灣外底層水域網(wǎng)箱養(yǎng)殖浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)

蔡文鴻，鄭國(guó)富，姚桂祥，林元俊，張 哲，丁 蘭，魏盛軍，陳思源

(福建省水產(chǎn)研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361013)

近年來，隨著國(guó)內(nèi)外各種大型養(yǎng)殖設(shè)施的建造，養(yǎng)殖業(yè)開啟了進(jìn)軍深遠(yuǎn)海、拓展灣外海域養(yǎng)殖空間的序幕[1-3]。開展灣外及深遠(yuǎn)海域名優(yōu)水產(chǎn)品養(yǎng)殖，是打破因當(dāng)前淺海養(yǎng)殖仍然只能集中在港灣及近岸海域內(nèi)[4-5]而造成淺海養(yǎng)殖業(yè)“港灣養(yǎng)殖超負(fù)荷、近岸養(yǎng)殖超飽和、灣外離岸養(yǎng)殖開發(fā)嚴(yán)重不足”結(jié)構(gòu)性瓶頸的主要措施，也是調(diào)整海水養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)海水養(yǎng)殖業(yè)供給側(cè)改革、加快海洋生態(tài)文明建設(shè)、提升海水養(yǎng)殖產(chǎn)品食品質(zhì)量等的有效途徑，更是變海域資源優(yōu)勢(shì)為產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)“藍(lán)色糧倉(cāng)”建設(shè)的有力抓手。然而由于國(guó)內(nèi)沿海大陸架坡度較平緩的原因，大部分目標(biāo)養(yǎng)殖海域(水深一般30 m以上)距離陸地較遠(yuǎn)且風(fēng)浪都比較大，并且對(duì)于其沒有建造智能管理平臺(tái)(人員居住平臺(tái))的一般灣外養(yǎng)殖設(shè)施來說，日常的養(yǎng)殖管理(如投餌)需要開船至養(yǎng)殖海域進(jìn)行作業(yè)，一方面能耗比較大，不利于成本的核算，另一方面如遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣無法出海時(shí)，設(shè)施中的養(yǎng)殖對(duì)象將無法正常攝食餌料，也會(huì)給養(yǎng)殖生產(chǎn)造成損失，因此，作為養(yǎng)殖設(shè)施的配套裝備之一，自動(dòng)投餌系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。目前針對(duì)這方面的研究和開發(fā)，國(guó)內(nèi)外已有較多的典型案例和成果[6-9]，但是一般針對(duì)池塘養(yǎng)殖、陸基工廠化養(yǎng)殖或海面大型抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖，其主要目標(biāo)為減少投餌過程中的勞動(dòng)力(搬運(yùn)餌料)和勞動(dòng)強(qiáng)度，無法為位于底層水域的網(wǎng)箱投餌。而筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的自動(dòng)投餌系統(tǒng)主要用于滿足灣外開放性底層水域升降式剛性網(wǎng)箱的自動(dòng)投餌要求，但由于該網(wǎng)箱位于灣外惡劣海況的底層海域，平均深度達(dá)30 m以上，而且不適合高頻率地浮出水面進(jìn)行投餌。目前對(duì)于這類網(wǎng)箱投餌系統(tǒng)的研究較少，如意大利Techno SEA公司[10]研發(fā)出用于當(dāng)升降式網(wǎng)箱或沉式網(wǎng)箱沉降到海面以下時(shí)仍可為網(wǎng)箱自動(dòng)投餌的投餌機(jī)：Subfeeder-20，但是該投餌機(jī)屬于沉式類型，其材質(zhì)為HDPE(高密度聚乙烯)，抗風(fēng)浪性能比較弱，而本研究團(tuán)隊(duì)所研制的投餌機(jī)屬于浮式鋼制結(jié)構(gòu)，因此，開展灣外底層水域網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌技術(shù)與裝備研究，對(duì)拓展灣外養(yǎng)殖空間、推動(dòng)灣外高端養(yǎng)殖裝備、完善灣外養(yǎng)殖技術(shù)、提高飼料利用率、提升養(yǎng)殖效率具有重大意義[11]。本文描述了投餌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和初步試驗(yàn)，旨在為相關(guān)投餌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用和深化研究提供參考。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與分析

1.1 開發(fā)方案

本文所開發(fā)的浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)主要用于灣外底層水域升降式剛性網(wǎng)箱養(yǎng)殖的投餌需求，因此綜合實(shí)際養(yǎng)殖海域的海況、水層以及網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)等因素，制定以下相關(guān)開發(fā)流程，其流程如圖1所示。

