徐長(zhǎng)春，鄭 楠，孫 巍，李成棟，張?jiān)?，周慶貴

(1.江蘇海洋大學(xué) a.海洋工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222006)

0 引言

隨著我國(guó)深海網(wǎng)箱的快速發(fā)展，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖已經(jīng)向-20 m以下的深海水域拓展，網(wǎng)箱養(yǎng)殖水體也在逐步擴(kuò)大，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖正在向大型化、深水化及規(guī)模化方向發(fā)展[1-2]。目前，美國(guó)、挪威等國(guó)的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)投餌[3-4]，養(yǎng)殖規(guī)模得到大規(guī)模提高。然而我國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)階段主要還是采用人工投餌模式，人工投餌存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、喂料不均勻、投餌量難控制以及適應(yīng)環(huán)境能力差等缺點(diǎn)[5-8],而且如果餌料浪費(fèi)又會(huì)導(dǎo)致水域環(huán)境惡化、魚類生長(zhǎng)不均勻、發(fā)病率高等問題。因此，開展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌料技術(shù)與裝備研究，對(duì)解決深水網(wǎng)箱集約化養(yǎng)殖技術(shù)難題、提升養(yǎng)殖效率有重大意義[9]。目前，HPDE(高密度聚乙烯)圓形深海網(wǎng)箱由于具有良好的抗風(fēng)浪能力，因此在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[10-11]。本文以HPDE圓形深海網(wǎng)箱為基底，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏的深海網(wǎng)箱自動(dòng)投餌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的深海網(wǎng)箱自動(dòng)投餌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由遠(yuǎn)程PC機(jī)、遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)、PLC、觸摸屏和投餌裝置組成。PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)投餌裝置的可視化自動(dòng)控制[12]，遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)內(nèi)置SIM卡，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC機(jī)對(duì)PLC及控制系統(tǒng)的控制和調(diào)試[13]；同時(shí)，基于手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)觸摸屏人機(jī)界面的映射，養(yǎng)殖人員通過手機(jī)APP就可以完成網(wǎng)箱養(yǎng)殖的遠(yuǎn)程投餌操作[14]。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 投餌裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)投餌裝置的整體布局如圖2所示。在HPDE(高密度聚乙烯)圓形深海網(wǎng)箱上方架設(shè)軌道，在網(wǎng)箱需要投餌的位置設(shè)置對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)，投餌裝置通過伺服電機(jī)帶動(dòng)在軌道上運(yùn)行，當(dāng)投餌裝置沿著軌道運(yùn)行到相應(yīng)的接近開關(guān)點(diǎn)位時(shí)，PLC接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)投餌系統(tǒng)的多點(diǎn)位精準(zhǔn)投餌。

1—HPDE(高密度聚乙烯)圓形網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域；2—投餌裝置；3—軌道。

自動(dòng)投餌裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

1—箱體外殼；2—擋料板；3—拋料機(jī)構(gòu)；4—步進(jìn)電機(jī)；5—固定裝置；6—餌料倉(cāng)；7—下料機(jī)構(gòu)；8—行走機(jī)構(gòu)。

圖3中，下料機(jī)構(gòu)配有步進(jìn)電機(jī)，通過發(fā)送不同的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，從而控制餌料的定量下料；拋料機(jī)構(gòu)選用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式的拋料投餌方式[15]，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)餌料的均勻拋撒，從而實(shí)現(xiàn)投餌系統(tǒng)定時(shí)、定量精確投餌。

2.2 餌料箱容量設(shè)計(jì)

