池塘養(yǎng)殖全自動(dòng)精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐 榮，沈 逸，許 鵬，楊家朋，劉亞兵，劉興國※

（1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2. 光明漁業(yè)有限公司，鹽城 224153；3. 中山市誠一漁業(yè)設(shè)備科技有限公司，中山 528441）

0 引言

中國是世界第一大水產(chǎn)養(yǎng)殖國，是世界上唯一養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家[1]。池塘養(yǎng)殖是國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要生產(chǎn)方式之一[2-3]。根據(jù)漁業(yè)部門統(tǒng)計(jì)，2019年中國池塘養(yǎng)殖面積超過300萬hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量超過2 480萬t[4]。飼料是水產(chǎn)養(yǎng)殖主要的投入品, 大部分的魚、蝦養(yǎng)殖都使用配合飼料。與養(yǎng)殖規(guī)模相對應(yīng)，中國也是世界上最大的水產(chǎn)飼料生產(chǎn)國，2019年全國水產(chǎn)飼料總產(chǎn)量達(dá)2 202.9萬t[5]。飼料占用了大量的種植資源和海洋蛋白資源，也是池塘養(yǎng)殖中最大的成本要素。集約化養(yǎng)殖中飼料成本一般占養(yǎng)殖總成本的50%～80%[6]。養(yǎng)殖管理的重要內(nèi)容之一是合理的投飼管控，從而減少飼料浪費(fèi)，降低殘餌導(dǎo)致水質(zhì)惡化的可能[7-9]。同時(shí)，投飼作業(yè)也是池塘養(yǎng)殖中勞動(dòng)量最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。在農(nóng)業(yè)人口不斷減少、老齡化日趨嚴(yán)重的情況下，養(yǎng)殖勞動(dòng)力短缺問題逐漸顯現(xiàn)[10]。近年來“無人漁場”概念逐漸受到重視。無人漁場是指在沒有任何人進(jìn)入漁場的情況下，由設(shè)施、裝備、機(jī)械、機(jī)器人完成從巡檢、增氧、投餌、日常管理直至收獲的作業(yè)模式[11]。傳統(tǒng)養(yǎng)殖投飼雖然通過小型投飼機(jī)實(shí)現(xiàn)了飼料的機(jī)械化投撒，但飼料的裝卸和料倉加料幾乎完全依賴人工搬運(yùn)，包括從運(yùn)輸車到飼料倉庫和從倉庫到投飼機(jī)料倉的2次搬運(yùn)。按照單位產(chǎn)量15 000 kg/hm2、日投飼率2%計(jì)算，1人管理10 hm2池塘，在養(yǎng)殖高峰期每天需要搬運(yùn)3 000 kg飼料，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，養(yǎng)殖用工成本不斷升高。另一方面，目前常見的小型機(jī)械式投飼機(jī)由于缺少稱量功能，無法測量每次投飼作業(yè)所投放的飼料數(shù)量。管理者只能根據(jù)投飼時(shí)間來粗略估算投飼量[12]。投飼速度因飼料規(guī)格和密度不同而變化，導(dǎo)致投飼量難以準(zhǔn)確估算，管理者無法精確統(tǒng)計(jì)每個(gè)池塘每天的實(shí)際投飼量。同時(shí)，由于傳統(tǒng)投飼機(jī)自動(dòng)化程度低、設(shè)備單機(jī)運(yùn)行，每次投飼作業(yè)時(shí)只能依次巡塘，人工現(xiàn)場操作投飼機(jī)。規(guī)模化養(yǎng)殖場面臨著大量設(shè)備無法同步控制和集中管理的難題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，市場上出現(xiàn)了基于云平臺和手機(jī)的管控系統(tǒng)，但由于投飼機(jī)本身功能非常有限，這類系統(tǒng)一般只能簡單地控制電源通斷來實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)遠(yuǎn)程啟?？刂?，難以實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化控制。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、投飼量、料倉剩余飼料量等生產(chǎn)信息無法實(shí)時(shí)獲取，只能依靠人工巡檢上報(bào)，難以保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，導(dǎo)致生產(chǎn)管理粗放，管理者難以準(zhǔn)確掌握每個(gè)池塘的投飼作業(yè)情況，容易出現(xiàn)料倉缺料導(dǎo)致投喂不足或者設(shè)備不及時(shí)停機(jī)導(dǎo)致過量投喂等問題。國內(nèi)外一些學(xué)者針對池塘養(yǎng)殖投飼開展了稱量、精準(zhǔn)控制等方面的研究工作[13-15]，但多數(shù)停留在技術(shù)研究階段，很少形成成套設(shè)備和系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用。基于此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整的自動(dòng)投飼系統(tǒng)，包括全程機(jī)械化作業(yè)的全自動(dòng)投飼機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)及信息化管理系統(tǒng)，并在某大型養(yǎng)殖企業(yè)的規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖基地投入生產(chǎn)應(yīng)用，驗(yàn)證規(guī)?；B(yǎng)殖條件下全程機(jī)械化投飼作業(yè)和集約化精準(zhǔn)管控的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案

