灣外底層水域網箱養殖浮式自動投餌系統設計與初步試驗

蔡文鴻，鄭國富，姚桂祥，林元俊，張 哲，丁 蘭，魏盛軍，陳思源

(福建省水產研究所，福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013)

近年來，隨著國內外各種大型養殖設施的建造，養殖業開啟了進軍深遠海、拓展灣外海域養殖空間的序幕[1-3]。開展灣外及深遠海域名優水產品養殖，是打破因當前淺海養殖仍然只能集中在港灣及近岸海域內[4-5]而造成淺海養殖業“港灣養殖超負荷、近岸養殖超飽和、灣外離岸養殖開發嚴重不足”結構性瓶頸的主要措施，也是調整海水養殖業生產結構、推進海水養殖業供給側改革、加快海洋生態文明建設、提升海水養殖產品食品質量等的有效途徑，更是變海域資源優勢為產業經濟優勢，推動“藍色糧倉”建設的有力抓手。然而由于國內沿海大陸架坡度較平緩的原因，大部分目標養殖海域(水深一般30 m以上)距離陸地較遠且風浪都比較大，并且對于其沒有建造智能管理平臺(人員居住平臺)的一般灣外養殖設施來說，日常的養殖管理(如投餌)需要開船至養殖海域進行作業，一方面能耗比較大，不利于成本的核算，另一方面如遇到臺風等惡劣天氣無法出海時，設施中的養殖對象將無法正常攝食餌料，也會給養殖生產造成損失，因此，作為養殖設施的配套裝備之一，自動投餌系統就應運而生。目前針對這方面的研究和開發，國內外已有較多的典型案例和成果[6-9]，但是一般針對池塘養殖、陸基工廠化養殖或海面大型抗風浪網箱養殖，其主要目標為減少投餌過程中的勞動力(搬運餌料)和勞動強度，無法為位于底層水域的網箱投餌。而筆者所在的研究團隊所開發的自動投餌系統主要用于滿足灣外開放性底層水域升降式剛性網箱的自動投餌要求，但由于該網箱位于灣外惡劣海況的底層海域，平均深度達30 m以上，而且不適合高頻率地浮出水面進行投餌。目前對于這類網箱投餌系統的研究較少，如意大利Techno SEA公司[10]研發出用于當升降式網箱或沉式網箱沉降到海面以下時仍可為網箱自動投餌的投餌機：Subfeeder-20，但是該投餌機屬于沉式類型，其材質為HDPE(高密度聚乙烯)，抗風浪性能比較弱，而本研究團隊所研制的投餌機屬于浮式鋼制結構，因此，開展灣外底層水域網箱養殖自動投餌技術與裝備研究，對拓展灣外養殖空間、推動灣外高端養殖裝備、完善灣外養殖技術、提高飼料利用率、提升養殖效率具有重大意義[11]。本文描述了投餌系統的設計開發和初步試驗，旨在為相關投餌系統的設計推廣應用和深化研究提供參考。

1 系統方案的設計與分析

1.1 開發方案

本文所開發的浮式自動投餌系統主要用于灣外底層水域升降式剛性網箱養殖的投餌需求，因此綜合實際養殖海域的海況、水層以及網箱的結構等因素，制定以下相關開發流程，其流程如圖1所示。

1.1.1 魚類饑餓感及飽腹感的行為規律研究

結合相關文獻資料并對當地主導養殖品種(1～2種名優養殖魚類，如大黃魚、石斑魚等)進行長時期的觀察記錄研究，掌握1～2種養殖魚類饑餓感及飽腹感所表現出來的行為特點及規律，確定最適合的人工配合飼料、每日適宜投餌時間及投餌量。

1.1.2 投餌原理及結構技術研究

查閱相關投餌技術文件及利用所積累的研究經驗，提出多種投餌方式及原理，然后通過計算機建模及樣機模型試驗，以魚類的生長指標和勞動量及其成本為對照，對所研制的新型全自動投餌系統與傳統的投餌作業方式進行對比，選出最適合灣外底層水域養殖特點的投餌原理及結構，并制定相關標準及工藝流程等技術。

