水產養殖中復合精確自動增氧技術研究

蔣建明 朱正偉 李正明 趙德安 史 兵

(1.常州大學信息科學與工程學院， 常州 213164； 2.江蘇大學電氣信息工程學院， 鎮江 212013)

引言

我國是世界上最大的水產養殖國，傳統的小規模依靠自然條件養殖模式已逐步淘汰，高密度規模化養殖已成為一種趨勢。節能減排、降低成本和提高水產品質量、滿足人民群眾日益增長的品質需求是眾多養殖戶不斷追求的目標。

高密度水產養殖中保持水體溶解氧濃度穩定是穩產和高產的基礎，為此許多養殖戶不惜采用過量粗放式增氧確保安全，浪費了電能，但安全系數仍然不能有效提高。普遍采用手動控制單一機械增氧模式，增氧機械80%左右為葉輪增氧機，其他還有微孔曝氣式、水車式等，其增氧效率相對低下。顧海濤等[1]提出數字化、智能化控制是水產養殖增氧技術的發展趨勢。張世羊等[2]提出依據不同增氧機械的特點，白天宜采用耕水機工作，夜晚增氧宜采用葉輪增氧機。本文提出一種采用無線傳感網絡實時監測水體溶解氧濃度，耕水機晝夜不停耕動水體改善水質和應急情況下采用葉輪增氧機變頻增氧的綠色精確增氧模式。

1 系統結構

系統結構如圖1所示，每個養殖池增氧設備由1臺葉輪增氧機和1臺由太陽能電池供電的晝夜不停耕動水體的耕水機組成。水體溶解氧濃度通過ZigBee無線傳感網絡傳輸到每個養殖池的基站，基站通過串行通信傳輸給控制器CPU，CPU根據系統設定上、下限值控制葉輪增氧機啟動和停止。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Structure of system hardware

2 增氧控制

系統增氧主要分為太陽能驅動耕水機綠色增氧和電力驅動葉輪增氧機應急增氧。

2.1 耕水機的綠色增氧

耕水機功率一般分為25、40、60 W，它利用流體力學的原理，以極低的功耗驅動養殖池水體大范圍循環運動。工作時耕水機附近表層水面由中心向四周緩緩擴散流動，底層水體源源不斷提升補充。整個養殖池以耕水機為中心形成涌升流，表層水和底層水不斷循環置換[3-4]。主要作用有：有效消除底層水體中氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質，對沉積的殘餌、排泄物等分解，同時溶解氧濃度低的底層水體循環到表層，有利于空氣中的氧氣擴散溶入水中。根據研究報道[3-7]，藻類的光合作用

(1)

是增加水體溶解氧濃度的主要途徑，在無增氧措施的情況下，占到90%左右。藻類原生質的碳、氮、磷3種元素按平均原子個數比為：C∶N∶P=106∶16∶1。藻類對營養要素的吸收也是按照這個比例進行的。

藻類在光合作用的過程中不僅吸收水中大量CO2和產生O2，同時吸收了氮磷，凈化了水體。耕水機驅動水體上下循環使整個水體中的藻類都有機會進行光合作用達到富氧狀態。節省了葉輪增氧機電力增氧時間，節約了電能。水體的循環流動促進了藻類和浮游生物的生長，成為魚蝦的天然餌料，減少了餌料的投放[8-12]。但耕水機的應急增氧能力弱小，需要其他機械應急增氧[13-15]。

2.2 葉輪增氧機的精確增氧

葉輪增氧機是在20世紀70年代研制成功的漁業增氧機械，至今仍然是我國最主要的機械增氧設備。它具有攪水、增氧、混合和曝氣的作用。按功率一般分為0.75、1.5、3 kW，具有構造簡單、成本低廉和維護方便等優點[16-21]。

2.2.1增氧效果分析

空氣中的氧氣從混合液的氣相一側擴散到液相一側，氣相一側中氧氣濃度比液相一側的濃度越大，則擴散的速度越快，當二者相近時，增氧效率低。空氣中氧氣向水體中擴散的規律可以用菲克(Fick)定律描述

(2)

