網箱養(yǎng)殖平臺自動投飼系統(tǒng)設計與試驗分析

王志勇,馮書慶,林禮群,徐志強

(1 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092； 2青島海洋科學與技術國家實驗室，山東 青島 266000)

海水網箱養(yǎng)殖已發(fā)展成為中國海水養(yǎng)殖的重要產業(yè)之一，但網箱養(yǎng)殖裝備發(fā)展卻相對滯后，當前國內大部分的網箱投飼機智能化程度較低，主要是以機械化取代人工投飼。近海網箱養(yǎng)殖投喂操作大部分是在船板或簡易搭建的浮臺上實施，工作效率低，平臺抗風浪能力差。深海網箱近幾年陸續(xù)開發(fā)了不同形式的網箱自動投飼系統(tǒng)，基本可以實現(xiàn)遠程、定時定量自動投喂，但是相比國外先進投飼裝置在系統(tǒng)化、自動化、精確度等方面仍有差距，在使用過程中還存在不足之處，其可靠性和安全性需要進一步完善，尚未進行標準化、產業(yè)化生產，目前只在個別深水網箱養(yǎng)殖基地進行試驗與示范應用[1-4]。國外在自動投飼領域技術水平較高，許多國家擁有較為完善的智能化投飼系統(tǒng)，基本實現(xiàn)系統(tǒng)化、精確化和智能化[5-6]。

隨著深遠海養(yǎng)殖的大力發(fā)展，尤其是在遠離海岸的養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖環(huán)境需要依托養(yǎng)殖管理平臺，配套專屬的網箱設施、物流補給船和陸基保障設施，養(yǎng)殖生產的各個環(huán)節(jié)需要配套全面的機械化及自動化裝備，以及信息化管理系統(tǒng)等。本文以我國深遠海養(yǎng)殖為重點，依托浮式養(yǎng)殖作業(yè)平臺，通過自動投飼裝備關鍵技術研究與集成，研制出適于深遠海養(yǎng)殖管理的浮式平臺自動投飼系統(tǒng)，可以更好提高養(yǎng)殖作業(yè)的靈活性和適用性[7-10]。

1 系統(tǒng)設計及總體布置

1.1 管理平臺設計

投飼平臺采用鋼結構形式，浮式，集自動投飼和日常生產管理等功能于一體，結合海上長期養(yǎng)殖浮式平臺管理的特性，能夠滿足養(yǎng)殖基本功能配置要求，充分考慮平臺的安全性和經濟性，進行平臺結構型式及主尺度設計，如圖1所示。

平臺主要技術參數(shù)為：總長20 m，型寬10 m，型深1.8 m，設計吃水0.80 m，載荷量 160 t。

1.2 投飼系統(tǒng)結構及工作原理

投飼系統(tǒng)采用正壓氣力輸送，系統(tǒng)氣源選擇羅茨鼓風機，通過變頻調速可控制風量，最長輸送距離350 m。為了降低養(yǎng)殖管理平臺整體重心高度，提高平臺的穩(wěn)性，投飼系統(tǒng)料斗采用下沉式結構，料斗設備檢修區(qū)下沉1.4 m，四周密封，兩側開設人孔，以便旋轉下料器的檢修與維護(圖2)。由于料斗設置于養(yǎng)殖管理平臺中央，滿倉或空倉對平臺的穩(wěn)定性影響較小，平臺始終處于平穩(wěn)狀態(tài)。

飼料經運輸船運至管理平臺儲料區(qū)，經上料機抽吸至投飼系統(tǒng)料斗，在料斗的頂部和底側分別安裝有一料位開關，用來監(jiān)測料斗內飼料狀態(tài)。兩個料斗下方各配一個電動閘門，螺旋輸料機與電動閘門連接。兩套螺旋輸送喂料機下方設有一個旋轉下料器，螺旋輸送喂料機釆用變頻電機驅動，可以單獨控制。針對養(yǎng)殖過程中不同養(yǎng)殖對象，可以選擇不同飼料進行定量、分時投喂。氣送系統(tǒng)采用正壓輸送，可以方便多養(yǎng)殖點投飼布置，由于正壓輸送風機出口溫度較高，影響飼料特性，因此在風機出口安裝一風機冷卻器，有效降低輸送管中氣流溫度。

通過養(yǎng)殖管理平臺對投飼系統(tǒng)進行集中控制，投喂時料斗中的飼料通過下方的螺旋輸料機和下料器進入氣料混合管，經彎管進入投飼分配器，分配器設有多個出料口，連接到不同輸送管道。投喂分配器可以手動選擇某個投飼管道，也可以通過程序設定按順序選擇，在高速氣流作用下飼料輸送至管道末端撒料頭，噴撒到網箱中心進行投喂，滿足多個網箱養(yǎng)殖的投喂需求[11-15]。

