температуры для освещения коровника важно учитывать зрительную чувствительность молочных коров, чтобы они хорошо видели в ночное время.

3. Проектирование интеллектуальной системы освещения для животноводческих помещений

3.1 Общий обзор

Интеллектуальная система освещения для животноводческих помещений работает по принципу непрерывного контроля освещенности в каждом животноводческом помещении с помощью датчиков освещенности. Измеренная освещенность преобразуется в аналоговый сигнал 4–20 мА с помощью фотоэлектрического преобразователя, который затем передается на аналоговый канал платы ПЛК S7-1500.

После обработки данных центральный процессор ПЛК выдаёт команды управления продолжительностью и интенсивностью освещения для каждой лампы. Для повышения гибкости и простоты управления освещением в шкафу управления каждого коровника установлен сенсорный экран для локального управления, а центральный компьютер мониторинга в комнате мониторинга обеспечивает удалённый контроль.

Кроме того, каждый коровник может передавать данные в облако через защищенный беспроводной шлюз, обеспечивая мониторинг в режиме реального времени через мобильное приложение. Основная цель — разработка интеллектуальной системы молочного животноводства, характеризующейся цифровизацией, автоматизацией и интеллектуальными технологиями, что необходимо для качественного развития молочного животноводства.

3.2 Архитектура оборудования

Система имеет трёхуровневую архитектуру, включающую уровень устройств, уровень управления и уровень приложений. Нижний уровень устройств включает датчики света и специализированные светильники для коров. Средний уровень управления включает ПЛК S7-1500, сенсорный экран, переключатели, устройства защитной изоляции и беспроводной шлюз. Верхний уровень приложений включает хост-систему мониторинга и мобильный интеллектуальный терминал.

3.3 Выбор оборудования

3.3.1 Выбор специализированных ламп с учетом светочувствительности глаз коров

В настоящее время большинство молочных ферм провинции Юньнань используют стандартные светодиодные светильники, работающие от сети переменного тока 220 В. Однако цветовая температура этих обычных светодиодных светильников превышает 5000 К, что не соответствует потребностям молочных коров в светочувствительности.

Кроме того, эти лампы, как правило, мерцают и обеспечивают неравномерное освещение, что негативно сказывается на поведении молочных коров в ночное время. Учитывая, что молочные коровы от природы пугливы, они могут испытывать стресс при испуге, что приводит к значительному снижению надоев.

Кроме того, интенсивность света и цветовая температура стандартных светодиодных светильников не регулируются, что не соответствует требованиям к освещению для крупных молочных ферм. Для удовлетворения особых потребностей в освещении молочных коров в рамках данного исследования был разработан специальный светильник для коровников в период лактации, оснащенный светодиодным источником света с регулируемой интенсивностью и стандартным цветом, приобретенным у компании Zhongshan Yuqiu Lighting Co., Ltd. (модель MRGZ01). Технические характеристики приведены в таблице 1.

Таб.1 Параметры специальных светильников для дойных коровников

Освещение коровника: лучшие светодиодные светильники для коровника

3.3.2 Выбор датчика освещенности

Учитывая обширную площадь загона для скота, в этом исследовании был выбран датчик освещенности RS-GZ-N01-2 от компании Shandong Renke Measurement and Control Technology Co., Ltd. для точного измерения интенсивности освещения земли.

Точность измерения данного датчика составляет ±7%. Он преобразует измеренную интенсивность света в стандартный сигнал 4–20 мА, который затем передается в аналоговый канал ПЛК по кабелю связи. Датчик устанавливается в кормовом проходе на высоте 60–80 см от земли, что соответствует уровню глаз коров во время кормления.

3.3.3 Выбор контроллера ПЛК

Технология управления на основе ПЛК доказала свою эффективность в сельском хозяйстве, отвечая требованиям надежности и оперативности управления освещением. После анализа для интеллектуальной системы освещения был выбран ПЛК Siemens S7-1500. Он включает в себя модуль связи Ethernet, модуль аналогового ввода, модуль аналогового вывода, модуль коммутационного ввода и модуль коммутационного вывода.

Модуль аналогового входа получает сигнал 4–20 мА от датчика освещенности, а модуль аналогового выхода отправляет команды регулировки яркости на освещение загона для скота. Модуль выхода переключателя управляет включением/выключением освещения, а модуль входа переключателя собирает информацию о рабочем состоянии как от освещения загона для скота, так и от датчика освещенности.

