王志勇,鄒海生，張耀明,徐志強

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092)

深遠海養(yǎng)殖工船是深遠海養(yǎng)殖的一個發(fā)展方向，以深遠海大型游弋式工船為核心的養(yǎng)殖與漁業(yè)生產(chǎn)平臺，可集成養(yǎng)殖、繁育、捕撈、加工與物流保障等功能，優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，拓展水產(chǎn)養(yǎng)殖空間。構(gòu)建深遠海大型養(yǎng)殖工船艙養(yǎng)系統(tǒng)，實施集約化高效養(yǎng)殖，除需要大型工船作業(yè)平臺，還需要更加高效的作業(yè)裝備作為支撐，以及信息化系統(tǒng)作為保障，配套設施的完善對深遠海養(yǎng)殖的可行性與安全性至關重要[1-3]。由于工船規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖，飼料投喂工作量和勞動強度大，需要適宜的自動投飼系統(tǒng)，才能滿足深遠海養(yǎng)殖工船管理[4-6]。

目前，國內(nèi)外在自動化投飼系統(tǒng)方面已有很多研究，在池塘養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖和網(wǎng)箱養(yǎng)殖方面也有很多應用，但不同的養(yǎng)殖環(huán)境其投飼系統(tǒng)也不盡相同，同一基本構(gòu)成模式下有不同具體形式[7-10]。

本研究圍繞深遠海養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖模式，基于工船養(yǎng)殖環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，采用正壓氣力輸送技術，以PLC為控制核心，氣動分配器選擇多艙投喂，結(jié)合工作傳感器進行遠程輸料和拋料控制。通過機械化的上料裝置和自動化投喂控制，實現(xiàn)艙養(yǎng)投飼自動化管理，滿足深遠海養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖需求，進一步為深遠海養(yǎng)殖發(fā)展提供技術支撐。

1 工船投飼系統(tǒng)總體方案

1.1 工船投飼系統(tǒng)布置

養(yǎng)殖工船投喂流程：通過補給船吊運飼料至工船主甲板儲料倉，投喂前根據(jù)投飼需求通過吊裝、自動拆袋上料到自動投飼機料斗，經(jīng)投飼機輸送管道輸送投喂至不同養(yǎng)殖艙[11-12]。根據(jù)養(yǎng)殖艙實際布置，系統(tǒng)設計采用低壓氣力輸送技術，設備集中式布置，通過料倉自動化上料、投飼機集中式遠程自動投喂，減少養(yǎng)殖投喂人工勞動強度，實現(xiàn)工船養(yǎng)殖投喂自動化管理，工船投飼系統(tǒng)設計包括拆包上料裝置和自動投飼裝置。

上料裝置位于主甲板上，由于海上環(huán)境潮濕，飼料采用噸袋包裝，更容易密封儲存，防止受潮發(fā)霉。自動投飼裝置位于主甲板以下養(yǎng)殖設備平臺，根據(jù)養(yǎng)殖工藝設置4套低壓氣送投飼機，圖1為單套投飼裝置結(jié)構(gòu)布置圖，4套系統(tǒng)沿船中線對稱布置。

圖1 養(yǎng)殖工船投飼系統(tǒng)布置圖

投喂前通過電動卷揚機起吊袋料，拆包機破袋下料到投飼機料斗，投飼輸送分配裝置結(jié)構(gòu)見圖2所示。飼料經(jīng)過輸送分配裝置，在風壓作用下通過管道輸送到不同的養(yǎng)殖艙，每根輸料管末端設有撒料裝置，撒料裝置按程序設定依次工作，也可手動選擇，滿足養(yǎng)殖艙的投喂需求。整套投飼系統(tǒng)可以機旁控制和集中控制，通過集中控制室對投飼機進行遠程投飼操作，4套自動投飼機可同時并行進行各自的投喂作業(yè)[13-18]。

