王俊會，俞國燕,2，劉皞春,2，張宏亮

船載式深水網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)設計與試驗

王俊會1，俞國燕1,2，劉皞春1,2，張宏亮1

（1. 廣東海洋大學 機械與動力工程學院 // 2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524088）

設計一種適用于大規(guī)模網(wǎng)箱養(yǎng)殖的船載式投餌系統(tǒng)。投餌系統(tǒng)主要由上料裝置、下料裝置、動力裝置、拋撒裝置和集中控制系統(tǒng)組成，并安裝固定于船舷，進行餌料投喂。其中，以PLC作為集中控制系統(tǒng)的控制核心，通過觸摸屏界面實現(xiàn)設備的啟停、投料速度調控、運行狀態(tài)監(jiān)控及網(wǎng)箱餌料投喂數(shù)據(jù)的記錄等。對投餌系統(tǒng)樣機進行試驗研究。投餌系統(tǒng)的投餌速度在0 ~ 230 kg/min范圍內(nèi)可調，投餌量精度誤差為0.1 ~ 1.6 kg，滿足容積為127.3 ~ 1 145.9 m3的深水網(wǎng)箱投喂要求，降低養(yǎng)殖人員的勞動強度。

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖；船載式投餌系統(tǒng)；拋撒裝置；數(shù)據(jù)管理

在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中，勞動力和餌料為主要成本，餌料成本占總成本比例高達80%[6]，因此合理的餌料投放可有效節(jié)約餌料和養(yǎng)殖成本，減少剩余餌料對水環(huán)境的污染和魚病害的發(fā)生。我國深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖起步較晚，餌料投喂主要依靠人工及簡易投餌設備，投放餌料量和投放時間依據(jù)養(yǎng)殖人員經(jīng)驗，造成餌料浪費嚴重、勞動強度增加和投放量精度差等問題。自動投餌系統(tǒng)有節(jié)約養(yǎng)殖成本、減少餌料浪費、提高投餌效率、減少水環(huán)境污染、降低勞動強度和提高水產(chǎn)品質量等優(yōu)點[2-4]。美國ETI公司研發(fā)了FEEDMASTER投飼系統(tǒng)的破碎率低，投餌精度和可靠性較高，基于可編程控制器（PLC）控制技術，最大投飼能力達250 kg/min，支持直徑約10 cm的餌料輸送管道，最高可為60個網(wǎng)箱同時供料[6]。加拿大Feeding Systems公司對蝦類、鰈鲆類、鲇等不同養(yǎng)殖對象開發(fā)了不同的投餌控制軟件，其研制的自動投餌系統(tǒng)可用于大型網(wǎng)箱、陸基養(yǎng)殖工廠和魚苗孵化場等多種環(huán)境，通過自動投餌系統(tǒng)和專用軟件的協(xié)調配合，提高了深海養(yǎng)殖餌料利用率[21]。中國海洋大學水產(chǎn)學院[21]根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖特點，結合漁民養(yǎng)殖經(jīng)驗，設計了一種深水網(wǎng)箱投餌機，并進行了相應試驗，測定了不同情況下管道中真空度，以及在沖餌管和吸餌管不同開度時的下料時間。該投餌機充分利用海水資源，使用水力環(huán)流供餌、水力抽負吸餌、水動力投餌、汽油機水泵提供動力，利用管道向多個距離不同的網(wǎng)箱供料。隨著勞動力和餌料成本的不斷增加，人工投餌和簡單的機械投餌不能滿足集約化深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖需求，故研制機械化、自動化、操作簡便、經(jīng)濟性高的自動投餌設備成為當務之急。

筆者針對海域深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點和養(yǎng)殖的需求，制定系統(tǒng)的硬件及軟件設計方案，研發(fā)一種以PLC為控制核心的船載式深水網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)，實現(xiàn)上料、下料、投餌于一體且定量、定速、定點的適應不同養(yǎng)殖環(huán)境的船載式深水網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)，具有運行狀態(tài)實時顯示和歷史數(shù)據(jù)可實時存儲、查詢和下載等功能，解決人工投喂耗時費力及投餌量過少或過剩的問題，實現(xiàn)對大規(guī)模、工業(yè)化深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的快速精準定量投喂。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