1.1.1 現(xiàn)場條件

本文設(shè)計(jì)的投飼系統(tǒng)基于江蘇某大型養(yǎng)殖基地，總面積800 hm2，水面面積548.3 hm2，分為5個(gè)區(qū)，共90個(gè)池塘。每2個(gè)池塘間的塘埂上建有配電柜、視頻監(jiān)控設(shè)備和光纖網(wǎng)絡(luò)。公司機(jī)房部署有養(yǎng)殖生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)?；貎?nèi)主干道為6.5 m寬的瀝青路面，次干道為5 m寬的水泥路面，輔助道路為5 m寬的砂石路面，滿足大型散裝車通行需要。池塘全部完成標(biāo)準(zhǔn)化改造，單塘面積5.3～6.8 hm2，寬度為109 m，長度為485～626 m。池塘四周護(hù)坡，進(jìn)排水系統(tǒng)分離，道路、供電等基礎(chǔ)設(shè)施完善。目前養(yǎng)殖生產(chǎn)還是傳統(tǒng)的管理模式，需要大量勞動(dòng)力投入，尤其在投飼方面仍然依靠人工作業(yè)、手動(dòng)操作的方式，需要采用自動(dòng)化投飼設(shè)備和技術(shù)來改變生產(chǎn)方式。

1.1.2 系統(tǒng)功能需求

1）全程機(jī)械化作業(yè)：為了解決養(yǎng)殖投飼勞動(dòng)力短缺問題，需要實(shí)現(xiàn)投飼全程機(jī)械化作業(yè)，飼料出廠、運(yùn)輸、裝料、投喂等環(huán)節(jié)全部使用機(jī)械設(shè)備取代人工作業(yè)。

2）精準(zhǔn)稱量：為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投飼，必須精確測量每次作業(yè)的投飼量，因此系統(tǒng)需要具備稱量功能，能夠準(zhǔn)確測量每次投放的飼料質(zhì)量和剩余飼料質(zhì)量，稱量相對誤差不超過0.5%。

3）自動(dòng)化控制：為了避免頻繁到池塘現(xiàn)場操作投飼機(jī)而增加工作量，需要實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行控制，能夠根據(jù)設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)控制投飼機(jī)定時(shí)啟動(dòng)，投飼過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測飼料投放量并在達(dá)到預(yù)定投飼量后自動(dòng)停機(jī)，從而精確控制每次實(shí)際投放的飼料量。在不修改作業(yè)參數(shù)的情況下能夠每天按照預(yù)定的時(shí)間、頻次和投飼量自動(dòng)運(yùn)行，全程不需要人工操作。

4）數(shù)字化集成管理：在精準(zhǔn)稱量和自動(dòng)化控制基礎(chǔ)上，系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)獲取投飼機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、已投喂飼料量、剩余飼料量等信息，全部通過軟件進(jìn)行集中管理和分析，為合理安排養(yǎng)殖生產(chǎn)計(jì)劃提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控和全場投飼作業(yè)集約化管理。