圖2 輸送分配裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 養(yǎng)殖投飼策略

目前，該工船規(guī)劃養(yǎng)殖大黃魚，按照現(xiàn)在海區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚模式的投喂策略，一般在早晚各投喂一次。雖然這種投喂方法有一定的優(yōu)勢，但是如果在工船養(yǎng)殖中采用這種投喂策略，會在短時間內(nèi)保證所有的魚達到飽食狀態(tài)，進而導致耗氧量急劇增加，勢必會使養(yǎng)殖艙承受很大的溶氧問題，此外，還會導致代謝物集中排放，引起水質(zhì)劇烈變化[19-21]。為避免這些風險，綜合考慮大黃魚規(guī)格、攝食情況、飼料粒徑、投喂率等，工船養(yǎng)殖可采用表1投喂策略進行投飼量初步設計計算。

表1 工船養(yǎng)殖投喂策略表

2 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)設計

2.1 氣動分配器

該投飼系統(tǒng)采用集中式布置于工船中間位置，需要遠程將飼料由一點向多個養(yǎng)殖艙輸送，系統(tǒng)設計通過多路分配器來進行不同養(yǎng)殖艙的投飼選擇控制。大多數(shù)分配器采用電動機驅(qū)動溜管轉(zhuǎn)動，根據(jù)對應出料口接近開關信號轉(zhuǎn)動到不同的出料口，但是電驅(qū)動過程中分配器轉(zhuǎn)動存在一定誤差，轉(zhuǎn)管與分配盤上出料管口產(chǎn)生間隙而漏氣，影響輸送效果。該工船投飼分配器采用氣動控制設計，詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動組件包括氣缸、出料口光電開關和氣缸位置開關，氣缸采用一組水平導向氣缸和一組豎直導向氣缸組合，導向氣缸是將與活塞桿平行的兩根導桿與氣缸組成一體，防止發(fā)生回轉(zhuǎn)損壞氣缸，結(jié)構(gòu)緊湊，能承受較大的橫向負載和力矩[22-23]。

圖3 投飼分配器結(jié)構(gòu)

進料管固定連接在箱體前側(cè)，多根出料管固定連接于箱體另一側(cè)，溜管連通進料管的一端和出料管的一端。選擇出料口時，水平導向氣缸伸出，到位后豎直導向氣缸活塞桿推出，活塞桿末端撥片接觸轉(zhuǎn)盤上的銷柱后，水平導向氣缸縮回，通過轉(zhuǎn)盤上的銷柱撥動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，進而帶動溜管轉(zhuǎn)動與出料管依次連接。每個工位分配器均有4個通道，分配器內(nèi)部4個通道均有4只光電開關一一對應，4只接近開關代表4個通道位置。由于水平導向氣缸行程固定，導向精度高，通過出料管口接近開關和氣缸上位置開關控制，溜管和轉(zhuǎn)盤可以準確轉(zhuǎn)動到指定出料管口，保證氣密封良好，輸送可靠。按下對應工位的啟動按鈕，分配器開始動作，分配器停止情況分為兩種：人工干預按下對應工位的停止按鈕；分配器通道到達預設位置，自動停止。

2.2 回轉(zhuǎn)撒料裝置設計

撒料裝置是投飼系統(tǒng)的終端輸出部分，由于養(yǎng)殖艙面積較大，養(yǎng)殖密度高，投喂盡量提高魚類攝食效率[24]。撒料裝置采用半回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計，由驅(qū)動電機、曲柄、回轉(zhuǎn)支撐、出料管、撒料管以及支架組成。支架固定于養(yǎng)殖艙內(nèi)走道平臺一側(cè)，方便安裝和維護，如圖4所示。

