室內工廠化水產養殖自動投飼系統設計

景 新，樊樹凱，史穎剛，趙 娜，任一鵬，李世奇

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

室內工廠化水產養殖自動投飼系統設計

景 新，樊樹凱，史穎剛*，趙 娜，任一鵬，李世奇

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

摘要針對當前我國室內工廠化水產養殖機械化和自動化水平低，人工投飼勞動強度大的現狀，利用軌道傳動、傳感器和PLC技術，設計了新型的室內工廠化水產養殖自動投飼系統。從室內工廠化水產養殖自動投飼系統的工作原理、技術要求和關鍵部件結構的設計3個方面進行介紹，主要對行走裝置、料倉、定量控制裝置、拋撒裝置、上料裝置和自動控制裝置等方面做了詳細的設計。同時，利用Pro/E軟件對室內工廠化水產養殖自動投飼機的整機結構進行了三維實體建模。結果證明，該投飼機各部分組裝合理，可以進行后續的樣機制作，并有望應用于國內現有的室內水產養殖工廠，來替代效率低、成本高的人工投飼。

關鍵詞水產養殖；設計；自動投飼；控制器；軌道式；三維實體建模

我國是水產品養殖大國和出口大國[1]，但水產品養殖的投飼環節，基本依靠人工。在水產品室內工廠化養殖模式中，依靠人工投飼存在勞動強度大，且不均勻、不準確、不準時，投飼量控制難等問題，容易使飼料殘留過多，導致養殖水域環境惡化[2-5]。

國外水產品養殖普遍使用自動裝備，餌料的運輸、儲存、輸送和投放環節，都有精確的數量控制[6]。但進口設備費用高，而且不適合國內的養殖環境，所以，研究開發適合我國國情的水產養殖自動投飼系統，已成當務之急[7-8]。

針對現有的室內水產養殖技術，筆者設計了一種自動投飼系統，希望能替代效率低、成本高的人工投飼，并與其他環節的生產活動相結合，以提高室內水產養殖的生產率。同時，借助于Pro/E軟件，對自動投飼機進行了三維實體建模。

1系統的工作原理及技術要求

1.1系統的工作原理室內工廠化水產養殖自動投飼系統，主要由行走裝置、投飼裝置、上料裝置和控制系統等組成，如圖1所示。它的工作原理是：在魚池上方架設跑道形封閉軌道，軌道上對應的每個魚池都裝有一個起始點限位開關和一個終止點限位開關，當自動投飼機沿軌道行走，觸發了需要進行投飼魚池上方的起始點限位開關時，根據自動控制系統發出的指令，進行相應的投飼工作，當自動投飼機觸發了終止點限位開關時，則結束該魚池的投飼任務，自動投飼機根據設定的程序沿軌道行走至下一個需要投飼的魚池上方。系統通過調節定量裝置電機的轉速來控制投飼量，從而實現對該魚池的定量精確投飼。

注：1.上料裝置；2.自動投飼；3.行走裝置；4.PLC控制箱；5.料斗；6.定量控制裝置；7.拋撒裝置；8.上位機。Note：1.Feeding device；2.Automatic feeding；3.Walking device；4.PLC control box；5.Jopper；6.Quantitative control device；7.Throwing and spreading device.8.PC.圖1　室內工廠化水產養殖自動投飼系統整體結構示意Fig.1　The overall structure of the automatic feeding system for the indoor factory

1.2系統技術要求根據室內工廠化水產養殖的技術規程和操作規范，參考SC/T6023—2011投飼機標準[9]，確定了室內工廠化水產養殖自動投飼系統應滿足的主要技術指標如下：投飼方式為擺動下落；料倉儲料量(3#飼料)為15 kg；行走速度≥20 m/min；定位精度為±100 mm；投飼量誤差≤5%。

2關鍵部件結構設計

2.1行走裝置行走裝置主要由軌道、行走滑車和限位開關組成。在魚池上方架設跑道形封閉軌道，如圖2所示，根據自動投飼機重量以及行走裝置安裝空間的要求，軌道由型號為直徑1 100 mm的方形鋼管加工而成[10]，總長約為24.57 m，自重644.7 kg，使用支架將軌道架設于魚池上方1.6 m處。考慮到安裝及運輸的方便，將整個軌道分解成6根長度為2 m的直段和4根半徑為2 m的四分之一圓形彎段，使用拼接夾板將各段對接成一套完整的跑道形封閉軌道。