圖1 網箱養(yǎng)殖管理平臺Fig.1 Cage culture management platform

圖2 網箱養(yǎng)殖平臺自動投飼系統(tǒng)總體結構Fig.2 Overall structure of automatic feeding system of cage culture platform

1.3 投飼系統(tǒng)主要參數(shù)設計

養(yǎng)殖網箱為圓形雙浮管式，周長100 m，網深15 m，數(shù)量10個，單個網箱每天最大投飼量500 kg。根據(jù)投喂需求確定壓送式氣力輸送的設計方案及主要技術參數(shù)，進行氣流速度、設計輸送量、混合比、輸送用空氣量及阻力損失的計算，從而確定風機的壓力、容量及電動機功率。風機的參數(shù)關系到物料輸送量的大小和輸送量的穩(wěn)定性，合理的參數(shù)設計是氣力輸送系統(tǒng)順利運行的關鍵[16-17]。

所需風量一般由物料的輸送量、混合比確定，計算公式如下：

(1)

式中：Q—風量，m3/min ；G—輸送量，kg/h；γ—空氣密度，kg/m3；μ—輸送混合比。

根據(jù)氣力輸送所需的風量和輸送速度來確定管道的直徑：

(2)

式中：D—輸送管直徑，mm；Q—風量，m3/min ;v—輸送氣流速度，m/s。

在輸料管中，飼料顆粒的運動狀態(tài)，除了與被輸送飼料的物理性質、幾何性質和水力性質有關外，主要是隨輸送氣流速度的大小和輸送濃度即混合比而變化。已知輸送量G=500 kg/h，標準大氣壓下空氣比重γ=1.2，對于輸送速度，可參照工程實際中不同物料的形狀和密度初步確定。一般在水產飼料氣力輸送中，對于均勻粒狀物料低壓輸送，v=16～25 m/s，混合比μ=2～4。結合設計經驗，該投飼系統(tǒng)設計選取輸送速度v=20 m/s，μ=2。 將以上參數(shù)代入公式(1)和公式(2)，計算得Q=3.47 m3/min，D=66 mm。考慮系統(tǒng)設計裕量，選擇羅茨風機參數(shù)為流量Q=4.80 m3/min，風機的功率為15 kW，輸料管道D75 mm×3.5 mm。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件控制主要包括風機、螺旋輸料機、下料器、真空上料機，主電路圖如圖3所示。控制系統(tǒng)主要由PLC、斷路器、中間繼電器、變頻器等構成，PLC作為系統(tǒng)的核心控制器件，主要完成：開、停機控制；運行流程控制；電源裝置狀態(tài)量的采集；位置信號采集；設置、顯示參數(shù)的計算。上位機采用研華IPC-610H工控機，上位機與PLC采用TCP/IP通訊協(xié)議通過以太網接口進行通訊，PLC和變頻器之間通過RS-485串行通訊，控制螺旋輸料機變頻調速實現(xiàn)投飼機的定量投喂，并通過接觸器信號實現(xiàn)輸送風機的風量控制[18-20]。

輸入部分由限位開關、料位開關組成,完成信號采集。輸出部分由分配器電機、下料器電機、輸料機電機、上料電機和報警裝置組成，系統(tǒng)控制如圖4所示。

圖3 投飼系統(tǒng)主電路圖Fig.3 Main circuit diagram of feeding system

圖4 投飼系統(tǒng)控制電路圖Fig.4 Control circuit diagram of feeding system

投飼分配器由步進電動機控制，通過驅動器驅動步進電動機運轉，滑動頭沿著分配箱體可以在360°范圍內旋轉到任意一個出料口，每個出料口通過管道輸送到不同的養(yǎng)殖網箱。風機和輸料機連接變頻器，可以根據(jù)輸送距離不同方便調節(jié)風量和下料速度。在風機出風口處安裝一壓力傳感器，控制系統(tǒng)根據(jù)輸送管中壓力的反饋量進行閉環(huán)控制調節(jié)螺旋輸料機的轉速，控制氣料混合管中下料量，維持氣力投飼系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2.2 軟件設計

控制軟件LabWindows CVI平臺開發(fā)，可運行于Windows操作系統(tǒng)等上。控制軟件采用圖形化人機交互技術，界面友好，數(shù)據(jù)清晰明了，操作方便，能滿足既定功能。軟件設計主要包括網箱養(yǎng)殖參數(shù)設置、投喂控制、數(shù)據(jù)記錄、報告打印等功能，為水產養(yǎng)殖飼料投喂及產能分析提供數(shù)據(jù)支撐。