1.1.1 魚類饑餓感及飽腹感的行為規(guī)律研究

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料并對(duì)當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)養(yǎng)殖品種(1～2種名優(yōu)養(yǎng)殖魚類，如大黃魚、石斑魚等)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期的觀察記錄研究，掌握1～2種養(yǎng)殖魚類饑餓感及飽腹感所表現(xiàn)出來的行為特點(diǎn)及規(guī)律，確定最適合的人工配合飼料、每日適宜投餌時(shí)間及投餌量。

1.1.2 投餌原理及結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

查閱相關(guān)投餌技術(shù)文件及利用所積累的研究經(jīng)驗(yàn)，提出多種投餌方式及原理，然后通過計(jì)算機(jī)建模及樣機(jī)模型試驗(yàn)，以魚類的生長(zhǎng)指標(biāo)和勞動(dòng)量及其成本為對(duì)照，對(duì)所研制的新型全自動(dòng)投餌系統(tǒng)與傳統(tǒng)的投餌作業(yè)方式進(jìn)行對(duì)比，選出最適合灣外底層水域養(yǎng)殖特點(diǎn)的投餌原理及結(jié)構(gòu)，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工藝流程等技術(shù)。

1.1.3 投餌系統(tǒng)定型及設(shè)計(jì)分析

根據(jù)上述試驗(yàn)研究結(jié)果，設(shè)計(jì)灣外底層水域主導(dǎo)養(yǎng)殖品種自動(dòng)投餌系統(tǒng)功能及主體結(jié)構(gòu)，分析其水動(dòng)力學(xué)性能；設(shè)計(jì)自動(dòng)投餌系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)與執(zhí)行裝備；設(shè)計(jì)自動(dòng)投餌系統(tǒng)動(dòng)(電)力保障系統(tǒng)；設(shè)計(jì)水面浮式投餌系統(tǒng)向水下養(yǎng)殖網(wǎng)箱的定點(diǎn)投餌技術(shù)與裝備。

1.1.4 固泊系統(tǒng)研究

根據(jù)海區(qū)環(huán)境條件及底層水域網(wǎng)箱的性能特點(diǎn)等，設(shè)計(jì)自動(dòng)投餌系統(tǒng)的固泊系統(tǒng)，保證既不影響網(wǎng)箱和投餌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全，又能滿足定點(diǎn)投餌要求。

1.1.5 海上試驗(yàn)優(yōu)化與應(yīng)用

試制樣機(jī)開展海上應(yīng)用研究與優(yōu)化試驗(yàn)，并最終示范生產(chǎn)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1.2.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)可根據(jù)程序設(shè)定(可調(diào))實(shí)現(xiàn)每天定時(shí)(投餌時(shí)間、投餌持續(xù)時(shí)間)、定點(diǎn)、定量向位于底層水域的網(wǎng)箱內(nèi)投放顆粒飼料，滿足養(yǎng)殖魚類生長(zhǎng)需求，改善魚類養(yǎng)殖效果。其每日投餌時(shí)間、投餌量等參數(shù)可根據(jù)魚類生長(zhǎng)階段對(duì)飼料的不同需求及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，考慮到底層網(wǎng)箱養(yǎng)殖生產(chǎn)管理的特殊性和實(shí)際海況的復(fù)雜性，所研發(fā)的浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身提供動(dòng)力、離岸式自動(dòng)控制、且性能穩(wěn)定的技術(shù)目標(biāo)，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該系統(tǒng)的組成和布局進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由控制、供料、輸料、動(dòng)力和固泊等5個(gè)子系統(tǒng)組成，總體構(gòu)成如圖2所示。

該自動(dòng)投餌系統(tǒng)應(yīng)用于灣外底層水域網(wǎng)箱養(yǎng)殖，因其所服務(wù)的養(yǎng)殖設(shè)施及其自身所處的水域環(huán)境特點(diǎn)以及養(yǎng)殖魚類品種所特有的攝食規(guī)律，使得該系統(tǒng)的研制存在以下技術(shù)難點(diǎn)及問題：1)水下定點(diǎn)投餌技術(shù)與裝備，如何保證位于海面上的自動(dòng)投餌裝備能在潮流、波浪等作用下準(zhǔn)確把飼料投放到位于底層水域的網(wǎng)箱內(nèi)；2)如何設(shè)計(jì)在大潮差環(huán)境(當(dāng)?shù)睾Ｓ虺辈? m左右)及網(wǎng)箱升降作業(yè)下，既保證輸料管道安全，又不會(huì)對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)特別是網(wǎng)衣箱體造成損壞的新型飼料輸送通道結(jié)構(gòu)與制造材料；3)自動(dòng)投餌系統(tǒng)的固泊系統(tǒng)，如何保證自動(dòng)投餌系統(tǒng)與位于底層水域網(wǎng)箱在當(dāng)?shù)爻辈畲蟮沫h(huán)境條件下具有正確的位置關(guān)系，既滿足正確投餌要求，又保證不互相影響而發(fā)生破壞；4)養(yǎng)殖對(duì)象對(duì)餌料及供餌要求。下文將圍繞這些瓶頸問題對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1.2.2 投餌機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