1.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求和規(guī)模化養(yǎng)殖場生產(chǎn)管理特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)采用“現(xiàn)場設(shè)備——本地控制——遠(yuǎn)程管理”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。現(xiàn)場設(shè)備是指在池塘邊執(zhí)行自動(dòng)投飼作業(yè)的裝置，主要包括投飼機(jī)和控制柜。每臺投飼機(jī)配套1個(gè)自動(dòng)控制柜，通過控制柜內(nèi)的控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂料、拋料等工作，操作方式簡單、方便，并可以設(shè)置投飼量、投飼時(shí)間等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)，控制器通過有線/無線通信方式與養(yǎng)殖場本地控制中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互傳輸，通過控制中心計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行投飼參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖場全部池塘投飼機(jī)的集中監(jiān)控?？刂浦行耐ㄟ^網(wǎng)絡(luò)接入管理平臺，該管理平臺可以部署在公有云或企業(yè)機(jī)房的服務(wù)器上。平臺通過信息化管理軟件系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、采集投飼數(shù)據(jù)、管理投飼作業(yè)，實(shí)現(xiàn)所有養(yǎng)殖場統(tǒng)一管理。用戶通過計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)等終端接入管理平臺，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

1.2 投飼機(jī)

1.2.1 大容量料倉

傳統(tǒng)投飼方式采用小型投飼機(jī)和袋裝飼料，受料倉容量和現(xiàn)場條件限制，需要人工搬運(yùn)、加裝飼料，無法做到完全機(jī)械化作業(yè)[16]。因此，實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化投飼作業(yè)的關(guān)鍵在于使用散裝飼料代替袋裝飼料。本文設(shè)計(jì)了具備大容量料倉的投飼機(jī)。由于散裝飼料車不能隨時(shí)送料，因此投飼機(jī)料倉需要較大的容量。根據(jù)養(yǎng)殖生產(chǎn)需要，投飼機(jī)裝滿飼料后最少須滿足1個(gè)池塘2 d的飼料量，料倉容積計(jì)算公式為

式中Vs為料倉容積，m3；t為池塘存魚密度，kg/hm2；s為池塘面積，hm2；k為投飼率，%；ρ為飼料堆積密度，kg/m3。根據(jù)示范基地養(yǎng)殖模式，投飼高峰期存魚密度取t=22 500 kg/hm2；池塘面積為5.3～6.8 hm2，取最大值s=6.8 hm2；投飼率取k=2%；該養(yǎng)殖場主要使用沉性顆粒飼料，其堆積密度一般為600～700 kg/m3，取中間值ρ=650 kg/m3，代入式（1）可得Vs=9.4 m3，考慮余量，料倉容積定為10 m3。倉體由3根立柱支撐，如圖2所示。料倉頂部設(shè)有加料口，用于對接散裝車的送料機(jī)構(gòu)。加料口設(shè)有防雨蓋以避免雨水進(jìn)入料倉。料分采用玻璃鋼材料制作，為了減低玻璃鋼模具尺寸、加工難度，倉體設(shè)計(jì)為2個(gè)沿垂直剖面對稱的半倉結(jié)構(gòu)體拼接而成。料倉上部為錐體，中部為圓柱體，下部為倒錐體，高度3.9 m，包含出料斗在內(nèi)總高度5.3 m，最大直徑2.2 m。為了避免飼料在內(nèi)壁結(jié)拱堆積，料倉下部倒錐體采用大傾角結(jié)構(gòu)，倉壁與垂線的夾角為21°，如圖3所示。

1.2.2 下料裝置

投飼機(jī)作業(yè)時(shí)，飼料首先通過料倉底部的下料裝置進(jìn)入輸料管。常用的下料裝置主要分為螺旋式卸料器和星形式卸料器，后者的密封性和精度更好，因此本文選擇星形卸料器。投飼機(jī)的最大投飼速度取決于卸料器的最大卸料速度，其計(jì)算公式為[17]

式中G為最大卸料速度，kg/h；v1為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)容積，L/r；ω為卸料器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；μ為轉(zhuǎn)子的容積效率，%；ε為修正系數(shù)。

卸料器入口尺寸需要與料倉底部出口一致，直徑為100 mm，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)容積v1=2 L/r，容積效率取μ=80%，修正系數(shù)值ε=0.8。對于面積為6.7 hm2的池塘，養(yǎng)殖場投飼管理要求最大投飼速度達(dá)到800 kg/h，因此要求卸料器的最大卸料速度G=800 kg/h，代入式（2）可得卸料器最大轉(zhuǎn)速為16 r/min。為了避免卸料器長時(shí)間在最大負(fù)荷條件下運(yùn)行，轉(zhuǎn)速增加50%余量，即為ω=24 r/min。