注：1.彎段；2.直段；3.支架；4.拼接夾板；5.限位開關。Note：1.Bending segment；2.Straight segment；3.Bracket；4.Splicing plywood；5.Limit switch.圖2　軌道結構示意Fig.2　Schematic diagram of track structure

行走滑車由一對T型主動輪和從動輪、夾緊輪、直流電機、減速傳動齒輪組、安裝固定板組成，如圖3(b)所示。24 V直流電機通過減速傳動齒輪組驅動2個主動輪讓行走滑車沿方形鋼上部運動。T型軌道輪直徑為0.04 m，齒輪組減速比為11.56，設計行走機構的運行速度為20 m/min以上，據此選擇合適的直流電機。則：

(1)

式中，n0為軌道輪最低轉速(r/min)；v為行走機構運行速度(m/min)；D為T型軌道輪直徑(m)。

ni=n0×i=159.2×11.56=1 840.6 r/min

(2)

式中，ni為電機最低轉速(r/min)；i為齒輪組減速比。

另外，在選定電機之前，估計投飼機滿載時其重量為4倍的飼料重量，即m0=4×15 kg=60 kg。T型軌道輪與軌道間的滑動摩擦系數為μ=0.15，則T型軌道輪與軌道間的最大靜摩擦力為Ff=m0×μ=90 N。則主動輪為自動投飼機提供的驅動力矩為：

(3)

式中，M為T型主動輪驅動力矩(N·m)；Ff為T型軌道輪與軌道的最大靜摩擦力(N)。

傳動效率：

(4)

式中，η為減速齒輪組傳動效率；η1為開式齒輪傳動效率；η3為滾動軸承傳動效率。

則：

(5)

式中，T為直流電機輸出扭矩(N·m)。

(6)

式中，P為直流電機輸出功率(kW)。

根據上述計算結果，考慮到行走系統工作時的載荷變化，安全系數選為1.4，選擇行走驅動電機的型號為DT60BL80-230-2GNXK，其功率50 W，額定轉速2 000 r/min，電壓為直流24 V。

在方形鋼的側面對應6個魚池，安裝了6組共12個限位開關，分別為6個起始點限位開關和6個終止點限位開關，如圖2所示。限位開關選用型號為V-156-1C25，當投飼機觸發了需要投飼魚池上方的起始點限位開關時，其定量裝置和拋撒裝置的電機會啟動，然后按照程序的要求進行拋撒工作。當投飼機觸發了該魚池上方的終止點限位開關時，其行走裝置的驅動電機、定量裝置和拋撒裝置的電機都會停止。待定量裝置和拋撒裝置的電機完全停止后，行走裝置的驅動電機重新啟動，投飼機繼續行走，前往下個魚池。

注：1.中間軸大齒輪；2.中間軸小齒輪；3.直流電機輸出軸齒輪；4.直流電機；5.輸出軸齒輪；6.T型軌道輪主動輪；7.T型輪固定板；8.夾緊輪固定板；9.夾緊輪；10.T型軌道輪從動輪。Note：1.Shaft gear；2.Small gear shaft；3.DC motor output shaft gear；4.DC motor；5.Output shaft gear；6.T type track wheel driving wheel；7.T type wheel fixing plate；8.Clamping wheel fixing plate；9.Camping wheel；10.T type track wheel driven wheel.圖3　行走裝置結構示意Fig.3　Schematic diagram of walking device structure

2.2料斗如圖4(a)所示，料斗由4個型號為CFBLSM的S型拉壓力傳感器吊裝在行走裝置的下方，料斗內部空間由倒三角立方體與立方體組成，總容積為40 L，可容納3#飼料15 kg(容積密度約為376 kg/m3)。