離岸型浮式自動(dòng)投餌機(jī)作為灣外深遠(yuǎn)海底層水域網(wǎng)箱養(yǎng)殖的配套裝備，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用鋼結(jié)構(gòu)密封制成，并刷涂防腐蝕及防污損生物附著油漆，主要結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)料倉(cāng)、倉(cāng)門、直流電動(dòng)推桿及設(shè)備倉(cāng)等組成，設(shè)備倉(cāng)用于安裝布置電控箱及蓄電池組等設(shè)備，配合密封橡膠圈和倉(cāng)蓋防止海水滲透進(jìn)去，并根據(jù)整體的重心分布，合理調(diào)整各個(gè)零部件的安裝位置，從而平衡整個(gè)投餌機(jī)。該投餌機(jī)具有4個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)料倉(cāng)，每個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)配置單獨(dú)的倉(cāng)門及控制倉(cāng)門啟閉的直流電動(dòng)推桿，考慮到儲(chǔ)氣罐在海上存在氣體容易泄露及安全隱患等問題，故將倉(cāng)門的動(dòng)作執(zhí)行器由氣缸改為直流電動(dòng)推桿，相應(yīng)倉(cāng)門的啟閉方式由扇形擺動(dòng)改為上下運(yùn)動(dòng)，避免倉(cāng)門被飼料卡住而無法關(guān)閉，進(jìn)一步優(yōu)化了投餌技術(shù)，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿行程實(shí)現(xiàn)倉(cāng)門開啟的大小，從而控制飼料的投放量，而儲(chǔ)料倉(cāng)中的沉性配合飼料在重力的作用下通過出料口經(jīng)由輸料管道輸送至網(wǎng)箱的特定位置供養(yǎng)殖對(duì)象攝食，一般情況一個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)可保證養(yǎng)殖對(duì)象1 d的餌料需求，因此該投餌系統(tǒng)具有儲(chǔ)備4 d的餌料容量，后續(xù)可根據(jù)需求增加儲(chǔ)料倉(cāng)數(shù)量及容量以應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境條件，從而擴(kuò)展應(yīng)用范圍。餌料采用人工配合飼料取代冰鮮小雜魚作為魚類養(yǎng)殖主導(dǎo)飼料，根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象(魚類)行為狀態(tài)及攝食規(guī)律，調(diào)節(jié)儲(chǔ)料倉(cāng)門的開啟行程、開啟時(shí)間、啟閉間隔時(shí)間等參數(shù)，使餌料得到最大的利用，降低餌料的損失率，保證魚類正常攝食。設(shè)備倉(cāng)中的蓄電池組為整個(gè)系統(tǒng)的電力提供保障，優(yōu)化選配能耗較低的零部件，從而降低蓄電池組更換的頻率。通過內(nèi)置可編程控制器(PLC)元器件，根據(jù)特定的養(yǎng)殖對(duì)象及其生長(zhǎng)階段，編輯相關(guān)餌料需求程序，實(shí)現(xiàn)一系列精確的動(dòng)作，從而保證飼料的按需供應(yīng)。結(jié)合儲(chǔ)料倉(cāng)設(shè)定供應(yīng)天數(shù)的計(jì)算，待飼料投盡時(shí)，只需出海一趟灌滿儲(chǔ)料倉(cāng)，即可進(jìn)行下一個(gè)投喂程序的循環(huán)，從而節(jié)省船只來往目標(biāo)養(yǎng)殖海域的次數(shù)，減少勞動(dòng)力及降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及零部件配置分析