1.2.3 輸送裝置

投飼機(jī)常用的投料方式主要分為離心拋灑和氣力輸送[18]。采用散裝飼料的投飼機(jī)需要專業(yè)的散裝車配送飼料，因而必須安裝在通行條件良好的大路邊，一般距離池塘投飼區(qū)較遠(yuǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了基于正壓風(fēng)送的遠(yuǎn)距離輸送投料機(jī)構(gòu)。氣力輸送是目前國內(nèi)外大型投飼系統(tǒng)普遍采用的一種輸送方式，飼料進(jìn)入輸料管后借助風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送[19]。輸送裝置使用羅茨風(fēng)機(jī)，所需風(fēng)量計(jì)算公式為[20]

式中Q0為輸送系統(tǒng)的計(jì)算風(fēng)量，m3/h；G為最大投飼速度，也即卸料器的最大卸料速度，800 kg/h；m為料氣比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值5；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，取1.2 kg/m3[21]。將上述參數(shù)值代入式（3）得到Q0=133.33 m3/h。為了應(yīng)對現(xiàn)場特殊情況以及管道接頭漏氣，風(fēng)量計(jì)算需要保留較大的余量系數(shù)，本文取1.5，因此所需風(fēng)量最小值為200 m3/h。

1.3 控制系統(tǒng)

1.3.1 精準(zhǔn)投飼控制方法

現(xiàn)有的精準(zhǔn)投飼設(shè)備一般計(jì)量飼料體積，再根據(jù)飼料堆積密度計(jì)算飼料質(zhì)量。但養(yǎng)殖過程中會使用不同種類及規(guī)格的飼料，而不同成分、不同粒徑規(guī)格的飼料堆積密度也會不同[22-25]。

為了精準(zhǔn)控制投飼量，本文設(shè)計(jì)的投飼系統(tǒng)采用稱量方式實(shí)時(shí)測量投飼機(jī)料倉內(nèi)的飼料質(zhì)量。3個(gè)稱重傳感器分別安裝在3根料倉支撐柱的底部。卸料器出口和輸料管之間是柔性連接，因此傳感器上承受的質(zhì)量包括支撐柱、料倉、卸料器等機(jī)械結(jié)構(gòu)和料倉內(nèi)的飼料，計(jì)算公式為

式中Q為傳感器測量的總質(zhì)量，kg；Q1為機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，kg；Q2為料倉內(nèi)飼料質(zhì)量，kg。傳感器測量的總質(zhì)量Q減去機(jī)械結(jié)構(gòu)的固定質(zhì)量Q1即可得到料倉內(nèi)的飼料質(zhì)量Q2。

為了確定稱重傳感器的量程，需要計(jì)算最大飼料質(zhì)量，計(jì)算公式為

式中vmax為飼料體積最大值，m3。飼料體積最大值即為料倉容積，即vmax=Vs= 10 m3。將vmax=10 m3和ρ=650 kg/m3代入式（5）得到最大飼料質(zhì)量為Q2max=6 500 kg。根據(jù)設(shè)備選型和試制結(jié)果，機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Q1=980 kg。將Q1和Q2max代入式（4）得到傳感器最大承受質(zhì)量為7 480 kg，考慮安全余量，最大稱量范圍確定為9 000 kg，每個(gè)傳感器的稱量范圍為3 000 kg。

