葉高文

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361100)

目前，國內(nèi)中小水產(chǎn)養(yǎng)殖場喂料大部分采用人工拋料的方式，但人工拋料不能保證喂料的均勻性，而且勞動強度大，甚至造成飼料浪費、污染水質(zhì)、影響?zhàn)B殖對象的生長發(fā)育，增加養(yǎng)殖成本[1-2]。在飼料投飼裝備研發(fā)和應(yīng)用方面，西方發(fā)達國家比我國發(fā)展早，技術(shù)也更先進，如美國ETI公司研發(fā)的具有高精度、高可靠性和大容量的Feedmaster投飼系統(tǒng)，芬蘭Arvo-Tec公司研發(fā)的機器人投飼系統(tǒng)，日本Nitto Seiko公司研發(fā)的具有先進水平的小料倉投喂模式系統(tǒng)等，在這些國家，自動投飼設(shè)備應(yīng)用已經(jīng)比較普遍[3]。而在我國整體飼料機械行業(yè)技術(shù)研發(fā)比較薄弱的大背景下[4-5]，國內(nèi)有一些公司開始投入到投飼系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)，如南京漁聯(lián)網(wǎng)科技有限公司的智能投料機、廣州中浪科技有限公司的管道投料機、浙江富地機械有限公司的工廠化養(yǎng)殖投飼系統(tǒng)等。同時，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)專家也在不斷嘗試開發(fā)自動投飼設(shè)備。胡昱等研發(fā)出深水網(wǎng)箱自動投飼系統(tǒng)，通過可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)控制繼電接觸器來控制各個設(shè)備的啟動、停止，動態(tài)定時、定點及定量的投飼，實現(xiàn)精確投飼[6]。田應(yīng)平等設(shè)計了一套適用于室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖的自動投飼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有監(jiān)測報警、自動投飼等功能，實現(xiàn)了飼料的全天候?qū)崟r自動投放以及遠程監(jiān)控[7]。汪萬里等研發(fā)了新型對蝦養(yǎng)殖投飼裝置，采用輪式的移動方案，實現(xiàn)了移動過程中進行投喂的功能，克服了當(dāng)前對蝦養(yǎng)殖過程中人工投飼的缺陷[8]。

綜上，國外的設(shè)備先進，但價格昂貴；國內(nèi)的研究大多是針對單一的中大型養(yǎng)殖場，而國內(nèi)中小養(yǎng)殖戶一般都有多個中小養(yǎng)殖池塘，同時購買多套國產(chǎn)設(shè)備成本過高，以致于目前很多中小養(yǎng)殖戶仍采用人工投料的方式。本項目針對當(dāng)前中小養(yǎng)殖戶的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)的飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含飼料供料、輸送、集中分配、拋料和監(jiān)控等系統(tǒng)，通過集中供料、多路配送，可實現(xiàn)向多個養(yǎng)殖池塘(本文所寫的池塘是指可養(yǎng)殖各類水產(chǎn)品的場所)進行長距離、大容量的投飼。使用該系統(tǒng)，操作人員只要在控制室內(nèi)就可以進行投飼操作以及遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)的投入使用，對廣大中小養(yǎng)殖戶而言，成本是適中的，不僅可以減少對水產(chǎn)技術(shù)管理人員的依賴，減輕管理人員的勞動強度，還能提高生產(chǎn)效率。

