水產養(yǎng)殖復合式自動增氧系統(tǒng)設計與試驗

蔣建明 喬增偉 朱正偉 宦 娟 史 兵 郇 戰(zhàn)

(1.常州大學微電子與控制工程學院， 常州 213164； 2.常州大學懷德學院， 靖江 214500)

0 引言

水體溶解氧含量指溶解于每升水體中氧氣的質量，是高密度水產養(yǎng)殖中最重要的水質參數之一[1-2]。當水體溶解氧含量低于正常值時，魚類對餌料攝取減少，餌料系數增加[3-5]。當水體溶解量含量低于下限值時，會造成魚類“浮頭”，甚至大面積窒息死亡。目前，我國水產養(yǎng)殖密度普遍高，僅靠自然界溶入水體的氧氣無法滿足魚類生長需求。

電力驅動葉輪式增氧(功率一般為0.75、1.5、3 kW)是當前水產養(yǎng)殖增氧的主要方式[6-10]。耕水機(40、60 W)是一種白天以低功率驅動水體上下循環(huán)、通過水體中藻類的光合作用大幅增加水體溶解氧濃度的間接增氧機械，但耕水機在陰雨天或夜晚難以收到增氧效果[11-14]。文獻[15-17]對微孔曝氣增氧機與葉輪增氧機的增氧能力進行了對比研究，指出葉輪增氧機比同等功率微孔曝氣增氧機增氧效果更佳。文獻[18-20]在矩形養(yǎng)殖池對曝氣增氧機與水車式增氧機的增氧效率進行了對比試驗，發(fā)現曝氣式增氧機耗費更多電能。文獻[21]提出，為了提高水車式增氧機的增氧效率，必須實時獲取水體溶解氧含量，以便在溶解氧含量低于下限值時進行增氧。文獻[22-26]提出，水車式增氧機有利于改善養(yǎng)殖池水質參數，降低魚類死亡率。

本文將葉輪增氧機和耕水機復合使用，分析采用可變因子模糊控制變頻應急增氧效果，通過對養(yǎng)殖池水體不同區(qū)域、不同位置的溶解氧含量均勻度分析，探索高效節(jié)能的增氧方式。

1 系統(tǒng)結構

復合式增氧系統(tǒng)結構如圖1所示，養(yǎng)殖池中水體溶解氧質量濃度由溶解氧傳感器測量后傳輸給基站，近距離節(jié)點直接無線發(fā)送給基站，遠距離節(jié)點由附近幾個節(jié)點形成一個簇，由簇首匯總數據，打包發(fā)送給基站，為使各節(jié)點能耗均衡，簇首由各節(jié)點輪流擔任。基站收集各節(jié)點測量數據，通過RS-485串行通信傳送到控制器，控制器處理各節(jié)點測量數據，比較系統(tǒng)設定的應急增氧上限值(停止應急增氧)和下限值(啟動應急增氧)停止和啟動葉輪增氧機應急增氧，同時每天定時控制耕水機耕動水體。

圖1 復合式增氧系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 System structure diagram of compound aeration system

1.1 溶解氧含量測量

1.1.1測量節(jié)點

水體溶解氧含量測量節(jié)點結構如圖2所示，由測量探頭和信號處理兩部分組成。

圖2 測量節(jié)點結構圖Fig.2 Structure of measurement node

測量探頭一般采用克拉克型傳感器，該傳感器由一個選擇性薄膜封閉的充滿電解液的腔室組成。腔室由陰極、陽極組成，二者之間充滿氯化鉀電解液，當陰陽兩極之間由外接電池施加0.8 V電壓時釋放電子，電子在電解液中的定向流動形成電流，該電流與水體溶解氧質量濃度呈近似比例關系。

信號處理主要完成傳感器信號的放大、A/D轉換，數據處理以及信號發(fā)射。普通節(jié)點采用鋰電池供電；用作基站的節(jié)點，數據運算工作量大，能耗相應增加，所以固定在養(yǎng)殖池岸邊采用電源供電。

1.1.2測量誤差的修正

各節(jié)點獲取測量數據后，需要修正各組測量數據，計算出各測量點溶解氧質量濃度。

水體溶解氧傳感誤差修正的關鍵是建立誤差模型。水體溶解氧質量濃度Vi與傳感器輸出電流Ii無確定誤差模型，需要系統(tǒng)通過初始化現場測量建立模型。高次多項式模型可以精確模擬變化曲線。

假設有n組測量數據：(I1,V1)，(I2,V2)，…，(In,Vn),函數Vi=f(Ii)滿足系統(tǒng)要求，輸出曲線可以近似用n-1次多項式表示

(1)