1.3.2 控制電路

投飼機(jī)通過現(xiàn)場控制柜內(nèi)的電路進(jìn)行控制操作。本文設(shè)計(jì)的投飼機(jī)結(jié)構(gòu)簡潔，執(zhí)行部件只限于卸料器、風(fēng)機(jī)和拋料器，自動(dòng)投飼作業(yè)時(shí)只需要控制三者的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)采集稱重傳感器的測量結(jié)果來監(jiān)測飼料量變化?？刂齐娐钒刂破?、通信模塊、觸控屏、變頻器及接觸器等電氣元件，如圖4所示。控制器是控制電路的核心。由于卸料器、風(fēng)機(jī)和拋料器的啟停運(yùn)轉(zhuǎn)存在先后邏輯，本文采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），適合多設(shè)備聯(lián)動(dòng)的邏輯控制，功能強(qiáng)大、可靠性高[26-30]。通信模塊、觸控屏和變頻器通過RS485總線與PLC連接，遵循Modbus通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)。稱重傳感器信號通過配套的變送模塊接入PLC。觸控屏自帶圖形化監(jiān)控軟件，用于在現(xiàn)場設(shè)置PLC運(yùn)行參數(shù)。PLC通過通信模塊與控制中心上位機(jī)通信，可以接收來自上位機(jī)軟件的參數(shù)設(shè)置和控制操作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投飼管控。不同面積和養(yǎng)殖密度條件下魚群進(jìn)食速度差別較大，因此要求投飼速度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。PLC通過變頻器調(diào)節(jié)卸料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速以控制飼料下落速度，從而改變投飼速度。通過接觸器控制風(fēng)機(jī)電機(jī)和拋料器電機(jī)的啟停以控制飼料輸送和拋灑。PLC根據(jù)預(yù)先編制的程序和運(yùn)行參數(shù)來控制執(zhí)行部件運(yùn)行。

1.3.3 PLC控制邏輯

PLC上電啟動(dòng)后默認(rèn)進(jìn)入投飼模式，程序從寄存器加載預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，包括投飼啟動(dòng)時(shí)間、投飼量、投飼速度，然后連續(xù)采集稱重傳感器輸出信號以監(jiān)測剩余飼料量。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定的投飼時(shí)間或接收到投飼命令后啟動(dòng)投飼。啟動(dòng)投飼的步驟如下：首先開啟風(fēng)機(jī)和拋料器，利用氣流排出輸料管內(nèi)可能存在的積水或雜物，10 s后再開啟卸料器開始投放飼料。當(dāng)監(jiān)測到剩余飼料量減少至初始飼料量和設(shè)定投飼量之差時(shí)停止投飼。停止投飼的步驟如下：首先關(guān)閉卸料器停止投放飼料，風(fēng)機(jī)和拋料器繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 s后再關(guān)閉，避免飼料積存在輸料管內(nèi)。由于每天可能有多次投飼任務(wù)，因此當(dāng)次投飼任務(wù)完成后，程序判斷是否已完成設(shè)定的投飼任務(wù)次數(shù)。如果已完成則結(jié)束當(dāng)天投飼作業(yè)，否則等待執(zhí)行下一次投飼任務(wù)。PLC投飼程序流程如圖5所示。

料倉加料時(shí)，在觸控屏界面上點(diǎn)擊“開始加料”按鈕，PLC進(jìn)入加料模式，將當(dāng)前剩余飼料量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。散裝車輸料機(jī)構(gòu)從料倉頂部加入飼料，完成后點(diǎn)擊觸控屏“結(jié)束加料”按鈕，PLC再次將當(dāng)前剩余飼料量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)軟件根據(jù)前后兩條數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)本次加料量。

1.3.4 本地控制中心

本地控制中心一般設(shè)在養(yǎng)殖場管理值班房，用于集中控制投飼機(jī)運(yùn)行，包括網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、無線通信模塊、工控機(jī)、監(jiān)控軟件、顯示器及不間斷電源（Uninterrupted Power Supply, UPS）等輔助設(shè)備，如圖6所示。管理人員在控制中心即可管控全場投飼作業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)集約化管理，避免到每個(gè)池塘現(xiàn)場去操作設(shè)備，從而減少工作量，提高管理效率?？刂浦行牡暮诵脑谟诒O(jiān)控軟件，借助通信網(wǎng)絡(luò)與全場所有投飼機(jī)控制柜的PLC通信，實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)集中控制、投飼參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、投飼作業(yè)數(shù)據(jù)采集等功能，為養(yǎng)殖場管理者提供集成化投飼管控工具，主要功能包括：

1）集中控制：通過軟件設(shè)備控制界面操控所有投飼機(jī)的啟停，集中管控全場投飼作業(yè)；

2）參數(shù)設(shè)置：通過軟件設(shè)置界面對PLC運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括每天投飼次數(shù)、每次投飼的開始時(shí)間、投飼速度和投飼量。可以單獨(dú)對每臺投飼機(jī)進(jìn)行設(shè)置或批量設(shè)置多臺投飼機(jī)參數(shù)。

