船載式深水網箱投餌系統設計與試驗

王俊會，俞國燕,2，劉皞春,2，張宏亮

船載式深水網箱投餌系統設計與試驗

王俊會1，俞國燕1,2，劉皞春1,2，張宏亮1

（1. 廣東海洋大學 機械與動力工程學院 // 2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524088）

設計一種適用于大規模網箱養殖的船載式投餌系統。投餌系統主要由上料裝置、下料裝置、動力裝置、拋撒裝置和集中控制系統組成，并安裝固定于船舷，進行餌料投喂。其中，以PLC作為集中控制系統的控制核心，通過觸摸屏界面實現設備的啟停、投料速度調控、運行狀態監控及網箱餌料投喂數據的記錄等。對投餌系統樣機進行試驗研究。投餌系統的投餌速度在0 ~ 230 kg/min范圍內可調，投餌量精度誤差為0.1 ~ 1.6 kg，滿足容積為127.3 ~ 1 145.9 m3的深水網箱投喂要求，降低養殖人員的勞動強度。

深水網箱養殖；船載式投餌系統；拋撒裝置；數據管理

在深水網箱養殖中，勞動力和餌料為主要成本，餌料成本占總成本比例高達80%[6]，因此合理的餌料投放可有效節約餌料和養殖成本，減少剩余餌料對水環境的污染和魚病害的發生。我國深水網箱養殖起步較晚，餌料投喂主要依靠人工及簡易投餌設備，投放餌料量和投放時間依據養殖人員經驗，造成餌料浪費嚴重、勞動強度增加和投放量精度差等問題。自動投餌系統有節約養殖成本、減少餌料浪費、提高投餌效率、減少水環境污染、降低勞動強度和提高水產品質量等優點[2-4]。美國ETI公司研發了FEEDMASTER投飼系統的破碎率低，投餌精度和可靠性較高，基于可編程控制器（PLC）控制技術，最大投飼能力達250 kg/min，支持直徑約10 cm的餌料輸送管道，最高可為60個網箱同時供料[6]。加拿大Feeding Systems公司對蝦類、鰈鲆類、鲇等不同養殖對象開發了不同的投餌控制軟件，其研制的自動投餌系統可用于大型網箱、陸基養殖工廠和魚苗孵化場等多種環境，通過自動投餌系統和專用軟件的協調配合，提高了深海養殖餌料利用率[21]。中國海洋大學水產學院[21]根據網箱養殖特點，結合漁民養殖經驗，設計了一種深水網箱投餌機，并進行了相應試驗，測定了不同情況下管道中真空度，以及在沖餌管和吸餌管不同開度時的下料時間。該投餌機充分利用海水資源，使用水力環流供餌、水力抽負吸餌、水動力投餌、汽油機水泵提供動力，利用管道向多個距離不同的網箱供料。隨著勞動力和餌料成本的不斷增加，人工投餌和簡單的機械投餌不能滿足集約化深水網箱養殖需求，故研制機械化、自動化、操作簡便、經濟性高的自動投餌設備成為當務之急。

筆者針對海域深水網箱養殖的特點和養殖的需求，制定系統的硬件及軟件設計方案，研發一種以PLC為控制核心的船載式深水網箱投餌系統，實現上料、下料、投餌于一體且定量、定速、定點的適應不同養殖環境的船載式深水網箱投餌系統，具有運行狀態實時顯示和歷史數據可實時存儲、查詢和下載等功能，解決人工投喂耗時費力及投餌量過少或過剩的問題，實現對大規模、工業化深水網箱養殖的快速精準定量投喂。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

投餌系統的總體結構主要包括自動旋轉式下料機構、出料裝置、上料裝置、拋撒輔助裝置、控制系統等（圖1）。投餌系統主要以西門子 PLC 為控制系統實現自動控制，使用嵌入式MCGS設計人機界面進行直觀、方便的操作。

1：羅茨鼓風機；2：自動上料裝置；3：料斗；4：旋轉下料機構；5：受料器；6：電池閥：7：Y型管；8：輸料管；9：工業舵機；10：拋撒輔助裝置；11：電動推桿

人機界面使用MCGSE8.0嵌入式編程軟件開發，觸摸屏主要界面有操作畫面、工作畫面、數據查詢、數據導出和報警記錄等。操作畫面可啟動系統運行，顯示運行狀態和選擇手動操作。工作畫面顯示各電機運行狀態、實時投料量和投餌參數；設定參數包括網箱號、投餌量、餌料型號和餌料投喂次數等。主要工作界面如圖2所示。數據查詢界面可查詢當天的投餌數據和歷史投餌數據，查詢內容有投餌網箱號、投餌時間、一天內每個網箱投餌次數及所用餌料型號等數據。數據導出界面主要將數據導出，為管理人員記錄和管理數據提供便利。報警記錄界面主要顯示報警的原因和報警記錄，以便提高系統維修效率。