自動投飼系統(tǒng)控制流程如圖5所示，風機等設備工作前必須完成自檢工作，自檢信號由上位機發(fā)出，PLC檢測到自檢信號開始自檢，此時分配器步進電機旋轉尋找零位，分配器轉動觸發(fā)接近開關向PLC發(fā)出零位信號，此時完成自檢掃孔工作，PLC反饋復位。自檢完成后各設備進入待機狀態(tài)，下料機開啟。投飼動作前需要在上位機預先開啟風機，并設置風機轉速，待風機正常開啟后方可開始投飼工作。投飼前需要提前設置以下數(shù)據(jù)：投飼目標網箱號、選擇某個輸料機開啟、輸料機轉速設定、喂料輸送時間。數(shù)據(jù)設置完畢后，點擊投飼動作按鈕，PLC自動完成目標投飼。一個目標投喂結束轉換另一個目標投喂時，分配器步進電機旋轉到達目標網箱開關位置，到位信號反饋給PLC后，風機轉速恢復到用戶設置轉速，同時選定投飼的輸料機開啟且根據(jù)設置的轉速運行，到達設置的輸料時間，輸料機停止喂料，整個投飼工作完成[21-23]。

圖5 投飼系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Control flow chart of feeding system

3 系統(tǒng)試驗及結果分析

3.1 系統(tǒng)試驗

根據(jù)水產行業(yè)標準對該投飼系統(tǒng)進行了性能試驗，主要測試投飼系統(tǒng)效率、運行穩(wěn)定性、飼料輸送過程破碎率。投飼輸送管道長度350 m，輸送管內徑68 mm，管道彎曲半徑為10倍管道直徑，管道彎頭3個，管道水平爬坡最大高度為300 mm。試驗采用國內生產的粒徑分別為6 mm、8 mm、10 mm的3種規(guī)格魚用顆粒飼料，每袋25 kg，顆粒飼料平均容重為0.69 kg/L，試驗環(huán)境溫度26～30 ℃，相對濕度60%，管道末端采用透氣布袋取樣飼料顆粒，用顆粒粒徑1/2大小的紗網篩分，分出半顆粒和粉末，計算破碎率，系統(tǒng)試驗記錄如表1所示。顆粒破碎率計算公式為：

W=G1/G0×100%

(3)

式中：W—顆粒飼料破碎率；G1—顆粒粉末和半顆粒質量，kg；G0—試驗物料質量，kg。

表1 投飼系統(tǒng)試驗記錄

3.2 結果與分析

根據(jù)系統(tǒng)試驗記錄，3種不同粒徑的顆粒飼料，在相同輸送距離下，最小投飼量平均為523.2 kg/h，最大投飼量平均為568.2 kg/h，符合系統(tǒng)參數(shù)設計要求。測試的飼料粒徑越大，投飼量越小，投飼效率越低，這是由于輸送物料的特性不同，輸送能力也會有很大變化，通常在較低輸送壓力下，物料的粒徑對輸送量影響不大，但在較高輸送壓力下，粒徑越小，輸送量越大，試驗數(shù)據(jù)與實際情況比較吻合。另外，該投飼系統(tǒng)在相同輸送距離情況下，飼料粒徑為10 mm時，平均破碎率為1.12%，比粒徑 6 mm的飼料破碎率0.27%要增大很多，相比參考文獻[24]中300 m投飼破碎率0.7%，破碎率也有所不同。這是因為影響飼料破碎率的因素很多，包括輸送速度、飼料顆粒粒徑、管道布置形式等，粒徑大小對破碎率的影響主要是基于強度的尺寸效應，顆粒越小其強度測定值越大，在輸送中越不易破碎，顆粒越大越易破碎，另外，不同種類的飼料其特性也有很大不同，膨化飼料相比緩沉飼料其顆粒強度要小，破碎率要高，不能簡單對比，需要區(qū)別對待[24-30]。氣送輸送投飼系統(tǒng)是一個綜合性工程，涉及流體力學、材料科學、自動化技術，因此，設計時一般是綜合考慮各種參數(shù)設計，在滿足養(yǎng)殖工藝要求前提下，要求安全性和實用性，盡量提高投飼系統(tǒng)效率，減少飼料破碎率，減少能耗，增加養(yǎng)殖經濟效益。

4 結論

該自動投飼系統(tǒng)通過集成養(yǎng)殖平臺管理功能，基于氣力輸送和計算機控制技術進行遠距離輸送投喂、集中自動控制。根據(jù)輸送管道壓力實時調節(jié)螺旋輸送機下料速度，控制系統(tǒng)下料量，避免發(fā)生堵料現(xiàn)象，運行過程系統(tǒng)運行平穩(wěn)，進一步提高了投飼系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。該網箱養(yǎng)殖投飼平臺采用浮式組合結構，提高了作業(yè)平臺的穩(wěn)定性，整體平臺利用船舶拖至指定水域并與錨泊系統(tǒng)相連，可以用于海上或者大型湖泊養(yǎng)殖的日常居住和作業(yè)功能，系統(tǒng)平臺還具備水面航行功能，增加了養(yǎng)殖作業(yè)的靈活性和適用性。

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