圖4 投飼撒料裝置結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)投飼時，顆粒飼料在氣力作用下經(jīng)輸送管進入出料管，驅(qū)動電機輸出軸通過曲柄結(jié)構(gòu)帶動上面的撒料管往復擺動，擺動角度為120°，將顆粒飼料均勻噴灑在養(yǎng)殖艙內(nèi)，噴灑面積類似于扇形分布。采用一定角度的噴灑可以使撒料盡量分散，擴大魚類攝食空間，同時飼料又不拋灑出養(yǎng)殖艙范圍，撒料裝置現(xiàn)場樣機如圖5所示。 撒料裝置減速機驅(qū)動輸入轉(zhuǎn)速1 350 r/min，減速比105∶1，輸出轉(zhuǎn)速12.8 r/min，輸出扭矩87 N·m。

圖5 撒料裝置樣機

3 投飼控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

投飼系統(tǒng)控制核心基于總線技術構(gòu)建，控制系統(tǒng)主要由中央控制柜、變頻下料電機、送風風機、投喂管道工況監(jiān)視系統(tǒng)(管壓、風溫)、分配器電機等組成。中央控制柜是投飼機系統(tǒng)控制核心，主要完成4套投飼系統(tǒng)的投速設定、投喂控制及投喂管道風溫及管壓工況監(jiān)視等。投喂數(shù)據(jù)管理及遠程控制信號交聯(lián)也由柜中工控機及其軟件系統(tǒng)實現(xiàn)[25-28]。

3.2 系統(tǒng)主要功能

投飼系統(tǒng)軟件應用MCGS組態(tài)軟件設計，運行效率高、界面友好高效。軟件功能除設計了投喂操控及工況監(jiān)視界面模塊外，還設計了投喂數(shù)據(jù)記錄、報表出具、數(shù)據(jù)管理等功能模塊，旨在為投飼作業(yè)報告及追溯、投飼匯總等提供基本記錄查詢匯總功能，為漁業(yè)精細飼養(yǎng)評估評價提供數(shù)據(jù)支撐。

系統(tǒng)設有“遠程控制”和“機側(cè)控制”，控制柜機旁操作有兩種方式，一種是通過按鈕操作，一種是通過觸摸屏操作進入?yún)?shù)設置界面。選擇所有投飼系統(tǒng)及相應艙號，并根據(jù)實際需要進行投飼參數(shù)(投飼量、投喂速度、飼料容重)設置，設置完成后，點擊相應“開始投飼”按鈕，投飼機按照設定參數(shù)自動運行，直到所有養(yǎng)殖艙按照設定投飼完畢，投飼系統(tǒng)參數(shù)設置界面如圖6所示。

圖6 養(yǎng)殖工船投飼系統(tǒng)操作界面

系統(tǒng)主要功能如下：

投飼操作：根據(jù)養(yǎng)殖需要，選擇目標養(yǎng)殖艙，設置投飼量，完成飼料的風送和投喂操作。

投喂速度設定：對于不同飼料及投喂模式需要，通過下料電機變頻調(diào)速，設定下料器不同轉(zhuǎn)速，可以控制投飼下料速度。

工控監(jiān)視：通過壓力傳感器和溫度傳感器，實時監(jiān)測風機出口壓力和送風溫度數(shù)據(jù)，壓力過大時控制下料速度，保證投飼系統(tǒng)輸送安全。

數(shù)據(jù)記錄及報表：記錄當前投喂重量、投喂時間，投喂作業(yè)報告出具。

歷史數(shù)據(jù)：歷史投喂數(shù)據(jù)檢索、匯總及查看。

遠程控制：集控室遠程投喂作業(yè)及投飼系統(tǒng)基本運行參數(shù)監(jiān)視。

4 系統(tǒng)試驗及分析

工船投飼系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖艙結(jié)構(gòu)特點采用集中式布置，每個養(yǎng)殖艙輸送距離不同，其輸送距離最大長度為85 m，輸送管內(nèi)徑φ80 mm，投飼系統(tǒng)樣機如圖7所示。