由于養(yǎng)殖規(guī)模不同，所需要的餌料箱的容量也不相同[16]。本文以深度15 m，直徑10 m的HDPE(高密度聚乙烯)圓形深海網(wǎng)箱為例，該網(wǎng)箱可一次性養(yǎng)殖20 000條大黃魚。參考人工養(yǎng)殖大黃魚的經(jīng)驗(yàn)，大黃魚苗規(guī)格多為100 g/條，根據(jù)中國(guó)水產(chǎn)行業(yè)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)殖者相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)投餌率為5%時(shí)，經(jīng)濟(jì)收益最大，此時(shí)大黃魚的成活率能達(dá)到85%[17-19]，所以幼魚階段每日需投放餌料大約200 kg。成魚階段隨著大黃魚體質(zhì)量增加，投餌量也要有所增加，成年大黃魚規(guī)格可以達(dá)到600 g/條，此時(shí)每日大概需要餌料510 kg。設(shè)計(jì)7天為一個(gè)加料周期，以每日最大餌料計(jì)算，鑒于所投放餌料易吸潮、易氧化的特點(diǎn)，餌料箱容量需要達(dá)到3 570 kg，再考慮到魚群數(shù)量的不確定性，最后餌料箱容量取整按4 000 kg設(shè)計(jì)。養(yǎng)殖人員每隔一個(gè)周期往餌料箱添加餌料即可，避免了傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖投餌人員每天需要多次往返的問題，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也保障了養(yǎng)殖人員的安全。

2.3 投餌效果試驗(yàn)

投餌是否均勻直接反映了系統(tǒng)投餌性能的好壞[20]，因此進(jìn)行了樣機(jī)投餌和人工投餌的參照對(duì)比試驗(yàn)。選取海綿布作為模擬投餌平面，設(shè)定投餌高度均為0.5 m，投餌時(shí)間5 s，預(yù)計(jì)平均出料30 g，采集各試驗(yàn)兩次的投餌效果圖。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中圖4a和b為樣機(jī)投餌的試驗(yàn)結(jié)果，出料質(zhì)量分別為29.95，30.15 g；圖4c和d為人工投餌的試驗(yàn)結(jié)果，出料質(zhì)量分別為32.25，29.10 g。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的樣機(jī)投餌相較于傳統(tǒng)的人工投餌，投餌均勻度更高，投餌量控制更精確。

圖4 樣機(jī)投餌和人工投餌對(duì)比

2.4 PLC的選型及I/O口分配

考慮到深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境，以及PLC所需要的輸入輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選用了可靠性較高的S7-1200系列PLC，具體的輸入輸出接線如圖5接線原理圖所示?？紤]到實(shí)際投餌的需求，設(shè)置了6個(gè)投料點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位均有一個(gè)接近開關(guān)；投餌裝置行走系統(tǒng)和下料拋料系統(tǒng)需要用到伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的高速脈沖輸出，所以選擇CPU型號(hào)1215C DC/DC/DC(14個(gè)開關(guān)量輸入，10個(gè)開關(guān)量輸出，板載4個(gè)脈沖輸出)，電源直流24 V供電，可以使用光伏板發(fā)電給其供電[21]。其次，為了實(shí)現(xiàn)能對(duì)箱體餌料的總質(zhì)量以及投餌量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，增加模擬量擴(kuò)展模塊SM1234 AI和SM1234 TC。選用4～20 mA電流信號(hào)以及四線制接線的壓力傳感器和溫度傳感器。PLC通過信號(hào)線采集傳感器的模擬量信號(hào)，在經(jīng)過簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換和計(jì)算后，就可以得到當(dāng)前的投餌量、餌料的剩余量以及當(dāng)前水域海水溫度等數(shù)據(jù)[22]。