1.1.3 投餌系統定型及設計分析

根據上述試驗研究結果，設計灣外底層水域主導養殖品種自動投餌系統功能及主體結構，分析其水動力學性能；設計自動投餌系統自動控制技術與執行裝備；設計自動投餌系統動(電)力保障系統；設計水面浮式投餌系統向水下養殖網箱的定點投餌技術與裝備。

1.1.4 固泊系統研究

根據海區環境條件及底層水域網箱的性能特點等，設計自動投餌系統的固泊系統，保證既不影響網箱和投餌系統結構安全，又能滿足定點投餌要求。

1.1.5 海上試驗優化與應用

試制樣機開展海上應用研究與優化試驗，并最終示范生產。

1.2 系統設計與分析

1.2.1 系統原理設計

浮式自動投餌系統可根據程序設定(可調)實現每天定時(投餌時間、投餌持續時間)、定點、定量向位于底層水域的網箱內投放顆粒飼料，滿足養殖魚類生長需求，改善魚類養殖效果。其每日投餌時間、投餌量等參數可根據魚類生長階段對飼料的不同需求及時進行調整，考慮到底層網箱養殖生產管理的特殊性和實際海況的復雜性，所研發的浮式自動投餌系統必須實現設備自身提供動力、離岸式自動控制、且性能穩定的技術目標，本研究團隊對該系統的組成和布局進行了初步設計，該系統由控制、供料、輸料、動力和固泊等5個子系統組成，總體構成如圖2所示。

該自動投餌系統應用于灣外底層水域網箱養殖，因其所服務的養殖設施及其自身所處的水域環境特點以及養殖魚類品種所特有的攝食規律，使得該系統的研制存在以下技術難點及問題：1)水下定點投餌技術與裝備，如何保證位于海面上的自動投餌裝備能在潮流、波浪等作用下準確把飼料投放到位于底層水域的網箱內；2)如何設計在大潮差環境(當地海域潮差7 m左右)及網箱升降作業下，既保證輸料管道安全，又不會對網箱結構特別是網衣箱體造成損壞的新型飼料輸送通道結構與制造材料；3)自動投餌系統的固泊系統，如何保證自動投餌系統與位于底層水域網箱在當地潮差大的環境條件下具有正確的位置關系，既滿足正確投餌要求，又保證不互相影響而發生破壞；4)養殖對象對餌料及供餌要求。下文將圍繞這些瓶頸問題對該系統進行設計分析。

1.2.2 投餌機結構設計分析

離岸型浮式自動投餌機作為灣外深遠海底層水域網箱養殖的配套裝備，其結構如圖3所示，采用鋼結構密封制成，并刷涂防腐蝕及防污損生物附著油漆，主要結構由儲料倉、倉門、直流電動推桿及設備倉等組成，設備倉用于安裝布置電控箱及蓄電池組等設備，配合密封橡膠圈和倉蓋防止海水滲透進去，并根據整體的重心分布，合理調整各個零部件的安裝位置，從而平衡整個投餌機。該投餌機具有4個獨立的儲料倉，每個儲料倉配置單獨的倉門及控制倉門啟閉的直流電動推桿，考慮到儲氣罐在海上存在氣體容易泄露及安全隱患等問題，故將倉門的動作執行器由氣缸改為直流電動推桿，相應倉門的啟閉方式由扇形擺動改為上下運動，避免倉門被飼料卡住而無法關閉，進一步優化了投餌技術，通過調節電動推桿行程實現倉門開啟的大小，從而控制飼料的投放量，而儲料倉中的沉性配合飼料在重力的作用下通過出料口經由輸料管道輸送至網箱的特定位置供養殖對象攝食，一般情況一個儲料倉可保證養殖對象1 d的餌料需求，因此該投餌系統具有儲備4 d的餌料容量，后續可根據需求增加儲料倉數量及容量以應對不同的環境條件，從而擴展應用范圍。餌料采用人工配合飼料取代冰鮮小雜魚作為魚類養殖主導飼料，根據養殖對象(魚類)行為狀態及攝食規律，調節儲料倉門的開啟行程、開啟時間、啟閉間隔時間等參數，使餌料得到最大的利用，降低餌料的損失率，保證魚類正常攝食。設備倉中的蓄電池組為整個系統的電力提供保障，優化選配能耗較低的零部件，從而降低蓄電池組更換的頻率。通過內置可編程控制器(PLC)元器件，根據特定的養殖對象及其生長階段，編輯相關餌料需求程序，實現一系列精確的動作，從而保證飼料的按需供應。結合儲料倉設定供應天數的計算，待飼料投盡時，只需出海一趟灌滿儲料倉，即可進行下一個投喂程序的循環，從而節省船只來往目標養殖海域的次數，減少勞動力及降低勞動強度。