1 飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)總體設(shè)計

飼料供應(yīng)系統(tǒng)作為智慧養(yǎng)殖業(yè)的一個子系統(tǒng)，主要作用是將飼料高效、低成本地輸送到池塘相應(yīng)區(qū)域。為實現(xiàn)該目的，本項目設(shè)計了飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)，由5個子系統(tǒng)組成，如圖1所示，分別是：1)飼料供料系統(tǒng)；2)飼料風(fēng)機輸送系統(tǒng)；3)集中供料飼料分配系統(tǒng)；4)飼料拋料系統(tǒng)；5)飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)。其工作原理是風(fēng)機輸送系統(tǒng)提供氣體動力，料倉裝置中的飼料經(jīng)供料裝置進入管道，風(fēng)機輸送系統(tǒng)產(chǎn)生的高速空氣流在供料裝置出口附近產(chǎn)生一個負壓區(qū)，在負壓及加速氣流的作用下，氣流和飼料顆粒的混合物通過分配系統(tǒng)出料口進入輸送管道并被輸送到養(yǎng)殖池塘。分配裝置通過監(jiān)控系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)以達到不同的出料口，每個出料口通向不同的養(yǎng)殖池塘的拋料系統(tǒng)，從而實現(xiàn)多個池塘投料。本項目設(shè)定的投料能力為2 500 kg·h-1，以下電機參數(shù)選擇均按此目標(biāo)進行。

飼料集中供應(yīng)設(shè)計，具有以下優(yōu)點：1)輸送距離遠，加上中繼站，輸送距離可更遠；2)可降低飼料運輸和道路建設(shè)成本；3)投料面積可調(diào)，噴灑均勻；4)可自動用高壓空氣清洗管道，不會殘留飼料；5)耐用、安全、易操作及環(huán)保等。

2 飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 飼料供料系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，由于齒輪泵的流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，且其成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、轉(zhuǎn)速范圍大及耐沖擊性能強等優(yōu)點[9-10]，因此飼料供料系統(tǒng)選擇由料倉和齒輪泵供料系統(tǒng)組成。料倉的裝置采用料斗式，其容積可以根據(jù)實際的需要定制，材質(zhì)采用304鋼。料倉的底部與齒輪泵上端進料口相連，齒輪泵與電機通過聯(lián)軸器連接，齒輪泵另一端延伸到送料風(fēng)管，齒輪泵機構(gòu)可以將料倉底部飼料輸送到送料風(fēng)管內(nèi)。通過調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，可準(zhǔn)確控制投料量，實現(xiàn)智能投料。

齒輪泵驅(qū)動電機功率N1計算式：

N1=PQ/η

(1)

式(1)中：N1—電機驅(qū)動功率，W；P—泵出口壓力，Pa；Q—齒輪泵流量，m3·s-1；η—齒輪泵效率。

由于顆粒飼料密度一般為1.0～1.3 g·cm-3，齒輪泵效率約為0.7～0.9，管道壓力約為1.6×105Pa，按照投料能力及齒輪泵效率取0.9代入進行計算，并考慮余量，因此驅(qū)動電機功率取150 W。本系統(tǒng)齒輪泵電機采用直流電機，選擇電機功率為150 W，電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1。需要說明的是，實際系統(tǒng)可以根據(jù)投料能力的不同要求，選擇相適應(yīng)的齒輪泵及配套電機。

齒輪泵直流電機的速度調(diào)控通過控制電機的工作電壓實現(xiàn)。電機工作電壓通過PLC的脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)方法，可方便地控制負載端的平均電壓，在脈沖的低電壓趨近于0時，負載的平均電壓與PWM的占空比成正比[11]。本系統(tǒng)使用S7-200PLC的PWM脈寬調(diào)制功能，通過PWM配置向?qū)нM行配置，周期為500 ms。電機轉(zhuǎn)速可以根據(jù)實際需要在觸摸屏上設(shè)置不同的擋位進行控制。本項目設(shè)置為3個擋位，對應(yīng)PLC地址分別為M10.0、M10.1、M10.2，對應(yīng)的占空比分別為0.3、0.5、1.0，通過PLC編程實現(xiàn)。

2.2 飼料風(fēng)機輸送系統(tǒng)選型

鑒于壓送式氣力輸送裝置具有輸送距離較遠及可同時把物料輸送到多處的優(yōu)點，根據(jù)養(yǎng)殖業(yè)的投料特點，本送料系統(tǒng)選擇離心式送料風(fēng)機[12]。本系統(tǒng)由送料風(fēng)機和送風(fēng)管組成。由于聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)具有耐壓、耐磨和質(zhì)量輕等特點，通常選擇PVC管作為送風(fēng)管，直徑為50 mm。風(fēng)機驅(qū)動功率經(jīng)驗計算式[13]：