式中Vd——物質的擴散速度

DL——擴散系數

C——當前擴散物質濃度

X——擴散過程長度

dC/dX——單位長度內的濃度變化量，即擴散濃度的梯度

再根據劉易斯(Lewis)和懷特曼(Whitman)創立的雙膜理論

(3)

式中M——單位時間t內擴散物質通過擴散界面的數量

A——擴散界面面積

把式(3)代入式(2)得到

(4)

由圖2可知：①在擴散界面兩側的氣相一側和液相一側存在層流狀態的液膜和氣膜，液相及氣相主體分別處在外側。液相和氣相主體處于紊流狀態。而氣體分子需要以分子狀態分別通過氣膜和液膜，然后融入液相主體。②在機械增氧過程中，增氧的速度主要取決于氧分子通過擴散界面液膜的速度。③液相中氧分子的濃度梯度和氣膜中氧分子分壓梯度是氧氣擴散的主要推動力。④擴散界面兩側存在紊流狀態氣相主體和液相主體，兩種主體內物質濃度均勻，基本沒有傳質阻力和濃度差。氣體分子擴散的阻力主要存在于氣膜和液膜中。

圖2 雙膜擴散理論模型Fig.2 Two-film diffusion theory model

在增氧過程中，氧氣溶入水中的阻力在空氣和水接觸的液膜上，氧分子通過液膜的轉移速度就是氧氣溶入水中的控制速度。在液膜溶解氧濃度梯度為

(5)

式中Xf——液膜厚度

CS——空氣與液面交界處的溶解氧濃度

把式(5)代入式(4)得

(6)

由式(6)可知，為了提高氧氣向水體的傳遞速率dM/dt,可以考慮以下因素：①提高氣膜和液膜界面處的溶解氧濃度CS，如采用純氧增氧(成本太高)。②降低液膜厚度Xf，如加速氣、液面的更新。③增加氣、液接觸面積。同時還可以發現當前水體溶解氧濃度C接近CS時，二者的差值極小，此時增氧效率低，因此當水體溶解氧濃度高時，繼續增氧效率比較低。

為了在水體溶解氧濃度低于下限值時及時啟動葉輪增氧機精確增氧和避免在高于設定上限值時低效增氧，必須對水體溶解氧濃度實時監測。

2.2.2水體溶解氧濃度無線監測

養殖池水體溶解氧監測如果采用有線監測需要架設電纜，成本高且影響養殖池其他作業，因此采用ZigBee無線通信監測(圖3)，協議采用低能量自適應分群分層路由協議(Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)。

圖3 溶解氧傳感器及ZigBee模塊Fig.3 Dissolved oxygen sensor and ZigBee module

水體溶解氧濃度變化慣性系數大，測量節點向基站發送測量數據的周期較長。測量過程中由于多種原因引起個別時間測量數據失常，明顯偏離實際值，這種粗大誤差歪曲了測量結果，在測量控制一體化系統中，如不及時刪除容易導致控制系統的混亂。

當測量次數多時，可以通過萊特準則刪除粗大誤差測量值；當測量次數較少時，測量值誤差分布偏離正態分布，大致成t分布，可以采用肖維涅準則(表1)。

表1 肖維涅系數Tab.1 Shawley coefficients

假設某節點在一個數據發送周期內感知溶解氧質量濃度為：y0=5.01 mg/L，y1=5.08 mg/L，y2=5.12 mg/L，y3=5.03 mg/L，y4=4.95 mg/L，y5=5.36 mg/L，y6=4.92 mg/L，y7=4.98 mg/L，y8=5.11 mg/L，y9=4.95 mg/L。

認為y5是粗大誤差，應該刪除。刪除后重新計算：

v=σc(n)=0.073×1.92=0.140 mg/L

而此時最大絕對誤差為

則系統認為已不存在粗大誤差，則測量均值為5.017 mg/L，在規定時間向基站發送。

為了保證測量的客觀性和安全性，根據實際情況，每個養殖池可以安置多個測量節點，基站求取平均值后傳輸給CPU。

2.2.3增量式PID控制增氧

從降低成本角度考慮，溶解氧應急變頻增氧不適合采用復雜算法控制，要求控制穩定、簡單高效，特殊情況下，從變頻增氧模式人工切換到工頻增氧模式達到無擾動切換，增量式PID控制能夠滿足上述要求。離散的PID控制為