圖2 觸摸屏工作界面

1.2 工作原理

投料船到達深水網箱投餌位置后，啟動投餌系統，在觸摸屏界面選擇自動投餌或者手動投餌，因投餌需要，系統啟動后鼓風機自動啟動，且在投餌期間鼓風機一直啟動，至所有網箱投餌結束。然后吸料機啟動，餌料被送入料斗內（料斗內裝有空載報警傳感器、開始投料傳感器、高限位傳感器及滿載報警傳感器）。開始投料傳感器給下料電機發出信號（空載時系統自動報警停機且顯示報警原因），餌料被輸送到受料器；高限位傳感器檢測料斗內餌料即將滿載時，控制系統發出信號，上料電磁閥立即啟動，停止向料斗內加料；在滿載報警傳感器檢測到餌料時，滿載報警器立即報警且顯示報警原因。在開始投料傳感器檢測到餌料后，下料電機自動啟動且可依靠變頻器調節下料的速度，投餌量達到預設值后，系統記錄投喂網箱號、投喂時間及投喂量。

1.2.1 上料裝置 上料裝置由真空吸料機、導料管、電磁閥、除塵器和氣料分離器等組成，主要采用壓送式氣力輸送進行上料，利用真空泵產生的內外壓力差將餌料隨空氣一起吸入導料管，再經過氣料分離器分離空氣與餌料，使餌料輸送至料斗中，餌料中的灰塵等隨空氣進入除塵器，防止灰塵堵塞鼓風機，料斗內裝有傳感器，可檢測料斗內餌料的狀態。滿料時可通過電磁閥的啟停減小吸料機的氣壓，使其無法形成氣壓差，控制餌料輸送的啟停。根據養殖用戶要求，投餌系統出料速度需高達230 kg/min，為保證投餌機工作連續性，餌料上料速度應大于投餌系統的拋撒速度。因此系統上料裝置上料速度應大于250 kg/min。

1.2.2 下料裝置 下料裝置是否合理直接影響系統投餌量的精度，投餌系統下料裝置采用傳感器、料斗、旋轉卸料器、受料器和編碼器組成。下料電機由變頻器控制，調節其頻率進而控制電機轉速。在餌料被送入料斗后，根據開始投料傳感器檢測的信號，自動啟動下料電機，且編碼器開始工作，記錄電機的轉數，由編碼器采集的信息確定投料量并記錄實時投料量。

1.2.3 動力裝置 由羅茨鼓風機、壓力表和電磁閥組成。鼓風機把產生的高速氣流送入受料器，使氣體與餌料在受料器中形成一定的氣料比，餌料與氣流混合后，通過PVC導料管將餌料輸送至目標網箱。鼓風機所需功率：

=INB/ (60 000Bg)。

式中，IN為氣源機械所需風量（m3/min）；B為所需氣源機械真空度，取B為鼓風機系統的總壓力損失1.10 ~ 1.20倍；B為氣源機械的流體效率，依選用的風機類型而定；g為機械傳動效率，根據傳動裝置形式而定。

電磁閥安裝于受料器與動力裝置之間，在系統壓力較大時開啟電磁閥，減小壓力及停止餌料輸送。

1.2.4 集中控制裝置 集中控制裝置由PLC、觸摸屏和傳感器組成。觸摸屏與PLC通過PPI/MPI進行通訊，用于設置系統投餌參數和顯示數據。系統啟動后，作業人員可根據魚群攝食需求確定投餌量，并在觸摸屏上設定相應的參數及控制拋撒裝置的方向。投餌結束后記錄餌料型號、投餌量、投餌網箱號、每個網箱的投餌次數等實時數據，且實現歷史數據查詢和數據導出等功能。

