網(wǎng)箱養(yǎng)殖平臺(tái)自動(dòng)投飼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

王志勇,馮書(shū)慶,林禮群,徐志強(qiáng)

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092； 2青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266000)

海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖已發(fā)展成為中國(guó)海水養(yǎng)殖的重要產(chǎn)業(yè)之一，但網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備發(fā)展卻相對(duì)滯后，當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分的網(wǎng)箱投飼機(jī)智能化程度較低，主要是以機(jī)械化取代人工投飼。近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖投喂操作大部分是在船板或簡(jiǎn)易搭建的浮臺(tái)上實(shí)施，工作效率低，平臺(tái)抗風(fēng)浪能力差。深海網(wǎng)箱近幾年陸續(xù)開(kāi)發(fā)了不同形式的網(wǎng)箱自動(dòng)投飼系統(tǒng)，基本可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、定時(shí)定量自動(dòng)投喂，但是相比國(guó)外先進(jìn)投飼裝置在系統(tǒng)化、自動(dòng)化、精確度等方面仍有差距，在使用過(guò)程中還存在不足之處，其可靠性和安全性需要進(jìn)一步完善，尚未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，目前只在個(gè)別深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地進(jìn)行試驗(yàn)與示范應(yīng)用[1-4]。國(guó)外在自動(dòng)投飼領(lǐng)域技術(shù)水平較高，許多國(guó)家擁有較為完善的智能化投飼系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、精確化和智能化[5-6]。

隨著深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的大力發(fā)展，尤其是在遠(yuǎn)離海岸的養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖環(huán)境需要依托養(yǎng)殖管理平臺(tái)，配套專屬的網(wǎng)箱設(shè)施、物流補(bǔ)給船和陸基保障設(shè)施，養(yǎng)殖生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)需要配套全面的機(jī)械化及自動(dòng)化裝備，以及信息化管理系統(tǒng)等。本文以我國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖為重點(diǎn)，依托浮式養(yǎng)殖作業(yè)平臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)投飼裝備關(guān)鍵技術(shù)研究與集成，研制出適于深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖管理的浮式平臺(tái)自動(dòng)投飼系統(tǒng)，可以更好提高養(yǎng)殖作業(yè)的靈活性和適用性[7-10]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及總體布置

1.1 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

投飼平臺(tái)采用鋼結(jié)構(gòu)形式，浮式，集自動(dòng)投飼和日常生產(chǎn)管理等功能于一體，結(jié)合海上長(zhǎng)期養(yǎng)殖浮式平臺(tái)管理的特性，能夠滿足養(yǎng)殖基本功能配置要求，充分考慮平臺(tái)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式及主尺度設(shè)計(jì)，如圖1所示。

平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)為：總長(zhǎng)20 m，型寬10 m，型深1.8 m，設(shè)計(jì)吃水0.80 m，載荷量 160 t。

1.2 投飼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

投飼系統(tǒng)采用正壓氣力輸送，系統(tǒng)氣源選擇羅茨鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻調(diào)速可控制風(fēng)量，最長(zhǎng)輸送距離350 m。為了降低養(yǎng)殖管理平臺(tái)整體重心高度，提高平臺(tái)的穩(wěn)性，投飼系統(tǒng)料斗采用下沉式結(jié)構(gòu)，料斗設(shè)備檢修區(qū)下沉1.4 m，四周密封，兩側(cè)開(kāi)設(shè)人孔，以便旋轉(zhuǎn)下料器的檢修與維護(hù)(圖2)。由于料斗設(shè)置于養(yǎng)殖管理平臺(tái)中央，滿倉(cāng)或空倉(cāng)對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性影響較小，平臺(tái)始終處于平穩(wěn)狀態(tài)。