3）狀態(tài)監(jiān)測：通過讀取PLC相應(yīng)寄存器監(jiān)測卸料器、風(fēng)機(jī)和拋料器的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警。

4）數(shù)據(jù)記錄：通過讀取PLC相應(yīng)寄存器采集料倉剩余飼料質(zhì)量、投飼開始時(shí)間、投飼結(jié)束時(shí)間、每次投飼量、加料量等投飼作業(yè)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)累計(jì)投飼量。

5）數(shù)據(jù)交互：對管理平臺開放數(shù)據(jù)接口，提供全部設(shè)置參數(shù)和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)。

1.4 養(yǎng)殖信息管理平臺

養(yǎng)殖信息管理平臺是以數(shù)據(jù)庫為后臺，基于企業(yè)生產(chǎn)管理流程開發(fā)的信息管理軟件系統(tǒng)，用于企業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)全過程管理，涵蓋苗種投放、飼料投喂、水質(zhì)調(diào)控、病害防治、物資采購、成品銷售等環(huán)節(jié)[31]。系統(tǒng)部署在企業(yè)機(jī)房服務(wù)器上，支持計(jì)算機(jī)瀏覽器、智能手機(jī)等終端接入方式，用于單個(gè)養(yǎng)殖場及公司層面管理多個(gè)養(yǎng)殖場的生產(chǎn)過程信息管理。在本文設(shè)計(jì)的投飼系統(tǒng)中，本地控制中心的監(jiān)控軟件上傳投飼機(jī)設(shè)備信息和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)至管理平臺，將投飼管理融入企業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理體系。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)布局

由于養(yǎng)殖基地5個(gè)區(qū)的平均規(guī)模達(dá)到160 hm2，且日常養(yǎng)殖生產(chǎn)管理分別由不同的管理員負(fù)責(zé)，因此可以將每個(gè)區(qū)視為獨(dú)立的養(yǎng)殖場，分別設(shè)置本地控制中心。由于單個(gè)池塘面積和投飼需求量大，每個(gè)池塘需要1臺投飼機(jī)及配套的控制柜。整個(gè)投飼系統(tǒng)包含90臺投飼機(jī)、90個(gè)控制柜、5個(gè)分區(qū)控制中心。所有設(shè)備信息和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)接入企業(yè)信息化管理平臺。為了最大限度利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施并便于日常管理，在相鄰2個(gè)池塘間的塘埂上安裝2組投飼機(jī)及控制柜，分別對應(yīng)塘埂兩側(cè)的池塘，設(shè)備布局如圖7所示。為了便于設(shè)備維護(hù)并有效利用池塘現(xiàn)場的光纖線路和視頻監(jiān)控設(shè)備，投飼機(jī)及控制柜統(tǒng)一安裝在塘埂中間的監(jiān)控立桿附近。控制柜通過光纖網(wǎng)絡(luò)與本地控制中心通信。

2.2 投飼機(jī)

投飼機(jī)料倉的2個(gè)半倉玻璃鋼結(jié)構(gòu)通過螺栓拼接固定，拼接處用防水膠密封以防止雨水滲入。支撐柱采用鍍鋅鋼管。安裝前先用混凝土澆筑地基并預(yù)埋螺栓。安裝時(shí)先將稱重傳感器支架固定在螺栓上，再通過法蘭片將支撐柱底部與傳感器支架頂部連接固定。卸料器、風(fēng)機(jī)和拋料器3個(gè)執(zhí)行部件的電機(jī)均采用三相異步電機(jī)。卸料器轉(zhuǎn)速24 r/min，電機(jī)功率0.5 kW。風(fēng)機(jī)風(fēng)量265 m3/h，功率2.2 kW。風(fēng)機(jī)通過支架固定在混凝土地基上。卸料器出口通過軟管與風(fēng)機(jī)出口和輸料管連接。輸料管采用直徑50 mm的PE管，長度70 m，沿水面鋪設(shè)至池塘中間位置并與拋料器連接，如圖8所示。在輸料管盡頭設(shè)有旋轉(zhuǎn)式全向拋料器。拋料器選擇目前市場通用產(chǎn)品，電機(jī)功率1.1 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min，能夠?qū)崿F(xiàn)360°投撒，覆蓋直徑可達(dá)40 m。通過擴(kuò)大投喂范圍可以避免攝食魚群過度擁擠，保證均勻采食，提高飼料利用率。