2 主要部件設計

2.1 計量系統設計

系統投餌量通過控制旋轉卸料器及編碼器采集的數據進行計算，旋轉卸料器形狀如圖3所示，旋轉卸料器每旋轉一圈輸出餌料量15 kg，旋轉速度為15 r/min，使用增量式旋轉編碼器，計算旋轉卸料器旋轉圈數。旋轉卸料器為系統下料裝置，可通過改變變頻器頻率控制下料電機的轉速，提高餌料下落速度，降低餌料破碎。旋轉卸料器由六片均等的葉片組成，通過編碼器采集卸料器旋轉圈數，編碼器每轉采集脈沖為1 024個。計算公式：

L=L(PPS/ 1024)，

式中，L為總下料量（kg）；PPS為編碼器采集到的總脈沖數；L為卸料器每轉的下料量（kg）。

圖3 旋轉卸料器

2.2 拋撒輔助裝置設計

為方便養殖人員操作，減輕勞動力，投餌系統設計一種由舵機、推桿、切換裝置等組成拋撒輔助裝置（圖4）。該裝置主要由水平旋轉結構和上下轉動結構構成，結構簡單，通過拋撒裝置與出料管道相連，改變拋射出口的傾角以及旋轉角，控制餌料的拋射距離和拋射范圍。

水平旋轉結構主要由工業舵機、舵盤和臥式軸承座組成。利用工業舵機的耐用性和傳動可靠，兩者可保證在海上作業時的穩定性。考慮到舵機輸出軸長期受力會減少使用壽命，安裝臥式軸承座連接舵機輸出軸與舵盤，使之減小摩擦損失和表面磨損。最后舵盤通過鋁型材與管道連接。工業舵機工作時，使拋撒裝置帶動出料管道左右旋轉。上下轉動結構主要由電動推桿與鉸鏈組成。鉸鏈安裝在支撐底座與工業舵機之間，通過直線運動轉成圓周運動實現底板的上下轉動。電動推桿兩頭分別安裝在支撐桿和底板上，通過由電動推桿的伸縮，改變出料管與水平面的傾角，從而使出料管道上下轉動。

用PVC斜三通水管與投餌機的出料管用304不銹鋼管連接，在兩個輸出管道安裝常閉式電磁閥，當得到24 V直流電供電時即可開啟，兩個輸出管道分別連接兩個拋撒裝置，從而分別實現兩個出料口的啟停。

1：管夾；2：工業舵機；3：電動推桿；4：支架

2.3 控制系統程序設計

系統程序以西門子專用編程軟件STEP-7-MicroWINSMART作為操作平臺，運用梯形圖作為編程語言，程序流程如圖5所示。程序包括：對網箱號設定、投餌量的計算、投餌次數的設定和不同型號餌料的投餌量計算等。控制部件主要有吸料機、鼓風機和下料機，對控制部件進行運行狀態的監控，投餌量的設定，餌料空載滿載的報警、故障顯示，投餌數據的記錄和導出。

圖5 PLC程序流程

2.4 控制系統電路設計

控制系統主要有西門子PLC、斷路器、熱繼電器、中間繼電器、變頻器和電容式接近開關等構成，主電路電壓為380 V，主要連接鼓風機、下料電機、吸料機和變頻器，鼓風機和吸料機連接有斷路器和熱繼電器，對電路進行保護。下料電機連接變頻器和斷路器，以保護電路和調節下料速度，因變頻器對傳感器的干擾，需在變頻器輸入端加有源濾波器。PLC控制部分使用24 V直流電（DC）控制，控制電機和電磁閥的啟停及為編碼器和傳感器供電，主電路圖如圖6所示。

2.5 控制系統硬件設計

由于海上環境對設備腐蝕嚴重，選用觸摸屏作為人機界面對系統進行控制，減少開關量控制，觸摸屏需要完成記錄、查詢、下載投餌數據，選用嵌入式昆侖通態觸摸屏（MCGS），方便對數據進行處理，由24 V DC供電。傳感器采用電容限位開關，檢測距離6 mm，由24 V DC供電，靈敏度高。編碼器采用增量型旋轉編碼器，由24 V DC供電，用于檢測下料電機的轉數，根據轉數測量投餌量。變頻器由380 V 交流電供電，用于對下料速度的控制。繼電器選用24 V DC供電，2開2閉。下料電機型號為YX3-90L-4，功率為1.5 kW，電流3.6 A，轉速為1 400 r/min。鼓風機和吸料機選用型號為TYPEY160M-4、功率為11 kW、轉速為1 450 r/min的電動機，舵機及推桿選用24V DC供電，實現對出料管的移動。系統控制核心PLC選用西門子s7-200smart系列，CPU為st20，有12個輸入和8個輸出組成。PLC輸入輸出地址分配如表1所示。