飼料經(jīng)運(yùn)輸船運(yùn)至管理平臺(tái)儲(chǔ)料區(qū)，經(jīng)上料機(jī)抽吸至投飼系統(tǒng)料斗，在料斗的頂部和底側(cè)分別安裝有一料位開(kāi)關(guān)，用來(lái)監(jiān)測(cè)料斗內(nèi)飼料狀態(tài)。兩個(gè)料斗下方各配一個(gè)電動(dòng)閘門(mén)，螺旋輸料機(jī)與電動(dòng)閘門(mén)連接。兩套螺旋輸送喂料機(jī)下方設(shè)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)下料器，螺旋輸送喂料機(jī)釆用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以單獨(dú)控制。針對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程中不同養(yǎng)殖對(duì)象，可以選擇不同飼料進(jìn)行定量、分時(shí)投喂。氣送系統(tǒng)采用正壓輸送，可以方便多養(yǎng)殖點(diǎn)投飼布置，由于正壓輸送風(fēng)機(jī)出口溫度較高，影響飼料特性，因此在風(fēng)機(jī)出口安裝一風(fēng)機(jī)冷卻器，有效降低輸送管中氣流溫度。

通過(guò)養(yǎng)殖管理平臺(tái)對(duì)投飼系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，投喂時(shí)料斗中的飼料通過(guò)下方的螺旋輸料機(jī)和下料器進(jìn)入氣料混合管，經(jīng)彎管進(jìn)入投飼分配器，分配器設(shè)有多個(gè)出料口，連接到不同輸送管道。投喂分配器可以手動(dòng)選擇某個(gè)投飼管道，也可以通過(guò)程序設(shè)定按順序選擇，在高速氣流作用下飼料輸送至管道末端撒料頭，噴撒到網(wǎng)箱中心進(jìn)行投喂，滿足多個(gè)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的投喂需求[11-15]。

圖1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理平臺(tái)Fig.1 Cage culture management platform

圖2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖平臺(tái)自動(dòng)投飼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of automatic feeding system of cage culture platform

1.3 投飼系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱為圓形雙浮管式，周長(zhǎng)100 m，網(wǎng)深15 m，數(shù)量10個(gè)，單個(gè)網(wǎng)箱每天最大投飼量500 kg。根據(jù)投喂需求確定壓送式氣力輸送的設(shè)計(jì)方案及主要技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行氣流速度、設(shè)計(jì)輸送量、混合比、輸送用空氣量及阻力損失的計(jì)算，從而確定風(fēng)機(jī)的壓力、容量及電動(dòng)機(jī)功率。風(fēng)機(jī)的參數(shù)關(guān)系到物料輸送量的大小和輸送量的穩(wěn)定性，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)是氣力輸送系統(tǒng)順利運(yùn)行的關(guān)鍵[16-17]。

所需風(fēng)量一般由物料的輸送量、混合比確定，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Q—風(fēng)量，m3/min ；G—輸送量，kg/h；γ—空氣密度，kg/m3；μ—輸送混合比。

根據(jù)氣力輸送所需的風(fēng)量和輸送速度來(lái)確定管道的直徑：

(2)

式中：D—輸送管直徑，mm；Q—風(fēng)量，m3/min ;v—輸送氣流速度，m/s。

在輸料管中，飼料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除了與被輸送飼料的物理性質(zhì)、幾何性質(zhì)和水力性質(zhì)有關(guān)外，主要是隨輸送氣流速度的大小和輸送濃度即混合比而變化。已知輸送量G=500 kg/h，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣比重γ=1.2，對(duì)于輸送速度，可參照工程實(shí)際中不同物料的形狀和密度初步確定。一般在水產(chǎn)飼料氣力輸送中，對(duì)于均勻粒狀物料低壓輸送，v=16～25 m/s，混合比μ=2～4。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該投飼系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取輸送速度v=20 m/s，μ=2。 將以上參數(shù)代入公式(1)和公式(2)，計(jì)算得Q=3.47 m3/min，D=66 mm?？紤]系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量，選擇羅茨風(fēng)機(jī)參數(shù)為流量Q=4.80 m3/min，風(fēng)機(jī)的功率為15 kW，輸料管道D75 mm×3.5 mm。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件控制主要包括風(fēng)機(jī)、螺旋輸料機(jī)、下料器、真空上料機(jī)，主電路圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC、斷路器、中間繼電器、變頻器等構(gòu)成，PLC作為系統(tǒng)的核心控制器件，主要完成：開(kāi)、停機(jī)控制；運(yùn)行流程控制；電源裝置狀態(tài)量的采集；位置信號(hào)采集；設(shè)置、顯示參數(shù)的計(jì)算。上位機(jī)采用研華IPC-610H工控機(jī)，上位機(jī)與PLC采用TCP/IP通訊協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行通訊，PLC和變頻器之間通過(guò)RS-485串行通訊，控制螺旋輸料機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)的定量投喂，并通過(guò)接觸器信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制[18-20]。