2.3 電控部分

可編程邏輯控制器選擇DELTA的DVP-SA2系列PLC，控制程序采用專用編程軟件WPLSoft V2.49開發(fā)。稱重傳感器選用柯力的SQB-3T，單個(gè)量程3000 kg，精度等級為C3，信號變送模型配套選用DELTA的DVP201LC。觸控屏采用DOP-107BV。

2.4 監(jiān)控軟件

控制中心監(jiān)控軟件采用Java編程語言，在Eclipse 4.8.0環(huán)境下開發(fā)，包括通信接口、數(shù)據(jù)記錄、狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置等功能模塊。軟件可以為每臺投飼機(jī)設(shè)置每天4次投飼任務(wù)，如圖9所示。

2.5 管理系統(tǒng)對接

由于企業(yè)已經(jīng)部署了養(yǎng)殖生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，因此不需要專門開發(fā)管理平臺，各區(qū)控制中心監(jiān)控軟件與現(xiàn)有的管理系統(tǒng)通過 RESTful（Representational State Transfer）風(fēng)格的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以實(shí)現(xiàn)高速雙向數(shù)據(jù)傳遞并支持加密功能[32-33]，從而將投飼管控與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理集成一體。同時(shí)，管理系統(tǒng)集成的視頻監(jiān)控可以提供投飼過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫面。管理者通過網(wǎng)頁瀏覽器或智能手機(jī)接入平臺進(jìn)行管理操作。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 全程機(jī)械化作業(yè)試驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)投飼過程的全程機(jī)械化是本系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一。投飼機(jī)完成安裝后首先進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)的試驗(yàn)，目標(biāo)是全程不使用人工體力作業(yè)。試驗(yàn)過程如下：

1）散裝車在飼料廠裝載飼料，通過專用機(jī)械裝置將飼料從倉庫輸送至車載倉內(nèi)，該過程只需操控電控系統(tǒng)按鈕，無需體力搬運(yùn)作業(yè)。

2）散裝車到達(dá)池塘現(xiàn)場后，工人拉動(dòng)繩索打開投飼機(jī)料倉頂部的防雨蓋，通過按鈕操作控制投飼機(jī)進(jìn)入加料模式。散裝車駕駛員通過操控按鈕控制車載輸送裝置自動(dòng)將飼料從頂部加入料倉，20 min完成裝料作業(yè)。加料完成后再次拉動(dòng)繩索關(guān)閉料倉防雨蓋，操控投飼機(jī)控制柜按鈕退出加料模式。加料過程只需操控料倉防雨蓋和相關(guān)電控按鈕，無需體力搬運(yùn)作業(yè)。

3）投喂飼料時(shí)，工人和管理者通過控制柜上的按鈕或手機(jī)軟件啟動(dòng)投飼機(jī)，設(shè)備開始自動(dòng)投喂飼料，完成設(shè)定的投飼量后自動(dòng)停止。該過程無需體力搬運(yùn)作業(yè)。

試驗(yàn)表明，從飼料裝車出廠、運(yùn)輸、料倉加料和投喂，整個(gè)過程無需人工搬運(yùn)等體力作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 稱量校準(zhǔn)