此投餌系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，可以按照養(yǎng)殖對(duì)象攝食規(guī)律進(jìn)行事先編程，從而自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的啟閉時(shí)間、間歇時(shí)間等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行定時(shí)、定點(diǎn)、定量投餌，保證投餌行為準(zhǔn)時(shí)且精確，滿足灣外投餌的要求。要實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)并完成上述工作流程，必須使被控各部件協(xié)調(diào)工作，完成一系列的動(dòng)作程序，并明確各動(dòng)作之間的連鎖關(guān)系，保障投餌系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性[11-12]。

控制系統(tǒng)的構(gòu)建包括硬件方面的電氣元件組成和電路的設(shè)計(jì)以及軟件方面控制程序的編寫和調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)的電力由內(nèi)置電壓為24 V、容量為100 A·h的蓄電池組所提供，主要用于PLC、HMI(人機(jī)界面)及直流電動(dòng)推桿，直流電動(dòng)推桿選用PFS-90型，并選用6A的2P斷路器作為系統(tǒng)的總開關(guān)，系統(tǒng)電路為直流電路，如圖4所示，可保證整個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)在海上的安全性。

由于本自動(dòng)投餌裝置動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，所控制的零部件較少，采用PLC控制需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少，因此，PLC控制器選用Haiwell(海為)T48SOR型可滿足上述功能的要求。PLC控制器通過中間繼電接觸器控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)與儲(chǔ)料倉(cāng)倉(cāng)門相連接的電動(dòng)推桿伸縮，即倉(cāng)門的升降，從而達(dá)到自動(dòng)投餌的目的。所設(shè)計(jì)的PLC控制電路原理及輸入輸出端口接線如圖5所示。PLC輸入電源為24 V DC，輸出公共端C0-C4接V-，輸入公共端S/S接V+。輸入點(diǎn)為外部按鈕和選擇開關(guān)輸入到PLC，以控制倉(cāng)門的開關(guān)、手自動(dòng)切換以及啟動(dòng)和停止功能，輸出點(diǎn)即引入中繼的線圈，通過中繼的常開點(diǎn)，來控制倉(cāng)門的開啟和關(guān)閉。

因此，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備控制方案并編寫了相關(guān)控制程序。此外，綜合考慮人機(jī)工程，進(jìn)行了相關(guān)HMI配置及設(shè)計(jì)，首先需要設(shè)置和PLC關(guān)聯(lián)的通訊資料格式，然后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)：每個(gè)倉(cāng)的推桿動(dòng)作手動(dòng)操作、半開(引誘投餌)和全開(正常投餌)模式下的循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間和停止時(shí)間。從而實(shí)現(xiàn)可根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖情況和需要在人機(jī)界面進(jìn)行相關(guān)投餌參數(shù)的設(shè)置，使得該系統(tǒng)更加靈活。

1.2.4 餌料投喂方式設(shè)計(jì)分析

由于灣外底層海域升降式剛性網(wǎng)箱在養(yǎng)殖過程中始終處于近似“坐底”狀態(tài)，且平均深度達(dá)30 m以上，只有在檢查箱體、捕獲養(yǎng)殖對(duì)象等必要情況時(shí)，才需要將其升至海面，因此所需餌料須為人工沉性配合飼料顆粒，并且不適合利用拋灑(噴灑)方式進(jìn)行投喂。在本投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，飼料的輸送和投喂方式不同于以往其他投餌系統(tǒng)的氣力輸送和噴灑方式，而是利用沉性飼料顆粒自身重力的作用向網(wǎng)箱內(nèi)部投放飼料，雖然投喂速度比較慢，但可避免飼料顆粒的機(jī)械損傷和熱損傷，并可通過對(duì)儲(chǔ)料倉(cāng)中進(jìn)料口及倉(cāng)門的橡膠密封處理以減輕飼料受潮程度，從而提高飼料的利用率。如需提高餌料的拋灑面積及投喂速度，可考慮利用水泵產(chǎn)生的高壓水流混合飼料沖入輸料管道，再?gòu)膰娮熘眹姙⒂诰W(wǎng)箱內(nèi)部任意位置水體中，以實(shí)現(xiàn)投喂。

至于配合飼料及每日每次投放量的選擇，應(yīng)根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象攝食規(guī)律(養(yǎng)殖品種、養(yǎng)殖規(guī)模和生長(zhǎng)階段等)和當(dāng)?shù)睾Ｓ颦h(huán)境條件作出合理配置，上述變量的調(diào)節(jié)可通過本投餌系統(tǒng)中的PLC程序來控制開啟倉(cāng)門的大小、開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使可調(diào)節(jié)行程的直流電動(dòng)推桿具有類似計(jì)量投餌量的功能。通過引進(jìn)PLC控制單元，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活度及應(yīng)變適應(yīng)能力。