1.2.3 PLC控制系統設計及零部件配置分析

此投餌系統采用PLC作為控制核心，可以按照養殖對象攝食規律進行事先編程，從而自動控制系統中各個設備的啟閉時間、間歇時間等動作，實現全自動對目標水域進行定時、定點、定量投餌，保證投餌行為準時且精確，滿足灣外投餌的要求。要實現整套系統的定時自動啟動并完成上述工作流程，必須使被控各部件協調工作，完成一系列的動作程序，并明確各動作之間的連鎖關系，保障投餌系統運行的安全性和動作的準確性[11-12]。

控制系統的構建包括硬件方面的電氣元件組成和電路的設計以及軟件方面控制程序的編寫和調試。整個系統的電力由內置電壓為24 V、容量為100 A·h的蓄電池組所提供，主要用于PLC、HMI(人機界面)及直流電動推桿，直流電動推桿選用PFS-90型，并選用6A的2P斷路器作為系統的總開關，系統電路為直流電路，如圖4所示，可保證整個設備和系統在海上的安全性。

由于本自動投餌裝置動作比較簡單，所控制的零部件較少，采用PLC控制需要的輸入輸出點數較少，因此，PLC控制器選用Haiwell(海為)T48SOR型可滿足上述功能的要求。PLC控制器通過中間繼電接觸器控制直流電機的正反轉帶動與儲料倉倉門相連接的電動推桿伸縮，即倉門的升降，從而達到自動投餌的目的。所設計的PLC控制電路原理及輸入輸出端口接線如圖5所示。PLC輸入電源為24 V DC，輸出公共端C0-C4接V-，輸入公共端S/S接V+。輸入點為外部按鈕和選擇開關輸入到PLC，以控制倉門的開關、手自動切換以及啟動和停止功能，輸出點即引入中繼的線圈，通過中繼的常開點，來控制倉門的開啟和關閉。

因此，設計了系統關鍵設備控制方案并編寫了相關控制程序。此外，綜合考慮人機工程，進行了相關HMI配置及設計，首先需要設置和PLC關聯的通訊資料格式，然后進行相關參數的設計：每個倉的推桿動作手動操作、半開(引誘投餌)和全開(正常投餌)模式下的循環次數、運行時間和停止時間。從而實現可根據實際養殖情況和需要在人機界面進行相關投餌參數的設置，使得該系統更加靈活。

1.2.4 餌料投喂方式設計分析

由于灣外底層海域升降式剛性網箱在養殖過程中始終處于近似“坐底”狀態，且平均深度達30 m以上，只有在檢查箱體、捕獲養殖對象等必要情況時，才需要將其升至海面，因此所需餌料須為人工沉性配合飼料顆粒，并且不適合利用拋灑(噴灑)方式進行投喂。在本投餌系統設計之初，飼料的輸送和投喂方式不同于以往其他投餌系統的氣力輸送和噴灑方式，而是利用沉性飼料顆粒自身重力的作用向網箱內部投放飼料，雖然投喂速度比較慢，但可避免飼料顆粒的機械損傷和熱損傷，并可通過對儲料倉中進料口及倉門的橡膠密封處理以減輕飼料受潮程度，從而提高飼料的利用率。如需提高餌料的拋灑面積及投喂速度，可考慮利用水泵產生的高壓水流混合飼料沖入輸料管道，再從噴嘴直噴灑于網箱內部任意位置水體中，以實現投喂。

至于配合飼料及每日每次投放量的選擇，應根據養殖對象攝食規律(養殖品種、養殖規模和生長階段等)和當地海域環境條件作出合理配置，上述變量的調節可通過本投餌系統中的PLC程序來控制開啟倉門的大小、開啟時間、關閉時間等參數進行實現，使可調節行程的直流電動推桿具有類似計量投餌量的功能。通過引進PLC控制單元，提高了整個系統的靈活度及應變適應能力。