N2= 1.15×1.2Q1Pm

(2)

式(2)中：N2—電機驅(qū)動功率，W；Q1—系統(tǒng)工作風(fēng)量，m3·min-1；Pm—管道總壓力降，kPa。

為滿足該項目設(shè)計的投料能力，根據(jù)式(2)，并結(jié)合市場上常用的風(fēng)機參數(shù)性能，本項目風(fēng)機電機參數(shù)為：風(fēng)機功率為7.5 kW，線電壓為380 V，額定電流為15.5 A，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1。

2.3 集中供料飼料分配系統(tǒng)選型設(shè)計

飼料分配系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)分配器。飼料風(fēng)機輸送系統(tǒng)輸送過來的飼料進入旋轉(zhuǎn)分配器上方的進料口，下部有多個出料口，每個出料口對應(yīng)一個池塘，出料口可以根據(jù)需要進行定制，出于成本考慮，分配器結(jié)構(gòu)采用如圖3所示。為滿足該項目設(shè)計的投料能力，該旋轉(zhuǎn)分配器的動力使用單相交流電機，交流電機額定功率為550 W，額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r·min-1。交流電機的啟動和停止由PLC進行控制。通過鍵套聯(lián)接帶動旋轉(zhuǎn)管，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)管進料口與下座出料口的匹配對接，分配器旋轉(zhuǎn)對接定位由行程開關(guān)提供信號，發(fā)送給S7-200PLC，PLC發(fā)出信號對動力電機進行啟?？刂疲瑥亩鴮崿F(xiàn)定位對接。驅(qū)動電機位置在分配器的下方，將分配器裝置外殼上部的進料管作為旋轉(zhuǎn)軸心，導(dǎo)套套進進料管，聯(lián)結(jié)裝置的支座設(shè)計成圓臺型，其斜邊與水平面成一定夾角，該夾角與旋轉(zhuǎn)管的傾角一致。該旋轉(zhuǎn)分配器制造工藝及結(jié)構(gòu)都比較簡單，安裝維護方便。若對管道密封性要求高，可以采用成本更高的帶有風(fēng)網(wǎng)和吸風(fēng)裝置的旋轉(zhuǎn)分配器[14]。集中供應(yīng)分配系統(tǒng)的電機，也可以使用步進電機，從而使分配器機械機構(gòu)可以簡化，定位更加精準(zhǔn)。

2.4 飼料拋料系統(tǒng)設(shè)計

每個池塘的飼料拋料系統(tǒng)由3個浮球、輸送管道、拋料電動機、支架、拋料裝置等組成，如圖4所示。浮球的主要作用是確保拋料裝置處于水面之上一定的距離，綜合考慮成本及穩(wěn)定性，設(shè)計采用3浮球結(jié)構(gòu)。考慮到腐蝕等因素，支架和拋料裝置上的拋料金屬管采用不銹鋼材料制作。

根據(jù)本項目的投料能力要求，參考行業(yè)的配置經(jīng)驗，電機采用單相交流電動機，電機額定功率為2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1，額定電壓為220 V，額定電流為8.0 A。浮球直徑約44 cm。該拋料電機只能按固定轉(zhuǎn)速進行，對同一種飼料的拋料半徑相對固定。如果拋料的范圍固定，養(yǎng)殖生物覓食的空間也相應(yīng)很小，而且擁擠覓食會造成局部嚴重缺氧，當(dāng)溶解氧不足以維持生命之需時，養(yǎng)殖生物群會本能地逃離，造成飼料浪費和水質(zhì)污染以及影響?zhàn)B殖生物的生長。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)養(yǎng)殖對象的需求，通過增加1個變頻器，借助變頻器良好的調(diào)速性能，以很好地控制拋料電機的轉(zhuǎn)速[15]，從而更加靈活地控制拋料范圍，但會增加購買變頻器的成本。