1.2.5 投餌機(jī)固泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

本浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)由于是作為灣外底層水域升降式剛性網(wǎng)箱的配套裝備，考慮到其使用環(huán)境的惡劣性以及所服務(wù)網(wǎng)箱的特殊性，投餌機(jī)不僅需要固泊于灣外及深遠(yuǎn)海域且適當(dāng)保持在網(wǎng)箱上方的海面上，而且能防御目標(biāo)臺(tái)風(fēng)襲擊破壞(當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度超過預(yù)定目標(biāo)時(shí)，可事先將其拆卸并轉(zhuǎn)移至陸地上，待臺(tái)風(fēng)過后再重新安裝)，從而設(shè)計(jì)出滿足海區(qū)環(huán)境和網(wǎng)箱升降作業(yè)要求的自動(dòng)投餌機(jī)固泊系統(tǒng)。利用剛性網(wǎng)箱牢固的固泊系統(tǒng)，將投餌系統(tǒng)中的投餌機(jī)通過四組鋼絲繩系綁在剛性網(wǎng)箱的主體結(jié)構(gòu)上，起到固泊和增加整個(gè)系統(tǒng)可靠性的作用，但鋼絲繩的長(zhǎng)度需預(yù)留出最大潮差的余量。

1.2.6 輸料管道設(shè)計(jì)分析

該自動(dòng)投餌系統(tǒng)中漂浮在海面的投餌機(jī)與位于底層海域的網(wǎng)箱需設(shè)計(jì)輸料管道，作為沉性配合飼料從投餌機(jī)出料口至網(wǎng)箱內(nèi)部進(jìn)行自然下落運(yùn)動(dòng)的通道，其結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、布置等技術(shù)參數(shù)受海流、波浪、相對(duì)位置等環(huán)境影響。通過研究當(dāng)?shù)卦囼?yàn)海域潮差大(最大超過7 m)、潮流急、網(wǎng)箱所處海域深(30 m以上)以及底層水域網(wǎng)箱需升降作業(yè)等對(duì)餌料輸送通道的影響，設(shè)計(jì)了在大潮差環(huán)境及升降作業(yè)下，既保證輸送通道安全、又不會(huì)對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)特別是網(wǎng)衣箱體造成損壞的新型餌料輸送通道結(jié)構(gòu)與制造材料。輸料管道采用PVC鋼絲(增強(qiáng))管，為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層是PVC軟質(zhì)塑料，中間一層是鋼絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，或者是鋼絲網(wǎng)或者是螺旋鋼絲。PVC鋼絲管由于采用新型的PVC增強(qiáng)型材料并內(nèi)嵌高強(qiáng)度防腐蝕鋼絲骨架，使其在抗壓能力、抗扭曲能力、強(qiáng)度、硬度和質(zhì)量上有了顯著的提高，并具有高彈性、柔韌性好、彎曲性能佳、耐腐蝕、抗疲勞、材料無毒性、使用壽命長(zhǎng)、不斷裂、抗拉性、防水性等多項(xiàng)特點(diǎn)，可抵抗和滿足海流急、潮差大、底層海域水壓強(qiáng)的海況環(huán)境及工作條件，并且作為一種柔性耐壓管件安裝于輸料系統(tǒng)中，可用于補(bǔ)償管道或機(jī)器、設(shè)備連接端的相互位移量以及在網(wǎng)箱浮出水面時(shí)的彎曲量。

考慮到在投喂過程中存在潮差問題，現(xiàn)提供兩種輸料管道在網(wǎng)箱內(nèi)部的布置方式：1)位于網(wǎng)箱內(nèi)部的部分輸料管道采用無固定方式，這種方式需考慮網(wǎng)箱內(nèi)部高度方向的空間超過最大潮差量，以避免輸料管道在最高潮時(shí)脫離網(wǎng)箱和在最低潮時(shí)嚴(yán)重觸底，此外還需在輸料管道末端加設(shè)沉塊，并在網(wǎng)衣箱體與輸料管道接觸處加設(shè)防磨損裝置；2)將輸料管道的末端固定在網(wǎng)箱內(nèi)部，這種方式會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)箱與水面之間的輸料管道彎曲或偏移嚴(yán)重，可將部分PVC鋼絲(增強(qiáng))管替換成HDPE管，從而減輕管道彎曲程度以降低對(duì)飼料下沉速度的影響，并可在輸料管道靠近投餌機(jī)出料口的合適位置設(shè)置快速接口，當(dāng)網(wǎng)箱上升或下降時(shí)實(shí)現(xiàn)快速斷開或接通。