則把n組測量數據代入式(1)得到

(2)

由式(2)可求得a0,a1,…,an-1。

理論上n越大，測量精度越高，但系統(tǒng)運算量隨之幾何上升。受到測量節(jié)點CPU運算能力限制，系統(tǒng)采用二次拋物線插值法。在系統(tǒng)初始化階段，選取(I1,V1)、(I2,V2)、(I3,V3) 3組數據代入式(2)得到

(3)

由此求得a0、a1、a2，當測量過程中獲取溶解氧傳感器測量參數Ii時，則可求得

(4)

1.2 增氧機械

1.2.1葉輪增氧機

葉輪增氧機主要由葉輪、撐桿、浮筒、電動機、減速箱等組成。其增氧原理是水躍、水面更新、負壓進氣等聯合作用。

(1)水躍增氧。葉輪在水中旋轉而產生離心力，中央產生負壓區(qū)，將底層水提上來促使水從葉輪中央向四周甩出，產生水躍與水平流。

(2)水面更新增氧。由于葉輪的提水及甩水作用，使氣水界面不斷更新，將底層缺氧的水提至水體表面，使缺氧水與空氣接觸。

(3)負壓進氣增氧。葉輪旋轉能在某些部位形成負壓區(qū)，在每只葉片后部鉆有一排小氣孔利于負壓進氣，增加了溶氧效果。

1.2.2耕水機

耕水機結構及工作圖如圖3所示，工作時以幾十瓦的功率緩慢攪動水體，使水體上下層循環(huán)，促使空氣中的氧氣加快溶入水體，更重要的是循環(huán)到上層的溶解氧含量較低，水體中的藻類通過光合作用產生大量氧氣溶入水體。在無耕水機工作情況下，上層水體溶解氧過飽和，光合作用產生的氧氣只能溢出到空氣中。

圖3 耕水機結構及工作圖Fig.3 Schematic diagram of biofan

1.3 模糊變頻增氧控制

各測量節(jié)點把測量的有效參數傳輸給基站，基站把測量數據傳送給控制器，當測量數據低于下限值(設定應急增氧啟動值)時,控制器啟動葉輪增氧機變頻應急增氧。在應急增氧狀態(tài)下,測量數據高于上限值(設定應急增氧停止值)時停止應急增氧,避免低效工作(水體溶解氧含量越高，應急增氧效率越低)。

控制器每次采樣后獲取的溶解氧含量誤差e和誤差變化率Δe首先按照隸屬函數歸類為{4,3,2,1,0,-1,-2,-3,-4}。

在固定因子模糊變頻控制中，誤差e和誤差變化率Δe的加權系數均為0.5。即

u=-(e+Δe)/2

(5)

式中u為控制器輸出量化值控制系數，如表1所示。

表1 固定因子模糊變頻控制系數Tab.1 Fixed factor fuzzy frequency conversion control

增氧控制中當溶解氧質量濃度低于下限值時，要求迅速提高溶解氧質量濃度到額定值，所以對誤差加權偏大；當接近額定值時，要求控制穩(wěn)定，對誤差變化率加權偏大。

(6)

式中加權系數α1、α2∈(0，1)。系統(tǒng)中取α1=0.4，α2=0.6，由此得到的實際控制系數u如表2所示。

表2 可變因子模糊變頻控制系數Tab.2 Variable factor fuzzy frequency conversion control

由于u的值域是[-4,4],變頻控制器的輸入信號是[0 V,5 V],則變頻器輸入信號為

U=5u/8+2.5

(7)

2 試驗分析

2.1 模糊變頻控制試驗

在江蘇省丹陽市橫塘水產養(yǎng)殖基地分別選取4個100 m×50 m×2 m的養(yǎng)殖池，通過無線傳感網絡實時監(jiān)測水面下0.5 m處水體溶解氧質量濃度，采用單一葉輪式增氧機(3 kW)變頻增氧；其中2個養(yǎng)殖池采用固定因子模糊變頻控制，另外2個養(yǎng)殖池采用可變因子模糊變頻控制。應急增氧啟動的下限值為3.5 mg/L,增氧控制額定值為5.5 mg/L,停止應急增氧的上限值為6.5 mg/L。

由圖4可知，采用可變因子模糊變頻控制在20:00左右啟動應急增氧時相比固定因子控制能快速增氧質量濃度至額定值，在額定值區(qū)域溶解氧質量濃度更穩(wěn)定。