輸入部分由限位開(kāi)關(guān)、料位開(kāi)關(guān)組成,完成信號(hào)采集。輸出部分由分配器電機(jī)、下料器電機(jī)、輸料機(jī)電機(jī)、上料電機(jī)和報(bào)警裝置組成，系統(tǒng)控制如圖4所示。

圖3 投飼系統(tǒng)主電路圖Fig.3 Main circuit diagram of feeding system

圖4 投飼系統(tǒng)控制電路圖Fig.4 Control circuit diagram of feeding system

投飼分配器由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，滑動(dòng)頭沿著分配箱體可以在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)到任意一個(gè)出料口，每個(gè)出料口通過(guò)管道輸送到不同的養(yǎng)殖網(wǎng)箱。風(fēng)機(jī)和輸料機(jī)連接變頻器，可以根據(jù)輸送距離不同方便調(diào)節(jié)風(fēng)量和下料速度。在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處安裝一壓力傳感器，控制系統(tǒng)根據(jù)輸送管中壓力的反饋量進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)螺旋輸料機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制氣料混合管中下料量，維持氣力投飼系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件LabWindows CVI平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)等上。控制軟件采用圖形化人機(jī)交互技術(shù)，界面友好，數(shù)據(jù)清晰明了，操作方便，能滿足既定功能。軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)箱養(yǎng)殖參數(shù)設(shè)置、投喂控制、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)告打印等功能，為水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料投喂及產(chǎn)能分析提供數(shù)據(jù)支撐。

自動(dòng)投飼系統(tǒng)控制流程如圖5所示，風(fēng)機(jī)等設(shè)備工作前必須完成自檢工作，自檢信號(hào)由上位機(jī)發(fā)出，PLC檢測(cè)到自檢信號(hào)開(kāi)始自檢，此時(shí)分配器步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)尋找零位，分配器轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)向PLC發(fā)出零位信號(hào)，此時(shí)完成自檢掃孔工作，PLC反饋復(fù)位。自檢完成后各設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，下料機(jī)開(kāi)啟。投飼動(dòng)作前需要在上位機(jī)預(yù)先開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，并設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，待風(fēng)機(jī)正常開(kāi)啟后方可開(kāi)始投飼工作。投飼前需要提前設(shè)置以下數(shù)據(jù)：投飼目標(biāo)網(wǎng)箱號(hào)、選擇某個(gè)輸料機(jī)開(kāi)啟、輸料機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定、喂料輸送時(shí)間。數(shù)據(jù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊投飼動(dòng)作按鈕，PLC自動(dòng)完成目標(biāo)投飼。一個(gè)目標(biāo)投喂結(jié)束轉(zhuǎn)換另一個(gè)目標(biāo)投喂時(shí)，分配器步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)箱開(kāi)關(guān)位置，到位信號(hào)反饋給PLC后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到用戶設(shè)置轉(zhuǎn)速，同時(shí)選定投飼的輸料機(jī)開(kāi)啟且根據(jù)設(shè)置的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，到達(dá)設(shè)置的輸料時(shí)間，輸料機(jī)停止喂料，整個(gè)投飼工作完成[21-23]。

圖5 投飼系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Control flow chart of feeding system