2.5 飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)及人機界面(Human machine interface，HMI)組成。信息采集系統(tǒng)主要由各類傳感器組成，本項目僅設(shè)有水溫傳感器，考慮到使用成本，采集的數(shù)據(jù)通過有線方式傳送到控制器?；谒a(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境比較惡劣[16]，出于可靠性的考慮，控制器選擇西門子S7-200PLC(CPU226 DC/DC/DC型)，變頻器采用西門子MM420型。HMI采用北京昆侖通態(tài)公司的TPC7062KX觸摸屏，組態(tài)軟件采用MCGS7.7嵌入版。

飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制處理程序流程圖，以1#池塘控制為例，如圖5所示。根據(jù)實際投料情況，先將飼料放于料箱。PLC控制系統(tǒng)先判斷集中投料系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài)，即料箱有料、各類傳感器發(fā)回數(shù)據(jù)正常，然后在觸摸屏上按下系統(tǒng)啟動按鈕。根據(jù)實際需要，選擇需要投料的池塘。以選擇1#池塘為例，1#池塘如果準(zhǔn)備好，即水溫等各類傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)正常，則先選擇供料擋位，然后啟動1#池塘供料。投料完畢，則按下停止按鈕，使得1#池塘投料參數(shù)復(fù)位。若所有池塘均投料完畢，則按下系統(tǒng)停止按鈕，所有系統(tǒng)參數(shù)復(fù)位。在投料期間，任何時候出現(xiàn)緊急情況，都可以按下急停按鈕，停止投料。飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控主界面如圖6所示，以1#池塘為例，子系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示。啟動屏幕前，需要進行登錄認證。HMI監(jiān)控界面可以根據(jù)用戶需要進行功能增減。

3 測試

受經(jīng)費和場地條件不足等影響，飼料集中供應(yīng)的機電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)測試是分開的。首先，在廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院的池塘進行機電系統(tǒng)的測試，將以上供料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、拋料系統(tǒng)等安裝好，利用原有的簡單的繼電器電控系統(tǒng)對以上選擇的機電系統(tǒng)進行測試，選用的是普通的顆粒狀飼料，測試結(jié)果為：在輸送飼料管道直徑為50 mm條件下，本項目投料最大輸送距離可達200 m以上，投料區(qū)域圓形直徑60～80 m(投料面積可達4 000 m2以上)，投料能力可以達到設(shè)計預(yù)期的2 500 kg·h-1。鑒于監(jiān)控系統(tǒng)測試的主要是PLC的編程和觸摸屏的通信，本項目監(jiān)控系統(tǒng)安排在實驗室進行測試。利用4個同類型但功率更小的電機對以上供料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、分配系統(tǒng)和拋料系統(tǒng)4個電機進行模擬測試，運行結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)可以正常運行。需要說明的是，以上測試雖然沒有完全和真實場景一致，但由于監(jiān)控系統(tǒng)和控制的機電系統(tǒng)主要是受電機的控制，因此測試結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)語

本項目的整體設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)在池塘和實驗室的成功調(diào)試表明，該飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)可以滿足中小養(yǎng)殖戶對多池塘養(yǎng)殖無人值守和智能化自動投料控制的要求，具有較廣闊的應(yīng)用前景。但整個系統(tǒng)設(shè)計受成本限制，因而功能上不夠全面。本項目作為智慧養(yǎng)殖業(yè)的一個子系統(tǒng)，未來可以通過增加各類水質(zhì)檢測及視覺傳感器，比如pH值檢測、含氧量檢測等，通過智能無線傳輸設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC通過智能無線傳輸設(shè)備，將信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云端，通過互聯(lián)網(wǎng)無線通信設(shè)備，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機終端，用戶可以在手機終端實時查看相關(guān)信息，并發(fā)出命令，對系統(tǒng)進行控制，這將極大地提高系統(tǒng)智能化水平及效率。