注：1.拉壓力傳感器；2.入料口；3.定量槽；4.定量轉盤；5.出料口；6.步進電機。Note：1.Pull pressure sensor；2.Feed inlet；3.Quantitative slot；4.Quantitative turntable；5.Discharge port；6.Step motor.圖4　料斗與定量控制裝置結構示意Fig.4　Schematic diagram of the structure of hopper and quantitative control device

2.3定量控制裝置定量控制裝置主要由定量轉盤、步進電機以及定量室組成，如圖4(b)所示。定量控制裝置工作時，向步進電機發送控制信號，促使定量轉盤轉動，入料口正下方定量槽中的飼料隨定量轉盤的轉動落入定量室內，并從出料口進入拋撒機構，空的定量槽轉至入料口下方時，料斗中的飼料通過重力作用又會落入定量槽中。此過程反復進行，即可得到連續且精準的定量落料過程。

定量控制裝置停止工作后，通過給步進電機發送合適的脈沖信號，可控制定量槽正對入料口停止，此時料斗內的飼料積滿定量槽和入料口，保證料斗內飼料靜止不動，也不會從定量槽和入料口之間的縫隙漏出。

2.4拋撒裝置拋撒裝置主要由拋料室、拋料導管和步進電機組成，如圖5所示。當自動投飼機開始進行拋撒工作時，控制系統會發出信號控制步進電機工作。步進電機軸帶動拋料室在一定的旋轉角內進行往復運動，飼料從入料口落入拋料室，由于重力作用滑入拋料導管，并隨著拋料導管的運動拋撒出去。通過控制步進電機來精確控制拋料室旋轉角度，控制拋料導管擺動角度，進而控制飼料拋撒軌跡，以使飼料拋撒較為均勻。

注：1.入料口；2.拋料室；3.步進電機軸；4.拋料導管；5.步進電機。Note：1.Feed inlet；2.Feed chamber；3.Step motor shaft；4.Throw material guide pipe；5.Step motor.圖5　拋撒裝置結構示意Fig.5　Schematic diagram of the structure of throwing device

2.5上料裝置上料裝置包括料倉、上料轉盤、鼓風機、導料管、出料口和紅外測距傳感器，如圖6所示。當自動投飼機進行投飼工作時，若投飼機料斗內飼料預存量低于預警值時，投飼機會自動停至初始上料點，即出料口的下方。控制系統控制上料裝置開始工作，上料轉盤的控制電機與鼓風機同時運作，料倉內的飼料隨著上料轉盤的轉動落入導料管中，鼓風機產生高氣壓推動飼料移動至導料管上端，并從出料口落入投飼機的料斗中。當投飼機上的拉壓力傳感器感應到料斗中的飼料量達到預設值時，上料轉盤控制電機與鼓風機停止運行，投飼機繼續執行投飼任務。

在出料口附近裝有一個紅外測距傳感器，型號為GP2Y0A60SZ0F，有效測量范圍為10～150 cm。通過紅外測距傳感器來測量自動投飼機與出料口的距離，從而確定投飼機是否位于初始點，若未處于初始點，則行走系統的驅動電機啟動，行走至初始點后停止。

注：1.料倉；2.導料管；3.上料轉盤；4.鼓風機；5.出料口；6.紅外測距傳感器。Note：1.Bin；2.Material guide pipe；3.Turntable；4.Blower；5.Discharge port；6.Infrared sensors.圖6　上料裝置結構示意Fig.6　Schematic diagram of the structure of the feeding device

2.6自動控制系統控制系統由控制器(PLC)、上位機、傳感器、限位開關和電機這5部分組成，如圖7所示。限位開關與上位機相連，拉壓力傳感器將采集到的信號傳輸給自動投飼機上的PLC，自動投飼機的PLC再通過無線通訊的方式將信號傳輸到上位機，上位機向數據庫調用數據，經過處理后將信號再傳輸給自動投飼機PLC，再由自動投飼機PLC來控制電機的運行和啟停。當自動投飼機需要補充飼料時，由上位機通過無線通訊的方式向上料裝置PLC發出控制信號，再由上料裝置PLC控制上料轉盤控制電機和鼓風機的運行和啟停來完成上料工作，如此周而復始，形成了一個閉環控制的自動控制系統。