3 系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)水產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該投飼系統(tǒng)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，主要測(cè)試投飼系統(tǒng)效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、飼料輸送過(guò)程破碎率。投飼輸送管道長(zhǎng)度350 m，輸送管內(nèi)徑68 mm，管道彎曲半徑為10倍管道直徑，管道彎頭3個(gè)，管道水平爬坡最大高度為300 mm。試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的粒徑分別為6 mm、8 mm、10 mm的3種規(guī)格魚(yú)用顆粒飼料，每袋25 kg，顆粒飼料平均容重為0.69 kg/L，試驗(yàn)環(huán)境溫度26～30 ℃，相對(duì)濕度60%，管道末端采用透氣布袋取樣飼料顆粒，用顆粒粒徑1/2大小的紗網(wǎng)篩分，分出半顆粒和粉末，計(jì)算破碎率，系統(tǒng)試驗(yàn)記錄如表1所示。顆粒破碎率計(jì)算公式為：

W=G1/G0×100%

(3)

式中：W—顆粒飼料破碎率；G1—顆粒粉末和半顆粒質(zhì)量，kg；G0—試驗(yàn)物料質(zhì)量，kg。

表1 投飼系統(tǒng)試驗(yàn)記錄

3.2 結(jié)果與分析

根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)記錄，3種不同粒徑的顆粒飼料，在相同輸送距離下，最小投飼量平均為523.2 kg/h，最大投飼量平均為568.2 kg/h，符合系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求。測(cè)試的飼料粒徑越大，投飼量越小，投飼效率越低，這是由于輸送物料的特性不同，輸送能力也會(huì)有很大變化，通常在較低輸送壓力下，物料的粒徑對(duì)輸送量影響不大，但在較高輸送壓力下，粒徑越小，輸送量越大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況比較吻合。另外，該投飼系統(tǒng)在相同輸送距離情況下，飼料粒徑為10 mm時(shí)，平均破碎率為1.12%，比粒徑 6 mm的飼料破碎率0.27%要增大很多，相比參考文獻(xiàn)[24]中300 m投飼破碎率0.7%，破碎率也有所不同。這是因?yàn)橛绊戯暳掀扑槁实囊蛩睾芏?，包括輸送速度、飼料顆粒粒徑、管道布置形式等，粒徑大小對(duì)破碎率的影響主要是基于強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，顆粒越小其強(qiáng)度測(cè)定值越大，在輸送中越不易破碎，顆粒越大越易破碎，另外，不同種類的飼料其特性也有很大不同，膨化飼料相比緩沉飼料其顆粒強(qiáng)度要小，破碎率要高，不能簡(jiǎn)單對(duì)比，需要區(qū)別對(duì)待[24-30]。氣送輸送投飼系統(tǒng)是一個(gè)綜合性工程，涉及流體力學(xué)、材料科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)一般是綜合考慮各種參數(shù)設(shè)計(jì)，在滿足養(yǎng)殖工藝要求前提下，要求安全性和實(shí)用性，盡量提高投飼系統(tǒng)效率，減少飼料破碎率，減少能耗，增加養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

該自動(dòng)投飼系統(tǒng)通過(guò)集成養(yǎng)殖平臺(tái)管理功能，基于氣力輸送和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送投喂、集中自動(dòng)控制。根據(jù)輸送管道壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)下料速度，控制系統(tǒng)下料量，避免發(fā)生堵料現(xiàn)象，運(yùn)行過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，進(jìn)一步提高了投飼系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。該網(wǎng)箱養(yǎng)殖投飼平臺(tái)采用浮式組合結(jié)構(gòu)，提高了作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性，整體平臺(tái)利用船舶拖至指定水域并與錨泊系統(tǒng)相連，可以用于海上或者大型湖泊養(yǎng)殖的日常居住和作業(yè)功能，系統(tǒng)平臺(tái)還具備水面航行功能，增加了養(yǎng)殖作業(yè)的靈活性和適用性。

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