圖7 工船投飼系統(tǒng)樣機

試驗采用8 mm圓形魚用顆粒飼料，下料器采用變頻式容積控制，容積為5.0 L/r，初始試驗時系統(tǒng)設置下料速度恒定，下料轉(zhuǎn)速為17 r/min。氣源采用羅茨風機，在風壓變化較大時風量變化較小，風機出口風量基本恒定，而壓力會根據(jù)輸送距離和下料速度不同而變化。系統(tǒng)在風機出口設置壓力傳感器，壓力報警值設定為46 kPa，當風機出口壓力超過設定值時，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下料電機減速，減少下料，防止管道堵塞，直至壓力恢復正常范圍，當出口壓力長時間處于高值時，需要停機檢查。

試驗結(jié)果如表2所示，該自動投飼系統(tǒng)平均投飼量為2 400 kg/h，拋料距離為6～16 m。根據(jù)試驗結(jié)果，當輸送風量恒定時，隨著輸送距離增加，其末端拋料距離減小，風機出口壓力也隨輸送距離增大而增大。由于養(yǎng)殖艙投飼范圍有限，撒料裝置與艙壁最小距離為10 m，為保證拋料距離適合養(yǎng)殖艙規(guī)格，減少飼料浪費，在艙1、艙2近距離輸送時系統(tǒng)自動控制開啟風機旁通閥，通過控制閥口開度大小，調(diào)整風機輸出風量。調(diào)節(jié)風量后，艙1、艙2拋料距離分別為9 m和7.5 m，撒料往復擺動，能在水面120°范圍內(nèi)扇形拋撒，此時，撒料口出料連續(xù)，風機出口壓力保持基本恒定，撒料均勻正常。

表2 投飼系統(tǒng)測試結(jié)果

該投飼系統(tǒng)設計輸送量為2 000 kg/h以上，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)輸送量和輸送距離能夠滿足設計要求。在設計氣力輸送裝置時，主要通過輸送量、混合比、輸送用空氣量及阻力損失的設計和計算，從而確定氣源裝置的壓力和流量以及電動機功率。該工船投飼系統(tǒng)輸送量不變情況下，需要滿足不同距離的飼料輸送，由于管道越長阻力越大，出口拋料距離越小，需要調(diào)節(jié)風量來控制拋料距離，系統(tǒng)通過風機出口旁通閥開啟大小調(diào)節(jié)風量，相比通過風機電機變頻調(diào)速來控制風量更簡便和節(jié)省成本。氣力輸送是一項綜合性技術，設計時需要綜合考慮各種參數(shù)，在滿足輸送量要求前提下，要求安全性和實用性，在此基礎上充分發(fā)揮氣力輸送的優(yōu)點，以利于提高生產(chǎn)效率[29-30]。

5 結(jié)論

深遠海養(yǎng)殖工船投飼系統(tǒng)通過氣動分配器進行多支路選擇控制，導向氣缸精準定位，輸送末端出料管往復擺動，實現(xiàn)多養(yǎng)殖水艙獨立投喂，撒料面積均勻；投飼系統(tǒng)采用PLC結(jié)合傳感器進行投喂控制，人機界面操作，實時監(jiān)測輸送管道壓力，當壓力超出預警值時，系統(tǒng)通過變頻電機控制下料速度，調(diào)節(jié)風機出口風量，保證合理撒料距離，滿足養(yǎng)殖艙魚類攝食空間。

深遠海養(yǎng)殖工船自動投飼系統(tǒng)針對大型養(yǎng)殖設施特點，通過集中供料、自動投喂、智能監(jiān)測、跟蹤記錄，基本滿足工船養(yǎng)殖模式投喂需求，保障深遠海魚類養(yǎng)殖的安全性。該工船投飼系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了投喂的自動化，但在智能化程度上有所欠缺，需要與水質(zhì)參數(shù)包括溫度、pH和溶氧等關鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，智能控制艙養(yǎng)投飼，總結(jié)養(yǎng)殖魚類的適合投喂數(shù)據(jù)，以提高深遠海大型設施養(yǎng)殖投喂科學化管理，實現(xiàn)工業(yè)化高效養(yǎng)殖。