投餌系統(tǒng)的總體結構主要包括自動旋轉式下料機構、出料裝置、上料裝置、拋撒輔助裝置、控制系統(tǒng)等（圖1）。投餌系統(tǒng)主要以西門子 PLC 為控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，使用嵌入式MCGS設計人機界面進行直觀、方便的操作。

1：羅茨鼓風機；2：自動上料裝置；3：料斗；4：旋轉下料機構；5：受料器；6：電池閥：7：Y型管；8：輸料管；9：工業(yè)舵機；10：拋撒輔助裝置；11：電動推桿

人機界面使用MCGSE8.0嵌入式編程軟件開發(fā)，觸摸屏主要界面有操作畫面、工作畫面、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導出和報警記錄等。操作畫面可啟動系統(tǒng)運行，顯示運行狀態(tài)和選擇手動操作。工作畫面顯示各電機運行狀態(tài)、實時投料量和投餌參數(shù)；設定參數(shù)包括網(wǎng)箱號、投餌量、餌料型號和餌料投喂次數(shù)等。主要工作界面如圖2所示。數(shù)據(jù)查詢界面可查詢當天的投餌數(shù)據(jù)和歷史投餌數(shù)據(jù)，查詢內(nèi)容有投餌網(wǎng)箱號、投餌時間、一天內(nèi)每個網(wǎng)箱投餌次數(shù)及所用餌料型號等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導出界面主要將數(shù)據(jù)導出，為管理人員記錄和管理數(shù)據(jù)提供便利。報警記錄界面主要顯示報警的原因和報警記錄，以便提高系統(tǒng)維修效率。

圖2 觸摸屏工作界面

1.2 工作原理

投料船到達深水網(wǎng)箱投餌位置后，啟動投餌系統(tǒng)，在觸摸屏界面選擇自動投餌或者手動投餌，因投餌需要，系統(tǒng)啟動后鼓風機自動啟動，且在投餌期間鼓風機一直啟動，至所有網(wǎng)箱投餌結束。然后吸料機啟動，餌料被送入料斗內(nèi)（料斗內(nèi)裝有空載報警傳感器、開始投料傳感器、高限位傳感器及滿載報警傳感器）。開始投料傳感器給下料電機發(fā)出信號（空載時系統(tǒng)自動報警停機且顯示報警原因），餌料被輸送到受料器；高限位傳感器檢測料斗內(nèi)餌料即將滿載時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，上料電磁閥立即啟動，停止向料斗內(nèi)加料；在滿載報警傳感器檢測到餌料時，滿載報警器立即報警且顯示報警原因。在開始投料傳感器檢測到餌料后，下料電機自動啟動且可依靠變頻器調節(jié)下料的速度，投餌量達到預設值后，系統(tǒng)記錄投喂網(wǎng)箱號、投喂時間及投喂量。

1.2.1 上料裝置 上料裝置由真空吸料機、導料管、電磁閥、除塵器和氣料分離器等組成，主要采用壓送式氣力輸送進行上料，利用真空泵產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差將餌料隨空氣一起吸入導料管，再經(jīng)過氣料分離器分離空氣與餌料，使餌料輸送至料斗中，餌料中的灰塵等隨空氣進入除塵器，防止灰塵堵塞鼓風機，料斗內(nèi)裝有傳感器，可檢測料斗內(nèi)餌料的狀態(tài)。滿料時可通過電磁閥的啟停減小吸料機的氣壓，使其無法形成氣壓差，控制餌料輸送的啟停。根據(jù)養(yǎng)殖用戶要求，投餌系統(tǒng)出料速度需高達230 kg/min，為保證投餌機工作連續(xù)性，餌料上料速度應大于投餌系統(tǒng)的拋撒速度。因此系統(tǒng)上料裝置上料速度應大于250 kg/min。