圖4 晴天模糊變頻控制圖Fig.4 Fuzzy variable frequency control chart on sunny days

由圖5可知，陰雨天自然界產生的溶解氧無法滿足高密度水產養(yǎng)殖魚類需求，需要24 h通過變頻控制增氧，采用可變因子模糊控制的溶解氧誤差小于采用固定因子的變頻控制。

圖5 陰雨天模糊變頻控制圖Fig.5 Fuzzy variable frequency control chart on rainy days

2.2 無應急增氧與應急增氧對比試驗

分別選取2個100 m×50 m×2 m的養(yǎng)殖池，均選用多點實時無線監(jiān)測水體溶解氧質量濃度，一個采用單一葉輪式機械增氧模式；另一個采用耕水機定時工作(00:00—17:00)和葉輪增氧機復合增氧模式。二者應急增氧啟動的下限值為3.5 mg/L, 控制額定值為5.5 mg/L,停止應急增氧的上限值為6.5 mg/L。

(1)無應急增氧溶解氧含量分布

在晴朗白天，養(yǎng)殖池一般無需應急增氧，水體溶解氧主要由藻類光合作用產生的氧氣和大氣中溶入水體中的氧氣補給。在水體上下層不循環(huán)情況下，上層水體溶解氧一般處于過飽和狀態(tài)。在復合增氧模式中，耕水機不斷驅動水體上下循環(huán)，保證上下層水體都能達到富氧狀態(tài)，整體提升了水體溶解氧含量。在14:00左右通過測量獲取養(yǎng)殖池水體溶解氧分布如圖6所示，在耕水機工作中整個水體溶解氧分布相對均衡，底層水體(水面下1.8 m)溶解氧質量濃度約為4.6 mg/L，上層水體(水面下0.2 m)約為6.1 mg/L，階層差約為1.5 mg/L。在無耕水機工作的單一增氧機模式中，底層水體溶解氧質量濃度約為3.0 mg/L，中層水體(水面下1.0 m)溶解氧質量濃度約為4.5 mg/L，上層水體約為7.5 mg/L，部分表層水體(水面下0.1 m)甚至超過10.0 mg/L，上下階層差約為4.5 mg/L。

圖6 無應急增氧模式下水體溶解氧分布Fig.6 Dissolved oxygen distributions in water without emergency aeration

(2)應急增氧時溶解氧含量分布

在晴朗白天，養(yǎng)殖池水體溶解氧補給大于消耗，但在夜晚僅通過空氣溶入水體得到少量補充，消耗大于補給。當水體溶解氧質量濃度低于下限值時自動啟動葉輪增氧機應急增氧。07:30測量獲取溶解氧質量濃度分布如圖7所示。

圖7 應急增氧模式水體溶解氧分布Fig.7 Distributions of dissolved oxygen in water during emergency aeration

在耕水機和葉輪增氧機同時工作的養(yǎng)殖池水體溶解氧分布中，各點質量濃度分布均勻。底層約為5.5 mg/L，中層約為6.0 mg/L，上層約為6.5 mg/L。在葉輪增氧機單獨工作的水體溶解氧分布中，增氧機工作區(qū)域上下層分布均勻，但遠離增氧機區(qū)域中下層水體溶解氧質量濃度較低，部分區(qū)域質量濃度約為4.0 mg/L，說明葉輪增氧機增氧難以攪動遠距離區(qū)域。中心區(qū)域部分溶解氧質量濃度偏高，降低了增氧效率。

(3)效果分析

晴朗天氣單一機械增氧和復合增氧模式中葉輪增氧機工作時間如圖8所示。單一機械增氧模式中葉輪增氧機啟動時間約為20:00，復合增氧模式中啟動時間約為23:00，停止時間都約為08:00。復合增氧模式中葉輪增氧機工作時間減少了3 h,功耗減少9 kW·h，減去耕水機每天功耗約1.2 kW·h,每天節(jié)約電能7.80 kW·h。陰雨天試驗發(fā)現單一機械增氧模式和復合增氧模式耗電量基本相等。經過第3季度試驗發(fā)現，復合增氧模式比單一增氧模式節(jié)約電能587.34 kW·h。

圖8 增氧機械啟停示意圖Fig.8 Schematic of start-stop of aeration machines

3 結論

(1)在無應急增氧情況下，單一增氧模式上下層水體溶解氧質量濃度差值約為4.5 mg/L，復合增氧模式約為1.5 mg/L。

(2)在應急增氧情況下，單一增氧模式區(qū)域水體溶解氧質量濃度差值約為2.0 mg/L，復合增氧模式約為1.0 mg/L。

(3)在晴天試驗中，相比單一增氧模式，復合增氧模式節(jié)約電能28.2 kW·h。第3季度復合增氧模式節(jié)約電能587.34 kW·h。