1.2.5 投餌機固泊系統設計分析

本浮式自動投餌系統由于是作為灣外底層水域升降式剛性網箱的配套裝備，考慮到其使用環境的惡劣性以及所服務網箱的特殊性，投餌機不僅需要固泊于灣外及深遠海域且適當保持在網箱上方的海面上，而且能防御目標臺風襲擊破壞(當臺風強度超過預定目標時，可事先將其拆卸并轉移至陸地上，待臺風過后再重新安裝)，從而設計出滿足海區環境和網箱升降作業要求的自動投餌機固泊系統。利用剛性網箱牢固的固泊系統，將投餌系統中的投餌機通過四組鋼絲繩系綁在剛性網箱的主體結構上，起到固泊和增加整個系統可靠性的作用，但鋼絲繩的長度需預留出最大潮差的余量。

1.2.6 輸料管道設計分析

該自動投餌系統中漂浮在海面的投餌機與位于底層海域的網箱需設計輸料管道，作為沉性配合飼料從投餌機出料口至網箱內部進行自然下落運動的通道，其結構、材料、尺寸、布置等技術參數受海流、波浪、相對位置等環境影響。通過研究當地試驗海域潮差大(最大超過7 m)、潮流急、網箱所處海域深(30 m以上)以及底層水域網箱需升降作業等對餌料輸送通道的影響，設計了在大潮差環境及升降作業下，既保證輸送通道安全、又不會對網箱結構特別是網衣箱體造成損壞的新型餌料輸送通道結構與制造材料。輸料管道采用PVC鋼絲(增強)管，為三層結構，內外兩層是PVC軟質塑料，中間一層是鋼絲增強結構，或者是鋼絲網或者是螺旋鋼絲。PVC鋼絲管由于采用新型的PVC增強型材料并內嵌高強度防腐蝕鋼絲骨架，使其在抗壓能力、抗扭曲能力、強度、硬度和質量上有了顯著的提高，并具有高彈性、柔韌性好、彎曲性能佳、耐腐蝕、抗疲勞、材料無毒性、使用壽命長、不斷裂、抗拉性、防水性等多項特點，可抵抗和滿足海流急、潮差大、底層海域水壓強的海況環境及工作條件，并且作為一種柔性耐壓管件安裝于輸料系統中，可用于補償管道或機器、設備連接端的相互位移量以及在網箱浮出水面時的彎曲量。

考慮到在投喂過程中存在潮差問題，現提供兩種輸料管道在網箱內部的布置方式：1)位于網箱內部的部分輸料管道采用無固定方式，這種方式需考慮網箱內部高度方向的空間超過最大潮差量，以避免輸料管道在最高潮時脫離網箱和在最低潮時嚴重觸底，此外還需在輸料管道末端加設沉塊，并在網衣箱體與輸料管道接觸處加設防磨損裝置；2)將輸料管道的末端固定在網箱內部，這種方式會導致網箱與水面之間的輸料管道彎曲或偏移嚴重，可將部分PVC鋼絲(增強)管替換成HDPE管，從而減輕管道彎曲程度以降低對飼料下沉速度的影響，并可在輸料管道靠近投餌機出料口的合適位置設置快速接口，當網箱上升或下降時實現快速斷開或接通。

2 初步試驗

項目組在石獅市漁業機械加工廠對該系統的投餌機進行初步試驗，下文將對試驗情況進行說明。

2.1 試驗項目

1)投餌機PLC程序及性能檢測。

2)儲料倉不同開口形狀的落料試驗。

3)不同牌號顆粒飼料的陸地投餌適應性試驗。

4)實況投餌程序初步試驗。

2.2 試驗過程與結果

2.2.1 投餌機PLC程序及性能檢測

該投餌機的PLC程序按照4個儲料倉每個倉負責1 d投喂量的方式進行編輯，即1 d 1個倉進行自動投料，每倉開始投料的間隔時間為1 d加上潮差，即約24小時45分，比如，第1天第1倉開始投料的時間是上午7點，第2天第2倉開始投料的時間是上午7點45分，第3天第3倉開始投料的時間是上午8點30分，第4天第4倉開始投料的時間是上午9點15分，第5天是1個循環結束，待加滿飼料，重新開始循環重復上述過程。通過現場檢測，電動推桿及倉門等一系列動作精準到位、性能達到所設計要求。