為了保證精確控制投飼量，本文采用C3等級的稱重傳感器，標(biāo)稱精度為量程的1/3 000，但由于系統(tǒng)誤差和自然風(fēng)造成的設(shè)備振動(dòng)，實(shí)際稱量誤差會高于該數(shù)值。為了達(dá)到稱量相對誤差≤0.5%的指標(biāo)要求，投飼機(jī)安裝后對稱量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。首先調(diào)整3個(gè)稱重傳感器的水平位置，使其輸出信號值一致，達(dá)到均衡承載狀態(tài)；然后將5 t飼料加入投飼機(jī)料倉作為參照標(biāo)準(zhǔn)值，待控制柜觸控屏讀數(shù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”按鈕進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)共重復(fù)3次。結(jié)果顯示稱量相對誤差最小值為0.16%，最大值為0.42%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)功能調(diào)試包括現(xiàn)場觸控屏上參數(shù)設(shè)置與啟?？刂?、控制中心監(jiān)控軟件上參數(shù)設(shè)置與啟停控制以及管理系統(tǒng)上參數(shù)設(shè)置與啟?？刂啤?shù)包括每天4次投飼任務(wù)的開始時(shí)間、每次投喂的飼料質(zhì)量和投飼速度。測試結(jié)果表明，3個(gè)層級的控制同步性良好，在任一終端修改參數(shù)后其他終端界面都會更新顯示，投飼機(jī)會按照最近一次的配置參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行?，F(xiàn)場控制柜按鈕與觸控屏手動(dòng)控制投飼機(jī)啟停的延時(shí)不超過0.5 s，監(jiān)控軟件和管理系統(tǒng)上控制延時(shí)不超過1 s，滿足生產(chǎn)管控要求。

3.4 成本分析

基于使用散裝飼料的全自動(dòng)投飼機(jī)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飼料出廠、裝運(yùn)、加料、投喂的全程機(jī)械化，大幅度降低勞動(dòng)力成本。按照原先每2個(gè)池塘1名養(yǎng)殖工人的人員配置計(jì)算，示范基地5個(gè)養(yǎng)殖區(qū)共90個(gè)池塘，需要45名工人，人員工資成本按照5萬元/a計(jì)算，年工資總額為225萬元。應(yīng)用該投飼系統(tǒng)后，1名養(yǎng)殖工人可以管理10個(gè)池塘，工人數(shù)量可以減少至9人，年工資總額降至45萬元。為了保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要增加設(shè)備管理人員1名，工資成本20萬元/a。經(jīng)測算，每年節(jié)省工資成本160萬元，勞動(dòng)力成本降低70%以上。根據(jù)示范基地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)可以減少過量投喂造成的浪費(fèi)，飼料量節(jié)約2%。同時(shí)，傳統(tǒng)投飼方式使用袋裝飼料，貯存時(shí)易發(fā)生鼠害，人工加料時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)飼料灑落浪費(fèi)，造成約1%的飼料損耗。按照每年24 t/hm2的單位面積投飼量計(jì)算，示范基地548.3 hm2水面每年需要投入飼料1.3萬t，使用該投飼系統(tǒng)后每年合計(jì)可節(jié)約飼料3%，按照5 000元/t計(jì)算，每年節(jié)約飼料成本195萬元。同時(shí)，使用散裝飼料可以節(jié)省飼料包裝費(fèi)用。按照示范基地每年1.3萬t飼料用量、每噸飼料包裝費(fèi)用60元計(jì)算，每年可節(jié)約飼料包裝費(fèi)用78萬元。綜合測算，使用本文設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)每年可以為示范基地節(jié)省養(yǎng)殖成本總計(jì)433萬元。系統(tǒng)建設(shè)新增投資約600萬元，2 a即可收回建設(shè)成本。

4 結(jié) 論

1）本文針對規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖投飼管控需要設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種全自動(dòng)精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)并在示范基地投入使用，覆蓋90個(gè)池塘共548.3 hm2水面。采用大料倉投飼機(jī)和散裝飼料實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化投飼作業(yè)；通過控制中心和信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程管理，降低勞動(dòng)力成本，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)集約化管控。

2）基于稱重傳感器的實(shí)時(shí)測量和PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)投飼控制。借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理者可以遠(yuǎn)程觀察各個(gè)池塘投飼時(shí)魚群攝食情況，發(fā)現(xiàn)攝食異常情況時(shí)能夠及時(shí)通過監(jiān)控軟件或智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制投飼機(jī)停止投飼作業(yè)，從而減少飼料浪費(fèi)。

隨著農(nóng)村人口不斷向城市轉(zhuǎn)移，養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化發(fā)展與勞動(dòng)力短缺的矛盾越來越突出，機(jī)械化裝備和智能化技術(shù)已成為迫切需求。本系統(tǒng)的應(yīng)用證明了自動(dòng)投飼設(shè)備及精準(zhǔn)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以在池塘養(yǎng)殖中大規(guī)模推廣，推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。