1.2.2 下料裝置 下料裝置是否合理直接影響系統(tǒng)投餌量的精度，投餌系統(tǒng)下料裝置采用傳感器、料斗、旋轉卸料器、受料器和編碼器組成。下料電機由變頻器控制，調節(jié)其頻率進而控制電機轉速。在餌料被送入料斗后，根據(jù)開始投料傳感器檢測的信號，自動啟動下料電機，且編碼器開始工作，記錄電機的轉數(shù)，由編碼器采集的信息確定投料量并記錄實時投料量。

1.2.3 動力裝置 由羅茨鼓風機、壓力表和電磁閥組成。鼓風機把產(chǎn)生的高速氣流送入受料器，使氣體與餌料在受料器中形成一定的氣料比，餌料與氣流混合后，通過PVC導料管將餌料輸送至目標網(wǎng)箱。鼓風機所需功率：

=INB/ (60 000Bg)。

式中，IN為氣源機械所需風量（m3/min）；B為所需氣源機械真空度，取B為鼓風機系統(tǒng)的總壓力損失1.10 ~ 1.20倍；B為氣源機械的流體效率，依選用的風機類型而定；g為機械傳動效率，根據(jù)傳動裝置形式而定。

電磁閥安裝于受料器與動力裝置之間，在系統(tǒng)壓力較大時開啟電磁閥，減小壓力及停止餌料輸送。

1.2.4 集中控制裝置 集中控制裝置由PLC、觸摸屏和傳感器組成。觸摸屏與PLC通過PPI/MPI進行通訊，用于設置系統(tǒng)投餌參數(shù)和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動后，作業(yè)人員可根據(jù)魚群攝食需求確定投餌量，并在觸摸屏上設定相應的參數(shù)及控制拋撒裝置的方向。投餌結束后記錄餌料型號、投餌量、投餌網(wǎng)箱號、每個網(wǎng)箱的投餌次數(shù)等實時數(shù)據(jù)，且實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)導出等功能。

2 主要部件設計

2.1 計量系統(tǒng)設計

系統(tǒng)投餌量通過控制旋轉卸料器及編碼器采集的數(shù)據(jù)進行計算，旋轉卸料器形狀如圖3所示，旋轉卸料器每旋轉一圈輸出餌料量15 kg，旋轉速度為15 r/min，使用增量式旋轉編碼器，計算旋轉卸料器旋轉圈數(shù)。旋轉卸料器為系統(tǒng)下料裝置，可通過改變變頻器頻率控制下料電機的轉速，提高餌料下落速度，降低餌料破碎。旋轉卸料器由六片均等的葉片組成，通過編碼器采集卸料器旋轉圈數(shù)，編碼器每轉采集脈沖為1 024個。計算公式：

L=L(PPS/ 1024)，

式中，L為總下料量（kg）；PPS為編碼器采集到的總脈沖數(shù)；L為卸料器每轉的下料量（kg）。

圖3 旋轉卸料器

2.2 拋撒輔助裝置設計

為方便養(yǎng)殖人員操作，減輕勞動力，投餌系統(tǒng)設計一種由舵機、推桿、切換裝置等組成拋撒輔助裝置（圖4）。該裝置主要由水平旋轉結構和上下轉動結構構成，結構簡單，通過拋撒裝置與出料管道相連，改變拋射出口的傾角以及旋轉角，控制餌料的拋射距離和拋射范圍。

水平旋轉結構主要由工業(yè)舵機、舵盤和臥式軸承座組成。利用工業(yè)舵機的耐用性和傳動可靠，兩者可保證在海上作業(yè)時的穩(wěn)定性?？紤]到舵機輸出軸長期受力會減少使用壽命，安裝臥式軸承座連接舵機輸出軸與舵盤，使之減小摩擦損失和表面磨損。最后舵盤通過鋁型材與管道連接。工業(yè)舵機工作時，使拋撒裝置帶動出料管道左右旋轉。上下轉動結構主要由電動推桿與鉸鏈組成。鉸鏈安裝在支撐底座與工業(yè)舵機之間，通過直線運動轉成圓周運動實現(xiàn)底板的上下轉動。電動推桿兩頭分別安裝在支撐桿和底板上，通過由電動推桿的伸縮，改變出料管與水平面的傾角，從而使出料管道上下轉動。