2 初步試驗(yàn)

項(xiàng)目組在石獅市漁業(yè)機(jī)械加工廠對(duì)該系統(tǒng)的投餌機(jī)進(jìn)行初步試驗(yàn)，下文將對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行說明。

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

1)投餌機(jī)PLC程序及性能檢測(cè)。

2)儲(chǔ)料倉(cāng)不同開口形狀的落料試驗(yàn)。

3)不同牌號(hào)顆粒飼料的陸地投餌適應(yīng)性試驗(yàn)。

4)實(shí)況投餌程序初步試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.2.1 投餌機(jī)PLC程序及性能檢測(cè)

該投餌機(jī)的PLC程序按照4個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)每個(gè)倉(cāng)負(fù)責(zé)1 d投喂量的方式進(jìn)行編輯，即1 d 1個(gè)倉(cāng)進(jìn)行自動(dòng)投料，每倉(cāng)開始投料的間隔時(shí)間為1 d加上潮差，即約24小時(shí)45分，比如，第1天第1倉(cāng)開始投料的時(shí)間是上午7點(diǎn)，第2天第2倉(cāng)開始投料的時(shí)間是上午7點(diǎn)45分，第3天第3倉(cāng)開始投料的時(shí)間是上午8點(diǎn)30分，第4天第4倉(cāng)開始投料的時(shí)間是上午9點(diǎn)15分，第5天是1個(gè)循環(huán)結(jié)束，待加滿飼料，重新開始循環(huán)重復(fù)上述過程。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，電動(dòng)推桿及倉(cāng)門等一系列動(dòng)作精準(zhǔn)到位、性能達(dá)到所設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 儲(chǔ)料倉(cāng)不同開口形狀的落料試驗(yàn)

試驗(yàn)用飼料采用廈門嘉康飼料有限公司生產(chǎn)的石斑魚沉性人工配合飼料，經(jīng)檢測(cè)，部分牌號(hào)飼料的參數(shù)見表1。

表1 石斑魚沉性配合飼料參數(shù)表

表1中，真密度是指飼料的實(shí)際密度。堆積密度為疏充填堆積密度，是指把散粒材料或粉狀材料自由填充于某一容器中，在剛填充完成后所測(cè)得的單位體積質(zhì)量。

儲(chǔ)料倉(cāng)不同開口形狀的落料試驗(yàn)用飼料為11#石斑魚沉性配合飼料，試驗(yàn)用的儲(chǔ)料倉(cāng)尺寸：600 mm×600 mm×600 mm，底面傾斜度約50°，容量為39.12 kg，如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 儲(chǔ)料倉(cāng)不同開口形狀的試驗(yàn)結(jié)果

表2中數(shù)值取平均值，由于現(xiàn)場(chǎng)無法對(duì)飼料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)松散充填，故儲(chǔ)料倉(cāng)容量與計(jì)算得出的數(shù)值有偏差。從儲(chǔ)料倉(cāng)不同開口形狀的落料試驗(yàn)可見：梯形倉(cāng)門的投餌能力變化不大；矩形倉(cāng)門開口高度為140 mm的投餌能力是開口高度為70 mm的2倍左右，開口高度的變化對(duì)投餌能力效果明顯；三角形和倒三角形倉(cāng)門無法落料，因此矩形更適合作為儲(chǔ)料倉(cāng)門的開口形狀。

2.2.3 不同牌號(hào)顆粒飼料的陸地投餌適應(yīng)性試驗(yàn)

試驗(yàn)用儲(chǔ)料倉(cāng)為浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)的投餌機(jī)儲(chǔ)料倉(cāng)，試驗(yàn)初期，儲(chǔ)料倉(cāng)底面的傾斜度：29°，整體儲(chǔ)料倉(cāng)容積：0.42 m3，整體儲(chǔ)料倉(cāng)容量：268 kg(6#飼料)。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，存在由于底面傾斜度不夠及門側(cè)邊的死角導(dǎo)致飼料無法落料完全的現(xiàn)象，如圖7所示。

針對(duì)該問題，項(xiàng)目組優(yōu)化儲(chǔ)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算和前期試驗(yàn)，將儲(chǔ)料倉(cāng)底面傾斜度提高至約50°較為適宜，倉(cāng)門口仍為矩形：高90 mm×寬100 mm，此時(shí)整體容積：0.23 m3，整體容量：