圖5 PLC接線原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制程序

根據(jù)系統(tǒng)功能和控制要求，設(shè)計(jì)了如圖6所示的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)流程。本自動(dòng)投餌系統(tǒng)整個(gè)梯形圖程序基于TIA 15.1軟件完成。當(dāng)系統(tǒng)收到開始信號(hào)后，系統(tǒng)首先初始化，自檢系統(tǒng)是否正常；若系統(tǒng)自檢正常，則本設(shè)備正常啟動(dòng)，若系統(tǒng)自檢不正常則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障報(bào)警；設(shè)備正常啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)讀取餌料質(zhì)量檢測(cè)傳感器和環(huán)境檢測(cè)傳感器等相關(guān)參數(shù)，并實(shí)時(shí)地將這些參數(shù)在觸摸屏和遠(yuǎn)程PC機(jī)的人機(jī)界面上顯示出來，操作人員可以根據(jù)當(dāng)前參數(shù)確定是否投餌或者進(jìn)行其他相關(guān)操作；同時(shí)當(dāng)餌料不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒操作人員。當(dāng)所有狀況確認(rèn)無誤后，操作人員即可通過遠(yuǎn)程PC機(jī)上的人機(jī)界面發(fā)送自動(dòng)投餌的操作信號(hào)，操作信號(hào)通過4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送到觸摸屏上，PLC通過PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線讀取觸摸屏上寫入好的參數(shù)信號(hào)，向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送方向信號(hào)和脈沖信號(hào)，確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)深海網(wǎng)箱餌料的精確控制；投餌系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式后，餌料質(zhì)量檢測(cè)傳感器會(huì)檢測(cè)剩余餌料的質(zhì)量，并計(jì)算出當(dāng)前投餌量，將其實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏界面中，同時(shí)當(dāng)投餌量達(dá)到人機(jī)界面設(shè)定的指定數(shù)量后，投餌系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，即整個(gè)投餌工序結(jié)束；如果系統(tǒng)某個(gè)部分在工作模式下發(fā)生故障，投餌系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急停機(jī)，這樣可以避免安全事故的發(fā)生。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 精確投餌系統(tǒng)

海洋環(huán)境的復(fù)雜多變導(dǎo)致不同養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)大黃魚的生長(zhǎng)情況并不一樣[23-24]，因此，想要精確地投餌，必須先要了解當(dāng)前深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)大黃魚的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)模型。查詢相關(guān)文獻(xiàn)得知，大黃魚的體長(zhǎng)和月齡呈二項(xiàng)式關(guān)系，體質(zhì)量和體長(zhǎng)呈冪指數(shù)關(guān)系[25-29]。通過前期調(diào)研了解到本區(qū)域內(nèi)大黃魚24月齡養(yǎng)殖的魚體生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，如圖7和圖8所示，通過Origin繪圖軟件擬合出了本養(yǎng)殖網(wǎng)箱區(qū)域內(nèi)大黃魚體長(zhǎng)L(cm)和月齡X(month)的函數(shù)關(guān)系,即

圖7 養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)大黃魚體長(zhǎng)與月齡關(guān)系

圖8 養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)大黃魚體質(zhì)量與體長(zhǎng)關(guān)系

L=-0.017 3X2+1.510 9X+3.174 5，

(R2=0.987 5)，

以Keys氏公式W=aLb擬合出了魚體質(zhì)量W(g)和體長(zhǎng)L(cm)的函數(shù)關(guān)系,即

W=0.011 7L3.169 6，(R2=0.993 8)。

受海洋氣候條件等多方面因素的影響，深海網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。為了建立較為精確的數(shù)學(xué)模型，這里運(yùn)用模糊控制技術(shù)，創(chuàng)建了月齡、水溫和投餌率、投餌時(shí)間、投餌時(shí)刻、投餌率補(bǔ)償系數(shù)之間的模糊控制器，將用戶平時(shí)的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則[30-31]，如圖9所示。最后根據(jù)“投餌量=體質(zhì)量×投餌率×投餌率補(bǔ)償系數(shù)”得到精準(zhǔn)的投餌量，解決了投餌量難控制以及適應(yīng)環(huán)境能力差的問題，實(shí)現(xiàn)了本深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的科學(xué)投餌，提高了餌料利用率，降低了養(yǎng)殖成本。

圖9 投餌系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)