圖6 系統主電路

表1 PLC輸入輸出地址分配

3 試驗與分析

試驗在湛江市東海島深水網箱養殖區進行，網箱養殖密度為6 kg/m3，其體積為127.3、286.4、509.2、759.7及1 145.9 m3，根據養殖魚體質量進行自動投喂測試，投餌系統實物如圖7所示。試驗主要觀察拋撒輔助裝置拋撒的均勻性和穩定性；下料速度的調節對下料量的影響（表2）。對養殖60 d的魚群進行自動投喂與人工拋撒投喂，測試自動投餌系統的效率，如表3所示。

圖7 投餌機

表2 不同下料速度的投料量

說明：預設投喂量為50 kg。

表3 投喂時間

由表 2測試數據可得，投餌系統預設投喂量為50 kg，控制變頻器頻率為20 ~ 70 Hz，在試驗變頻器頻率達到45 Hz之后，系統實際投喂量與預設投喂量出現誤差，隨著頻率的增加，投喂量誤差不斷增加，而在集約化深水網箱養殖中，餌料投喂量大，要求系統投餌速度快，因此根據養殖人員投喂量誤差允許的范圍，變頻器頻率最高為60 Hz，此時系統餌料拋撒速度為230 kg/min，高于劉志強[22]設計的網箱養殖自動投餌器出料速度150 kg/min、挪威AKVA公司設計的AKvasmartccs自動投餌系統出料速度192 kg/min[23]、美國 ETI公司研發的FEEDMASTER自動投餌系統平均出料速度100 kg/min[23]，但低于胡昱[24]設計的吸送式自動投飼系統出料速度300 kg/min。相對于人工投喂，本系統的自動投喂時間約減少86%。因此，本系統大大提高了投喂效率。

為減少餌料的浪費，餌料投喂時可根據養殖魚體密度、養殖魚種類、養殖魚不同生長期以及當地氣候與水質狀況等諸多因素，調節網箱投喂量和投喂速度，做到科學養魚，乃至智能化養殖，降低養殖成本，減少餌料浪費及由此造成的養殖環境污染，營造一個良好的水產養殖環境。

4 結語

針對湖泊、海域的大容量網箱養殖需求開發的船載式自動投餌控制系統實現了自動上料、定量投料、控制投料速度、實時記錄數據、查詢和導出歷史數據等功能，解決了深水網箱養殖人工投料勞動強度大、餌料輸送困難、飼料浪費和數據記錄困難等問題，投餌系統出料速度最高可達230 kg/min，投餌效率高。自動投餌系統在一定程度上可節約餌料，提高投餌效率，但缺乏對魚群攝食情況或網箱內餌料剩余情況的檢測，投放的餌料仍有一定浪費，投餌系統的設計仍需進一步改進和完善。可采用機器視覺或聲吶成像等技術，將魚的攝食情況傳遞給控制系統，根據魚的攝食情況決策投料的啟停，進一步節約餌料，防止水體污染。

[1] 劉思, 俞國燕. 工廠化養殖自動投餌系統研究進展[J].漁業現代化, 2017, 44(2): 1-5.

[2] 王勇平, 聶余滿, 謝成軍, 等. 基于機器視覺的養殖魚群智能投餌系統設計與研究[J]. 儀表技術, 2015(1): 1-4.

[3] VON BORSTEL F D , SUáREZ J, EDGAR D L R , et al. Feeding and water monitoring robot in aquaculture greenhouse[J]. Industrial Robot: An International Journal, 2013, 40(1): 10-19.

[4] 孫月平, 趙德安, 洪劍青, 等. 河蟹養殖船載自動均勻投餌系統設計及效果試驗[J]. 農業工程學報, 2015, 31(11): 31-39.

[5] 喬峰, 鄭堤, 胡利永, 等. 基于機器視覺實時決策的智能投餌系統研究[J]. 工程設計學報, 2015, 22(6): 528-533.

[6] 錢陽. 基于圖像動態獲取的水產養殖智能投餌機控制系統研究[D]. 鎮江: 江蘇大學, 2017.

[7] SK?IEN K R, MORTEN O A, ARTUR P Z, et al. Feed spreaders in sea cage aquaculture–Motion characterization and measurement of spatial pellet distribution using an unmanned aerial vehicle [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2016, 129: 27-36.

[8] MA H, TSAI T F, LIU C C. Real-time monitoring of water quality using temporal trajectory of live fish[J]. Expert Systems with Applications, 2010, 37(7): 5158-5171.