(7)

式中u(k)——控制器輸出

e(k)——控制器輸入，是設定值與被控量之差

kp——比例放大系數

ki——積分系數kd——微分系數

增量式PID數字控制器的輸出是控制量的增量Δu(k)，可以采用硬件或軟件方法實現，本系統采用軟件算法實現，依據式(7)可以得到

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

kpΔe(k)+kie(k)+kd(Δe(k)-Δe(k-1))

(8)

其中

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

代入式(8)得到

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(9)

其中

式中Ti——積分時間Td——微分時間

T——運行時間

當采樣周期確定后，選定kp、Ti、Td后，則A、B、C系數確定，系統獲取測量的3次誤差就可確定增量式PID的輸出的變化量Δu(k)。

3 試驗結果與分析

選擇4個100 m×80 m的養殖池，主要以四大家魚養殖為主，1號和2號養殖池采用太陽能驅動40 W耕水機和電力驅動3 kW葉輪增氧機的復合自動增氧模式，控制裝置如圖4所示，耕水機通過200 W的太陽能電池組件供電。3號和4號養殖池采用單一手動控制3 kW葉輪增氧機模式。養殖周期為2 a。自動增氧時PID控制參數T為10 s，kp為20，Ti為1 min，Td為5 s。水體溶解氧濃度測量深度為水面下0.6 m處，當濃度低于5.0 mg/L時，葉輪增氧機啟動，開始變頻增氧；當大于6.5 mg/L時停止增氧。啟動后，增氧目標設定值為5.5 mg/L。單一增氧模式開啟時間為夏季晚上20:00至第2天早上08:00，陰雨天全天開機，冬季不開機，采用工頻增氧。夏季某天測量得到溶解氧濃度變化如圖5所示。

圖4 變頻控制裝置及葉輪增氧機工作圖Fig.4 Frequency control device and impeller aerator working diagrams

圖5 溶解氧濃度變化曲線Fig.5 Variation curves of dissolved oxygen concentration

由圖5可知，復合方式控制養殖池水體溶解氧質量濃度大部分時間穩定在5.5 mg/L，達到了精確增氧的目的；在09:00—17:00之間，耕水機工作使養殖池水體上下交換，上下層水體中的藻類都有機會通過光合作用儲備溶解氧，達到了綠色增氧效果。單一增氧模式養殖池溶解氧濃度變化較大，在葉輪增氧機開啟前達到了最低值，而且溶解氧濃度下降速度快，主要是因為白天由于藻類的光合作用僅增加了上層水體溶解氧濃度，雖然上層水體溶解氧濃度過飽和，但中下層水體由于不能上下循環，養殖池溶解氧整體濃度仍然較低。

圖6 溶解氧濃度差值變化曲線Fig.6 Variation curves of dissolved oxygen concentration difference

通過測量水面下0.6 m和1.0 m處的溶解氧濃度，得到差值變化如圖6所示。

由圖6可知，單一增氧方式葉輪增氧機在08:00左右停止工作后溶解氧濃度逐漸產生了階躍分層，一直到20:00左右重新啟動才消除分層。而復合增氧方式由于耕水機不停循環耕動水體，大部分時間消除了溶解氧的階躍分層，只有在20:00—23:00左右短暫分層，優化了魚蝦的生長環境。

各養殖池成本、利潤如表2所示，在規模化水產養殖中，雖然采用復合增氧方式硬件初期投入大于單一增氧方式，但總體利潤仍大于單一增氧方式，而且前期的投入可以繼續使用，減少了下期硬件投入。

表2 各養殖池投入成本、利潤統計Tab.2 Statistics of cost and profit of each pool 元

4 結束語

對太陽能電池綠色驅動耕水機改善水質和變頻精確控制葉輪增氧機應急增氧進行了試驗，試驗結果表明，復合增氧方式雖然初期投資較多，但增氧效率好，節省了人力與電力資源，與單一增氧方式相比節省了約65%的電能、80%的人力成本和20%的藥品等，雖然機電設備投資增加了約1.89倍,但總體利潤增加20%以上。

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