164 kg(6#飼料)，雖然容積容量有所減少，但可使飼料落料完全，如圖8所示，后續(xù)可根據(jù)要求通過加高加寬儲(chǔ)料倉(cāng)等措施調(diào)整容積。

此外由于投餌機(jī)底部出料口的截面積比倉(cāng)門口的小，對(duì)飼料的落料速度產(chǎn)生影響，故加大出料口的截面積。

對(duì)優(yōu)化后的投餌機(jī)開展不同牌號(hào)飼料的陸地投餌適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 陸地投餌適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

表3中數(shù)值取平均值，由于現(xiàn)場(chǎng)無法對(duì)飼料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)松散充填，故每倉(cāng)容量與計(jì)算得出的數(shù)值有偏差。引誘投餌能力是指投餌前期短暫、高頻率、小口徑地開啟倉(cāng)門，用于吸引養(yǎng)殖對(duì)象過來攝食的單位時(shí)間飼料投放量，此時(shí)倉(cāng)門開口尺寸：60 mm×100 mm。正常投餌能力是指養(yǎng)殖對(duì)象正常攝食狀態(tài)下的單位時(shí)間飼料投放量，此時(shí)倉(cāng)門開口尺寸：90 mm×100 mm。

2.2.4 實(shí)況投餌程序初步試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，將整個(gè)投餌階段分為前期引誘投喂階段及后期正常投喂階段較為合理，以此編程并開展4個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)4 d的全自動(dòng)程序模擬實(shí)況投餌試驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及測(cè)量，投餌機(jī)能按照設(shè)定的程序準(zhǔn)確完成。至于實(shí)況海上投餌的開始時(shí)間、投餌時(shí)間、間隔時(shí)間等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖對(duì)象品種、數(shù)量、規(guī)格等情況現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)在惡劣的天氣和海況條件下的自動(dòng)投餌，是一種全天候的自動(dòng)投餌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于將各種類型和各種大小的飼料顆粒投喂給不同品種的養(yǎng)殖對(duì)象(魚類)。

3 討論

本文所開發(fā)的新型浮式自動(dòng)投餌系統(tǒng)，滿足灣外及深遠(yuǎn)海域名優(yōu)魚類養(yǎng)殖存活及生長(zhǎng)要求，解決灣外及深遠(yuǎn)海域因海況惡劣、路程遙遠(yuǎn)導(dǎo)致無法保障餌料安全和及時(shí)供應(yīng)及往返路程耗時(shí)長(zhǎng)、燃油費(fèi)用高等制約瓶頸，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率、顯著降低養(yǎng)殖生產(chǎn)過程管理費(fèi)用，提高灣外及深遠(yuǎn)海域名優(yōu)魚類養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)灣外及深遠(yuǎn)海域名優(yōu)魚類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3.1 優(yōu)點(diǎn)

1)由于該自動(dòng)投餌機(jī)利用其自身的浮力，使其始終漂浮于海上，且無需與陸地進(jìn)行電纜或管道連接，具有遠(yuǎn)離陸地的離岸式功能；其自身采用鋼質(zhì)材料全封閉結(jié)構(gòu)，具有抵抗灣外海水及鹽霧腐蝕、強(qiáng)烈臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)浪流等惡劣海況的性能；投餌機(jī)所需動(dòng)力來源于其內(nèi)置蓄電池組，投餌過程及非投餌時(shí)期能耗較低，如后期增加小型風(fēng)能、太陽能或波浪能等能量收集裝置，可使其運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，避免更換蓄電池的麻煩；該投餌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精密零件較少且不影響其精確的投餌性能，海上故障率低，避免受海上不確定因素的干擾和破壞。

2)作為養(yǎng)殖配套設(shè)施之一，投餌裝備應(yīng)跟隨網(wǎng)箱養(yǎng)殖等養(yǎng)殖設(shè)施的發(fā)展而不斷發(fā)展，即需與養(yǎng)殖網(wǎng)箱的模式相匹配，才能具體解決實(shí)際投餌需求，而本自動(dòng)投餌系統(tǒng)雖適用于灣外底層水域網(wǎng)箱的投餌機(jī)制，但是通過簡(jiǎn)單的改造可將該系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，根據(jù)用戶的實(shí)際需要對(duì)投餌系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展、修改和強(qiáng)化，同樣也適用于離岸較遠(yuǎn)的大型深水網(wǎng)箱等養(yǎng)殖設(shè)施的投餌需求，擴(kuò)大了其適用范圍，并且隨著開放性海域養(yǎng)殖設(shè)施數(shù)量的增加，養(yǎng)殖設(shè)施大型化、智能化、離岸深遠(yuǎn)化的趨勢(shì)，可發(fā)展為以海上平臺(tái)為基礎(chǔ)由計(jì)算機(jī)控制的智能投餌系統(tǒng)，該系統(tǒng)完全可以為遠(yuǎn)離陸地的多個(gè)養(yǎng)殖設(shè)施同時(shí)進(jìn)行無人智能化投餌，進(jìn)一步拓展養(yǎng)殖空間和領(lǐng)域。