Кроме того, модуль связи Ethernet облегчает связь между локальным ПЛК, сенсорным экраном и фоновым коммутатором, обеспечивая как локальное, так и удаленное управление освещением коровника.

3.4 Проектирование схемы управления

3.4.1 Схема управления интеллектуальной системой освещения

Для обеспечения равномерного освещения кормового прохода в каждом коровнике установлено 16 специализированных светильников для освещения глаз коров. Все светильники подключены параллельно и управляются одним контактором переменного тока. Для поддержания качества напряжения при включении всех светильников в первом и третьем коровниках используется схема L1-N, во втором — L2-N, а в четвертом — L3-N.

3.4.2 Распределение сигналов управления для интеллектуальной системы освещения

Чтобы блок управления ПЛК мог собирать данные об освещении в режиме реального времени в каждом коровнике и контролировать его рабочее состояние, интенсивность специализированного освещения для глаз коров может регулироваться интеллектуально. Это включает в себя входные сигналы переключения для включения, выключения, отключения освещения и отказа датчика освещенности, а также аналоговый входной сигнал для управления освещением.

Кроме того, предусмотрены команды переключения выходов для включения и выключения освещения, а также аналоговые команды для регулировки освещенности. Конфигурация входов/выходов системы освещения представлена в таблице 2.

Таб.2 Распределение ввода-вывода световой системы

Освещение коровника: лучшие светодиодные светильники для коровника

3.4.3 Проектирование внешней проводки для ПЛК

Для облегчения связи между блоком управления ПЛК, датчиком освещенности и специализированной лампой для глаз коров была разработана внешняя проводка для блока управления ПЛК в каждом коровнике.

3.5 Режим управления системой освещения коровника

Система освещения коровника работает в двух режимах: ручном и автоматическом. Сотрудники могут вручную регулировать освещение с помощью сенсорного экрана, хоста фонового мониторинга или мобильного приложения, что позволяет им отслеживать состояние освещения и условия окружающей среды в каждом коровнике в режиме реального времени через пользовательский интерфейс. В автоматическом режиме система ПЛК управляет освещением, автоматически включая и выключая его, а также регулируя яркость в соответствии с заданными циклами, интенсивностью света и другими факторами.

Целью управления фиксированным световым циклом является усиление гормонального ответа у коров посредством чередования периодов света и темноты, что оптимизирует их продуктивность. В зависимости от особенностей питания и отдыха молочных коров световой цикл подразделяется на световую фазу продолжительностью от 15 до 18 часов и темную фазу продолжительностью от 6 до 9 часов. При активации автоматического режима фиксированного светового цикла система будет включать освещение в коровнике ежедневно с 7:00 до 24:00 и выключать его в остальное время, чтобы обеспечить коровам достаточное освещение.

Целью фиксированного управления освещением является обеспечение молочных коров комфортной интенсивностью освещения, которая повышает их аппетит, что приводит к увеличению потребления грубых кормов и молочной продуктивности в ночное время. При реализации этого режима управления система автоматически отслеживает текущую интенсивность освещения с помощью датчика, обрабатывает эти данные, сравнивая их с заданными параметрами управления в программе ПЛК, и посылает команды регулировки специализированным светильникам для глаз коров, поддерживая необходимую интенсивность освещения в коровнике.

3.6 Проектирование интерфейсов взаимодействия человека с компьютером

Для повышения информатизации молочного животноводства, упрощения мониторинга окружающей среды, обеспечения удалённого управления фермой и эффективного управления освещением в коровниках реализованы как ручной, так и автоматический режимы управления. В ручном режиме персонал отвечает за включение и выключение освещения в каждом коровнике вручную и задаёт параметры управления, исходя из необходимой регулировки яркости освещения.

В автоматическом режиме управления персонал имеет возможность выбрать либо фиксированное управление циклом освещения, либо фиксированное управление интенсивностью освещения.

4. Конфигурация параметров управления освещением коровника

4.1 Описание метода настройки

Основное различие между системами освещения коровника и системами управления промышленным освещением заключается в настройке параметров управления и оценке светового эффекта. Процесс настройки параметров в системах промышленного освещения отличается быстротой реакции системы управления и более простой оценкой комфортности освещения.