用PVC斜三通水管與投餌機的出料管用304不銹鋼管連接，在兩個輸出管道安裝常閉式電磁閥，當?shù)玫?4 V直流電供電時即可開啟，兩個輸出管道分別連接兩個拋撒裝置，從而分別實現(xiàn)兩個出料口的啟停。

1：管夾；2：工業(yè)舵機；3：電動推桿；4：支架

2.3 控制系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序以西門子專用編程軟件STEP-7-MicroWINSMART作為操作平臺，運用梯形圖作為編程語言，程序流程如圖5所示。程序包括：對網(wǎng)箱號設定、投餌量的計算、投餌次數(shù)的設定和不同型號餌料的投餌量計算等?？刂撇考饕形蠙C、鼓風機和下料機，對控制部件進行運行狀態(tài)的監(jiān)控，投餌量的設定，餌料空載滿載的報警、故障顯示，投餌數(shù)據(jù)的記錄和導出。

圖5 PLC程序流程

2.4 控制系統(tǒng)電路設計

控制系統(tǒng)主要有西門子PLC、斷路器、熱繼電器、中間繼電器、變頻器和電容式接近開關等構成，主電路電壓為380 V，主要連接鼓風機、下料電機、吸料機和變頻器，鼓風機和吸料機連接有斷路器和熱繼電器，對電路進行保護。下料電機連接變頻器和斷路器，以保護電路和調節(jié)下料速度，因變頻器對傳感器的干擾，需在變頻器輸入端加有源濾波器。PLC控制部分使用24 V直流電（DC）控制，控制電機和電磁閥的啟停及為編碼器和傳感器供電，主電路圖如圖6所示。

2.5 控制系統(tǒng)硬件設計

由于海上環(huán)境對設備腐蝕嚴重，選用觸摸屏作為人機界面對系統(tǒng)進行控制，減少開關量控制，觸摸屏需要完成記錄、查詢、下載投餌數(shù)據(jù)，選用嵌入式昆侖通態(tài)觸摸屏（MCGS），方便對數(shù)據(jù)進行處理，由24 V DC供電。傳感器采用電容限位開關，檢測距離6 mm，由24 V DC供電，靈敏度高。編碼器采用增量型旋轉編碼器，由24 V DC供電，用于檢測下料電機的轉數(shù)，根據(jù)轉數(shù)測量投餌量。變頻器由380 V 交流電供電，用于對下料速度的控制。繼電器選用24 V DC供電，2開2閉。下料電機型號為YX3-90L-4，功率為1.5 kW，電流3.6 A，轉速為1 400 r/min。鼓風機和吸料機選用型號為TYPEY160M-4、功率為11 kW、轉速為1 450 r/min的電動機，舵機及推桿選用24V DC供電，實現(xiàn)對出料管的移動。系統(tǒng)控制核心PLC選用西門子s7-200smart系列，CPU為st20，有12個輸入和8個輸出組成。PLC輸入輸出地址分配如表1所示。

圖6 系統(tǒng)主電路

表1 PLC輸入輸出地址分配

3 試驗與分析

試驗在湛江市東海島深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)進行，網(wǎng)箱養(yǎng)殖密度為6 kg/m3，其體積為127.3、286.4、509.2、759.7及1 145.9 m3，根據(jù)養(yǎng)殖魚體質量進行自動投喂測試，投餌系統(tǒng)實物如圖7所示。試驗主要觀察拋撒輔助裝置拋撒的均勻性和穩(wěn)定性；下料速度的調節(jié)對下料量的影響（表2）。對養(yǎng)殖60 d的魚群進行自動投喂與人工拋撒投喂，測試自動投餌系統(tǒng)的效率，如表3所示。