3)該自動(dòng)投餌系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)養(yǎng)殖海域的環(huán)境條件及養(yǎng)殖對(duì)象的生理狀態(tài)，通過PLC以及HMI，及時(shí)調(diào)整飼料的投放量、投放時(shí)間及投放頻率等參數(shù)，減輕了灣外養(yǎng)殖勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了飼料的利用率，降低了養(yǎng)殖成本，使灣外養(yǎng)殖效益最大化和整套養(yǎng)殖系統(tǒng)效率的最優(yōu)化，提高了養(yǎng)殖產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 有待改進(jìn)之處

文中自動(dòng)投餌系統(tǒng)尚處于開發(fā)階段，屬于小型化的樣機(jī)雛形，儲(chǔ)料量較小，若要在該底層海域大型剛性網(wǎng)箱上使用，必須加大該投餌機(jī)的儲(chǔ)料量，或者將多套投餌機(jī)組合成系統(tǒng)，而且所開展的投餌試驗(yàn)也只是初步小規(guī)模，還需進(jìn)行水池及海上投餌試驗(yàn)，增加和擴(kuò)大試驗(yàn)次數(shù)和范圍，為后續(xù)繼續(xù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此距離實(shí)際投入生產(chǎn)應(yīng)用還有許多問題需要深入研究解決，例如針對(duì)養(yǎng)殖設(shè)施的不同模式及養(yǎng)殖對(duì)象的不同種類、不同生長(zhǎng)階段、不同數(shù)量等級(jí)等，其所需的飼料類型、大小、品質(zhì)特性也隨之變化，從而導(dǎo)致飼料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、輸送、投放等方式也隨之改變，與其配套的投餌系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、控制程序、實(shí)現(xiàn)方式等也需要進(jìn)行修改和驗(yàn)證；隨著不同投喂水域深度及養(yǎng)殖環(huán)境的變化，輸料管道、固泊設(shè)施等硬件配置也將隨之變化，二者之間的影響關(guān)系有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究等等。

此外，由于養(yǎng)殖對(duì)象對(duì)餌料的需求規(guī)律、生長(zhǎng)速度及其餌料轉(zhuǎn)化率都隨著現(xiàn)場(chǎng)水域環(huán)境和氣象條件(包括水溫、水質(zhì)、鹽度、溶解氧濃度、流速、氣溫、光照強(qiáng)度和白晝的長(zhǎng)度等)的改變而改變，而且也與飼料的品質(zhì)和養(yǎng)殖對(duì)象的生理因素(如年齡、成熟度、性別、激素水平以及內(nèi)源性的生長(zhǎng)規(guī)律等)等密切相關(guān)[12-17]，而本文所開發(fā)的自動(dòng)投餌系統(tǒng)未對(duì)目標(biāo)海域環(huán)境因子及網(wǎng)箱中養(yǎng)殖對(duì)象進(jìn)行時(shí)時(shí)詳細(xì)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，且需在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參數(shù)，因而其還只是屬于傳統(tǒng)的自動(dòng)化投餌系統(tǒng)。因此，下一步的工作重點(diǎn)將增加遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，以及圍繞上述數(shù)據(jù)的收集、反饋和處理，結(jié)合本自動(dòng)投餌系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成優(yōu)化，并配套中央學(xué)習(xí)處理系統(tǒng)，使該自動(dòng)投餌系統(tǒng)更具智能化、智慧化，進(jìn)一步升級(jí)為投餌綜合管理系統(tǒng)，可根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反饋到控制系統(tǒng)，通過“學(xué)習(xí)”能力自動(dòng)調(diào)整投餌程序，以滿足飼料需求的任何變化，也可供養(yǎng)殖管理人員參考決策和遠(yuǎn)程遙控，減少管理人員的勞動(dòng)力。