В отличие от этого, цикл настройки и оптимизации параметров систем освещения коровников длительный и сложный, что делает промышленный метод непригодным. Корректировка параметров освещения коровника должна осуществляться с учётом потребностей коровы. Изменения параметров освещения могут медленно влиять на продуктивность и здоровье коровы, требуя времени, прежде чем проявится заметное влияние на потребление корма или продуктивность молока.

Таким образом, в данном исследовании предлагается использовать производство молока в качестве ключевого показателя оценки, применяя контрольные испытания и анализ данных для точной настройки продолжительности и интенсивности освещения интеллектуальной системы освещения в коровнике, в конечном итоге выбирая наиболее эффективные параметры продолжительности и интенсивности освещения для системы управления.

4.2 Настройка параметров управления интеллектуальной системой освещения

На молочной ферме в провинции Юньнань была отобрана выборка из 50 здоровых дойных коров со средней молочной продуктивностью (24,6±2,8) кг/неделю, средней плодовитостью (2,2±0,9) и средним размером тела (143±69) см.

Контрольная группа из пяти коров была выбрана случайным образом и размещена в традиционном коровнике с естественным освещением. В это же время 45 коров были разделены на 9 групп для изучения влияния продолжительности и интенсивности освещения на молочную продуктивность. Каждый экспериментальный фактор тестировался на трёх уровнях: продолжительность освещения 13, 15 и 18 часов и интенсивность освещения 150, 200 и 250 люкс.

На протяжении всего эксперимента все коровы получали одинаковый состав концентратов, грубых кормов и других компонентов корма. Параметры и результаты эксперимента представлены в таблице 3.

Табл.3 Данные испытаний освещения коровника для дойных коров

Освещение коровника: лучшие светодиодные светильники для коровника

4.3 Результаты испытаний и определение параметров

Продуктивность молочных коров зависит от ряда ключевых факторов, включая генетику, окружающую среду и физиологию. Для повышения продуктивности молочных коров крайне важно досконально понимать эти факторы.

As indicated in Table 3. the weekly average increase in milk production varies among different groups, suggesting that the duration and intensity of light in the cow housing have differing impacts on milk production. The SY-5 group exhibited the highest weekly average increase in milk production, leading to a preliminary conclusion that a lighting duration of 15 hours and an intensity of 200 lux are most beneficial for dairy cow production performance.

To further investigate the effects of lighting duration and intensity on milk production, Table 3 was reorganized, calculated, and analyzed, with the findings presented in Table 4.

Tab.4 Comparative Analysis of Test Results

Освещение коровника: лучшие светодиодные светильники для коровника

Table 4 reveals that the highest average increase in milk production from the three tests with a lighting duration of 15 hours was 25.44 kg, suggesting that this lighting duration had a more significant impact on dairy cows' milk production compared to 13 and 18 hours.

Additionally, the peak average increase in milk production associated with a light intensity of 200 lux was 20.36 kg, indicating that this intensity was more effective than 150 and 250 lux. The variation in milk production due to lighting duration (13.43 kg) is considerably greater than that due to light intensity (2.79 kg), highlighting that lighting duration is the primary factor influencing milk production in dairy cows. The findings suggest that a combination of 15 hours of lighting and 200 lux intensity is optimal for dairy farms.

This research evaluates the weekly average increase in milk production of the experimental group of dairy cows, identifying the 15-hour lighting duration and 200 lux intensity from group SY-5 as the ideal parameters for the intelligent lighting control system. The approach of adjusting lighting duration and intensity through controlled tests proves effective for enhancing total milk production on the dairy farm in the later stages of the experiment and can be applied to regulate other breeding environment parameters.

Conventional dairy farms typically design lighting systems for cow barns based on human photosensitivity and work requirements, often neglecting the unique photosensitivity of cows and failing to consider their comfort in lighting design and control.

This study examines the lighting management and control needs of large-scale dairy farms in Yunnan Province, proposing an intelligent lighting system solution that includes system architecture, hardware components, control methods, human-computer interaction interfaces, and control parameter settings based on the Siemens S7-1500 PLC control framework. This provides a technical reference for the intelligent management of breeding environments in large-scale dairy farms in Yunnan Province and aims to inspire design improvements for the lighting conditions in other large-scale dairy operations.