[9] 胡昱, 郭根喜, 黃小華, 等. 基于PLC的深水網箱自動投餌系統[J]. 南方水產科學, 2011, 7(4): 61-68.

[10] AKVA. CCS Feed system Product Specifications [EB/OL].[2017-03-12].http://www.akvagroup.com/products/cagefarming-aquaculture/feed-systems/ccs-feed-system/product specifications.

[11] 徐志強. 池塘養殖自動投飼系統遠程精準化升級與驗證[J]. 中國工程機械學報, 2015, 13(3): 272-276.

[12] ATOUM Y, SRIVASTAVA S, LIU X. Automatic Feeding Control for Dense Aquaculture Fish Tanks[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2015, 22(8): 1089-1093.

[13] 王彥麗. 氣力輸送的應用分析及發展前景[J]. 山東化工, 2017, 46(7): 91-92; 95.

[14] 劉星橋. 基于物聯網和GIS的水產養殖測控系統平臺設計[J]. 漁業現代化, 2016, 43(6): 16-20.

[15] 崔龍旭, 倪琦, 莊保陸, 等. 基于PLC的工廠化水產養殖軌道式自動投飼系統設計與試驗[J]. 廣東農業科學, 2014, 41(22): 159-165.

[16] 胡昱, 郭根喜, 黃小華, 等. 深水網箱養殖自動投餌計量裝置設計[J]. 南方水產科學, 2014, 10(2): 80-85.

[17] ANG K P , PETRELL R J . Control of feed dispensation in seacages using underwater video monitoring: effects on growth and food conversion[J]. Aquacultural Engineering, 1997, 16(1/2): 45-62.

[18] 王志勇, 湛志新, 江濤. 集中式自動投餌系統的研制[J]. 漁業現代化, 2011, 38(1): 46-49.

[19] 朱健康. 水產顆粒飼料投餌裝置的原理與應用[J]. 福建水產, 2011, 33(5): 67-69.

[20] 劉吉偉, 王宏策, 魏鴻磊. 深水網箱養殖自動投餌機控制系統設計[J]. 機電工程技術, 2018, 47(9): 145-148.

[21] 袁凱. 投飼機器人關鍵技術研究[D]. 上海: 上海海洋大學, 2013.

[22] 劉志強. 海上網箱養殖自動投餌器的研制[D]. 泰安:山東農業大學, 2016.

[23] 糾手才, 張效莉. 海水養殖智能投餌裝備研究進展[J].海洋開發與管理, 2018, 35(1): 21-27.

[24] 胡昱, 陶啟友. 一種用于深水網箱養殖的吸送式船載自動投飼系統: CN205794486U [P]. 2016-12-14.

Design and Experiment on Shipborne Bait Delivery System for Deep Water Cage

WANG Jun-hui1, YU Guo-yan1,2, LIU Hao-chun1,2, ZHANG Hong-liang1

(1.,2.(),524008,)

To design a shipborne bait feeding system suitable for large-scale cage farming.The system is mainly composed of feeding device, blanking device, power device, throwing device and centralized control system. The central control system uses PLC as the control core, through the touch screen control to achieve the start and stop of the equipment, feeding speed, running state monitoring and feed data recording cage bait.The experimental results showed that the feeding distance of the bait was 5- 14 m. The casting speed can be adjusted within the range of 0-230 kg/min. The feeding precision was 0.1-1.6 kg, and it could meet the feeding requirements with the circumference of 40-120 m deep water cage (volume 127.3 -1 145.9 m3) and could reduce the labor intensity of the breeding staff.

deep sea cage farming; shipborne bait system; sprinkling device; data management

S969.31

A

1673-9159（2019）06-0124-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.016

2019-05-07

廣東省普通高校重點科研項目（2018KZDXM038）；南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江）項目（ZJW-2019-01）；湛江市科技項目(2018A01019、2017A03005）

王俊會（1991―），男，碩士研究生，研究方向為智能產品創新設計與理論。E-mail：1012330524@qq.com

俞國燕（1970―），女，博士，教授。主要從事智能設計與制造、現代設施漁業裝備、機器人技術應用。E-mail：yugy@gdou.edu.cn

王俊會，俞國燕，劉皞春，等. 船載式深水網箱投餌系統設計與試驗[J]. 廣東海洋大學學報，2019，39（6）：124-130.

（責任編輯：劉慶穎）