2.2.2 儲料倉不同開口形狀的落料試驗

試驗用飼料采用廈門嘉康飼料有限公司生產的石斑魚沉性人工配合飼料，經檢測，部分牌號飼料的參數見表1。

表1 石斑魚沉性配合飼料參數表

表1中，真密度是指飼料的實際密度。堆積密度為疏充填堆積密度，是指把散粒材料或粉狀材料自由填充于某一容器中，在剛填充完成后所測得的單位體積質量。

儲料倉不同開口形狀的落料試驗用飼料為11#石斑魚沉性配合飼料，試驗用的儲料倉尺寸：600 mm×600 mm×600 mm，底面傾斜度約50°，容量為39.12 kg，如圖6所示。

試驗結果見表2。

表2 儲料倉不同開口形狀的試驗結果

表2中數值取平均值，由于現場無法對飼料進行標準松散充填，故儲料倉容量與計算得出的數值有偏差。從儲料倉不同開口形狀的落料試驗可見：梯形倉門的投餌能力變化不大；矩形倉門開口高度為140 mm的投餌能力是開口高度為70 mm的2倍左右，開口高度的變化對投餌能力效果明顯；三角形和倒三角形倉門無法落料，因此矩形更適合作為儲料倉門的開口形狀。

2.2.3 不同牌號顆粒飼料的陸地投餌適應性試驗

試驗用儲料倉為浮式自動投餌系統的投餌機儲料倉，試驗初期，儲料倉底面的傾斜度：29°，整體儲料倉容積：0.42 m3，整體儲料倉容量：268 kg(6#飼料)。經過試驗發現，存在由于底面傾斜度不夠及門側邊的死角導致飼料無法落料完全的現象，如圖7所示。

針對該問題，項目組優化儲料倉結構，通過計算和前期試驗，將儲料倉底面傾斜度提高至約50°較為適宜，倉門口仍為矩形：高90 mm×寬100 mm，此時整體容積：0.23 m3，整體容量：

164 kg(6#飼料)，雖然容積容量有所減少，但可使飼料落料完全，如圖8所示，后續可根據要求通過加高加寬儲料倉等措施調整容積。

此外由于投餌機底部出料口的截面積比倉門口的小，對飼料的落料速度產生影響，故加大出料口的截面積。

對優化后的投餌機開展不同牌號飼料的陸地投餌適應性試驗，試驗結果見表3。

表3 陸地投餌適應性試驗結果

表3中數值取平均值，由于現場無法對飼料進行標準松散充填，故每倉容量與計算得出的數值有偏差。引誘投餌能力是指投餌前期短暫、高頻率、小口徑地開啟倉門，用于吸引養殖對象過來攝食的單位時間飼料投放量，此時倉門開口尺寸：60 mm×100 mm。正常投餌能力是指養殖對象正常攝食狀態下的單位時間飼料投放量，此時倉門開口尺寸：90 mm×100 mm。

2.2.4 實況投餌程序初步試驗

根據試驗得到的數據，將整個投餌階段分為前期引誘投喂階段及后期正常投喂階段較為合理，以此編程并開展4個儲料倉4 d的全自動程序模擬實況投餌試驗，經過現場觀測及測量，投餌機能按照設定的程序準確完成。至于實況海上投餌的開始時間、投餌時間、間隔時間等參數可根據實際養殖對象品種、數量、規格等情況現場設定，從而實現在惡劣的天氣和海況條件下的自動投餌，是一種全天候的自動投餌系統。該系統可以用于將各種類型和各種大小的飼料顆粒投喂給不同品種的養殖對象(魚類)。

3 討論

本文所開發的新型浮式自動投餌系統，滿足灣外及深遠海域名優魚類養殖存活及生長要求，解決灣外及深遠海域因海況惡劣、路程遙遠導致無法保障餌料安全和及時供應及往返路程耗時長、燃油費用高等制約瓶頸，提高養殖生產效率、顯著降低養殖生產過程管理費用，提高灣外及深遠海域名優魚類養殖經濟效益，推動灣外及深遠海域名優魚類養殖產業化發展。