圖7　控制系統組成Fig.7　Composition of control system

圖8為自動投飼系統工作流程圖。其工作流程是：首先按下啟動開關，系統進行自檢，無故障狀態下，紅外測距傳感器開始工作，判斷自動投飼機是否位于初始點，若未處于初始點，則行走系統的驅動電機啟動，行走至初始點后停止。然后上料裝置的定量轉盤控制電機和鼓風機同時啟動，當拉壓力傳感器發出上限信號后，上料電機就會停止工作。到了設定的投飼時間后，行走系統驅動電機啟動。當自動投飼機觸發待投飼魚池上方的起始點限位開關時，其定量裝置和拋撒裝置的電機會啟動，進行拋撒工作，系統通過調節定量裝置電機的轉速來控制投飼量，當自動投飼機觸發該魚池上方的終止點限位開關時，其行走裝置的驅動電機及定量裝置和拋撒裝置的電機都會停止。待定量裝置和拋撒裝置的電機完全停止后，行走裝置的驅動電機重新啟動，自動投飼機繼續行走，前往下個魚池。若拉壓力傳感器發出下限信號，則自動投飼機直接行走至起始點，通過上料系統給料斗上料，然后進行剩余的投飼工作。當所有投飼點的投飼任務全部完成后，投飼機會自動回到初始點進行飼料補充，等待下一次的投飼時間。

圖8　自動投飼系統工作流程Fig.8　Working flow chart of automatic feeding system

3自動投飼機的三維建模

根據投飼機各個部分的實際尺寸，利用Pro/E軟件進行三維建模，并將上述的關鍵部件進行了虛擬樣機整機裝配，最終獲得了整機的三維模型，如圖9所示。

圖9　Pro/E三維模型Fig.9　Pro/E 3D model

4結論

該研究使用直徑1 100 mm的方形鋼管為軌道，以T型軌道輪、傳動齒輪組和24 V直流電機驅動系統為行走裝置，通過V-156-1C25限位開關實現系統定位，利用CFBLSM拉壓力傳感器判斷投飼量，并以FX2N-64MT-001PLC和FX2N-32MT-001PLC作為控制器等集成開發的軌道式自

動投飼系統在理論上是具有可實現性的。

設計計算分析可得：當選用直徑1 100 mm的方形鋼管制作軌道，以直徑為0.04 m的T型鍛鋼軌道輪、減速比為11.34∶1的2級傳動齒輪組和24 V直流電機組成行走裝置，為保證行走速度在20 m/min以上，則電機功率需50 W，轉速為2 000 r/min，輸出扭矩要求在0.58 N·m以上。

利用Pro/E軟件，對室內工廠化水產養殖自動投飼機的整機結構進行了三維實體建模。結果證明，該投飼機各部分組裝合理，可以進行后續的樣機制作，并有望應用于國內現有的室內水產養殖工廠，來替代效率低、成本高的人工投飼。

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Design of Automatic Feeding System for Indoor Factory

JING Xin, FAN Shu-kai, SHI Ying-gang*et al

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100)

AbstractIn view of the low aquatic farming machinery and automation level, and the high labor intensity of artificial feeding of indoor factories in current China, we used the orbit driving, sensor and PLC to design the automatic feeding system for new indoor recirculating aquaculture system. In this research, the walking device, storage bin, quantitative control device, throwing device, feeding device and automatic control device and other aspects were designed in detail from three aspects of the working principle, technical requirements and key components of the indoor recirculating aquaculture system automatically feeding system. At the same time, Pro/E software was used to carry out 3D modeling of the whole structure of indoor aquaculture automatic feeding. Results proved that each part of the feeding system assembly was reasonable, which could be used for follow-up manufacture of sample device. And it was expected to be applied in the existing domestic indoor aquaculture factory, to replace the artificial feeding of low efficiency and high cost investment.

Key wordsAquaculture; Design; Automatic feeding; Controller; Track type; 3D solid modeling

基金項目國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510712058)。

作者簡介景新(1994- )，男，山西忻州人，本科生，專業：農業機械自動化。*通訊作者，講師，碩士，從事農業電氣化研究。

收稿日期2016-03-21

中圖分類號S 951

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-260-04