圖7 投餌機

表2 不同下料速度的投料量

說明：預設投喂量為50 kg。

表3 投喂時間

由表 2測試數(shù)據(jù)可得，投餌系統(tǒng)預設投喂量為50 kg，控制變頻器頻率為20 ~ 70 Hz，在試驗變頻器頻率達到45 Hz之后，系統(tǒng)實際投喂量與預設投喂量出現(xiàn)誤差，隨著頻率的增加，投喂量誤差不斷增加，而在集約化深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中，餌料投喂量大，要求系統(tǒng)投餌速度快，因此根據(jù)養(yǎng)殖人員投喂量誤差允許的范圍，變頻器頻率最高為60 Hz，此時系統(tǒng)餌料拋撒速度為230 kg/min，高于劉志強[22]設計的網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌器出料速度150 kg/min、挪威AKVA公司設計的AKvasmartccs自動投餌系統(tǒng)出料速度192 kg/min[23]、美國 ETI公司研發(fā)的FEEDMASTER自動投餌系統(tǒng)平均出料速度100 kg/min[23]，但低于胡昱[24]設計的吸送式自動投飼系統(tǒng)出料速度300 kg/min。相對于人工投喂，本系統(tǒng)的自動投喂時間約減少86%。因此，本系統(tǒng)大大提高了投喂效率。

為減少餌料的浪費，餌料投喂時可根據(jù)養(yǎng)殖魚體密度、養(yǎng)殖魚種類、養(yǎng)殖魚不同生長期以及當?shù)貧夂蚺c水質狀況等諸多因素，調節(jié)網(wǎng)箱投喂量和投喂速度，做到科學養(yǎng)魚，乃至智能化養(yǎng)殖，降低養(yǎng)殖成本，減少餌料浪費及由此造成的養(yǎng)殖環(huán)境污染，營造一個良好的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。

4 結語

針對湖泊、海域的大容量網(wǎng)箱養(yǎng)殖需求開發(fā)的船載式自動投餌控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動上料、定量投料、控制投料速度、實時記錄數(shù)據(jù)、查詢和導出歷史數(shù)據(jù)等功能，解決了深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖人工投料勞動強度大、餌料輸送困難、飼料浪費和數(shù)據(jù)記錄困難等問題，投餌系統(tǒng)出料速度最高可達230 kg/min，投餌效率高。自動投餌系統(tǒng)在一定程度上可節(jié)約餌料，提高投餌效率，但缺乏對魚群攝食情況或網(wǎng)箱內(nèi)餌料剩余情況的檢測，投放的餌料仍有一定浪費，投餌系統(tǒng)的設計仍需進一步改進和完善?？刹捎脵C器視覺或聲吶成像等技術，將魚的攝食情況傳遞給控制系統(tǒng)，根據(jù)魚的攝食情況決策投料的啟停，進一步節(jié)約餌料，防止水體污染。

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Design and Experiment on Shipborne Bait Delivery System for Deep Water Cage

WANG Jun-hui1, YU Guo-yan1,2, LIU Hao-chun1,2, ZHANG Hong-liang1

(1.,2.(),524008,)

To design a shipborne bait feeding system suitable for large-scale cage farming.The system is mainly composed of feeding device, blanking device, power device, throwing device and centralized control system. The central control system uses PLC as the control core, through the touch screen control to achieve the start and stop of the equipment, feeding speed, running state monitoring and feed data recording cage bait.The experimental results showed that the feeding distance of the bait was 5- 14 m. The casting speed can be adjusted within the range of 0-230 kg/min. The feeding precision was 0.1-1.6 kg, and it could meet the feeding requirements with the circumference of 40-120 m deep water cage (volume 127.3 -1 145.9 m3) and could reduce the labor intensity of the breeding staff.

deep sea cage farming; shipborne bait system; sprinkling device; data management

S969.31

A

1673-9159（2019）06-0124-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.016

2019-05-07

廣東省普通高校重點科研項目（2018KZDXM038）；南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江）項目（ZJW-2019-01）；湛江市科技項目(2018A01019、2017A03005）

王俊會（1991―），男，碩士研究生，研究方向為智能產(chǎn)品創(chuàng)新設計與理論。E-mail：1012330524@qq.com

俞國燕（1970―），女，博士，教授。主要從事智能設計與制造、現(xiàn)代設施漁業(yè)裝備、機器人技術應用。E-mail：yugy@gdou.edu.cn

王俊會，俞國燕，劉皞春，等. 船載式深水網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)設計與試驗[J]. 廣東海洋大學學報，2019，39（6）：124-130.

（責任編輯：劉慶穎）