3.1 優點

1)由于該自動投餌機利用其自身的浮力，使其始終漂浮于海上，且無需與陸地進行電纜或管道連接，具有遠離陸地的離岸式功能；其自身采用鋼質材料全封閉結構，具有抵抗灣外海水及鹽霧腐蝕、強烈臺風、強風浪流等惡劣海況的性能；投餌機所需動力來源于其內置蓄電池組，投餌過程及非投餌時期能耗較低，如后期增加小型風能、太陽能或波浪能等能量收集裝置，可使其運行時間更長，避免更換蓄電池的麻煩；該投餌系統結構簡單，精密零件較少且不影響其精確的投餌性能，海上故障率低，避免受海上不確定因素的干擾和破壞。

2)作為養殖配套設施之一，投餌裝備應跟隨網箱養殖等養殖設施的發展而不斷發展，即需與養殖網箱的模式相匹配，才能具體解決實際投餌需求，而本自動投餌系統雖適用于灣外底層水域網箱的投餌機制，但是通過簡單的改造可將該系統進一步升級，根據用戶的實際需要對投餌系統進行擴展、修改和強化，同樣也適用于離岸較遠的大型深水網箱等養殖設施的投餌需求，擴大了其適用范圍，并且隨著開放性海域養殖設施數量的增加，養殖設施大型化、智能化、離岸深遠化的趨勢，可發展為以海上平臺為基礎由計算機控制的智能投餌系統，該系統完全可以為遠離陸地的多個養殖設施同時進行無人智能化投餌，進一步拓展養殖空間和領域。

3)該自動投餌系統可根據目標養殖海域的環境條件及養殖對象的生理狀態，通過PLC以及HMI，及時調整飼料的投放量、投放時間及投放頻率等參數，減輕了灣外養殖勞動強度，提高了飼料的利用率，降低了養殖成本，使灣外養殖效益最大化和整套養殖系統效率的最優化，提高了養殖產品的質量。

3.2 有待改進之處

文中自動投餌系統尚處于開發階段，屬于小型化的樣機雛形，儲料量較小，若要在該底層海域大型剛性網箱上使用，必須加大該投餌機的儲料量，或者將多套投餌機組合成系統，而且所開展的投餌試驗也只是初步小規模，還需進行水池及海上投餌試驗，增加和擴大試驗次數和范圍，為后續繼續優化提供基礎數據，因此距離實際投入生產應用還有許多問題需要深入研究解決，例如針對養殖設施的不同模式及養殖對象的不同種類、不同生長階段、不同數量等級等，其所需的飼料類型、大小、品質特性也隨之變化，從而導致飼料的運輸、儲存、輸送、投放等方式也隨之改變，與其配套的投餌系統的工作原理、結構形式、控制程序、實現方式等也需要進行修改和驗證；隨著不同投喂水域深度及養殖環境的變化，輸料管道、固泊設施等硬件配置也將隨之變化，二者之間的影響關系有待進一步試驗研究等等。

此外，由于養殖對象對餌料的需求規律、生長速度及其餌料轉化率都隨著現場水域環境和氣象條件(包括水溫、水質、鹽度、溶解氧濃度、流速、氣溫、光照強度和白晝的長度等)的改變而改變，而且也與飼料的品質和養殖對象的生理因素(如年齡、成熟度、性別、激素水平以及內源性的生長規律等)等密切相關[12-17]，而本文所開發的自動投餌系統未對目標海域環境因子及網箱中養殖對象進行時時詳細的監測和數據采集，且需在現場設置參數，因而其還只是屬于傳統的自動化投餌系統。因此，下一步的工作重點將增加遠程無線傳輸網絡技術，從而實現遠程控制操作，以及圍繞上述數據的收集、反饋和處理，結合本自動投餌系統進行綜合集成優化，并配套中央學習處理系統，使該自動投餌系統更具智能化、智慧化，進一步升級為投餌綜合管理系統，可根據收集到的數據進行處理并反饋到控制系統，通過“學習”能力自動調整投餌程序，以滿足飼料需求的任何變化，也可供養殖管理人員參考決策和遠程遙控，減少管理人員的勞動力。