3.3 遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)連接

目前西門子SIMATIC S7-1200系列PLC已經(jīng)被廣泛采用，基于該P(yáng)LC的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)很成熟。本系統(tǒng)選用深圳市智聯(lián)物聯(lián)科技有限公司研發(fā)的ZP3721S遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)具備2個(gè)以太網(wǎng)口和1路串口，插入SIM卡即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程4G/5G通訊。

S7-1200 PLC通過PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線和遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)相連，在TIA Portal V15.1設(shè)備組態(tài)中設(shè)置PLC的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(IP地址、子網(wǎng)掩碼)。路由器地址是ZP3721S遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)默認(rèn)地址192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0，PLC的IP地址設(shè)置成192.168.1.2。遠(yuǎn)程PC機(jī)登錄和網(wǎng)關(guān)配套的Superlink軟件，實(shí)現(xiàn)PC端和PLC遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)連接，此時(shí)設(shè)備維護(hù)人員通過遠(yuǎn)程PC機(jī)上的TIA Portal V15.1軟件就可以實(shí)現(xiàn)PLC程序的上傳和下載，從而完成對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)和投餌系統(tǒng)參數(shù)的修改。同時(shí)，該網(wǎng)關(guān)也可以通過PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線和觸摸屏相連，通過手機(jī)APP就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏人機(jī)界面的映射，養(yǎng)殖技術(shù)人員通過手機(jī)APP就可以實(shí)現(xiàn)深海網(wǎng)箱的遠(yuǎn)程投餌操作以及對(duì)餌料投放情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為滿足養(yǎng)殖技術(shù)人員可視化操作的要求，選擇同樣可以基于TIA Portal V15.1軟件設(shè)計(jì)的TP700 Comfort觸摸屏，觸摸屏與S7-1200通過PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線相連，組態(tài)了友好的觸摸屏人機(jī)交互界面。當(dāng)養(yǎng)殖技術(shù)人員在深海網(wǎng)箱周圍作業(yè)時(shí)，可以通過觸摸屏上的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)投餌控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)操作；而當(dāng)工作人員在陸地時(shí)，也可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)投餌控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[30]。根據(jù)控制要求，人機(jī)界面共設(shè)定了工作模式、運(yùn)行畫面、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)配置等4個(gè)主要界面。

系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖10所示。界面左邊功能區(qū)可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)主要交互界面的切換，在工作模式下可以啟動(dòng)自動(dòng)投餌系統(tǒng)，同時(shí)操作人員也可以根據(jù)實(shí)際情況更改日投餌量和投餌速率。當(dāng)系統(tǒng)投餌時(shí)，PLC接收質(zhì)量傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理和計(jì)算，人機(jī)界面會(huì)實(shí)時(shí)反饋出當(dāng)前投餌量和餌料剩余總量，方便操作人員定期添加餌料。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行界面

系統(tǒng)設(shè)置界面如圖11所示。在系統(tǒng)設(shè)置界面下，參數(shù)設(shè)置畫面中可以修改投餌裝置在軌道上的運(yùn)行速度和回原點(diǎn)速度，實(shí)現(xiàn)配方的導(dǎo)入導(dǎo)出、投餌點(diǎn)位的選擇、配方編輯、配方下載、密碼修改等。

圖11 系統(tǒng)設(shè)置界面

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于西門子S7-1200 PLC和觸摸屏搭建了一套深海網(wǎng)箱自動(dòng)投餌控制系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)厣詈＞W(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚不同的生成情況，擬合了其體質(zhì)量和體長(zhǎng)與月齡之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)了滿足投餌條件的模糊控制器；最后通過遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程兩種控制模式，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖投餌時(shí)間、投餌量、投餌速率以及投餌點(diǎn)位的固態(tài)和動(dòng)態(tài)控制，解決了深海網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖距離陸地遠(yuǎn)、難控制的問題。同時(shí)相比于傳統(tǒng)的人工投餌，本控制系統(tǒng)極大地提高了深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖時(shí)的餌料利用率，降低了養(yǎng)殖成本。