池塘養(yǎng)殖全自動精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

唐 榮，沈 逸，許 鵬，楊家朋，劉亞兵，劉興國※

（1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，上海 200092； 2. 光明漁業(yè)有限公司，鹽城 224153；3. 中山市誠一漁業(yè)設(shè)備科技有限公司，中山 528441）

0 引言

中國是世界第一大水產(chǎn)養(yǎng)殖國，是世界上唯一養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家[1]。池塘養(yǎng)殖是國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要生產(chǎn)方式之一[2-3]。根據(jù)漁業(yè)部門統(tǒng)計，2019年中國池塘養(yǎng)殖面積超過300萬hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量超過2 480萬t[4]。飼料是水產(chǎn)養(yǎng)殖主要的投入品, 大部分的魚、蝦養(yǎng)殖都使用配合飼料。與養(yǎng)殖規(guī)模相對應(yīng)，中國也是世界上最大的水產(chǎn)飼料生產(chǎn)國，2019年全國水產(chǎn)飼料總產(chǎn)量達(dá)2 202.9萬t[5]。飼料占用了大量的種植資源和海洋蛋白資源，也是池塘養(yǎng)殖中最大的成本要素。集約化養(yǎng)殖中飼料成本一般占養(yǎng)殖總成本的50%～80%[6]。養(yǎng)殖管理的重要內(nèi)容之一是合理的投飼管控，從而減少飼料浪費，降低殘餌導(dǎo)致水質(zhì)惡化的可能[7-9]。同時，投飼作業(yè)也是池塘養(yǎng)殖中勞動量最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。在農(nóng)業(yè)人口不斷減少、老齡化日趨嚴(yán)重的情況下，養(yǎng)殖勞動力短缺問題逐漸顯現(xiàn)[10]。近年來“無人漁場”概念逐漸受到重視。無人漁場是指在沒有任何人進入漁場的情況下，由設(shè)施、裝備、機械、機器人完成從巡檢、增氧、投餌、日常管理直至收獲的作業(yè)模式[11]。傳統(tǒng)養(yǎng)殖投飼雖然通過小型投飼機實現(xiàn)了飼料的機械化投撒，但飼料的裝卸和料倉加料幾乎完全依賴人工搬運，包括從運輸車到飼料倉庫和從倉庫到投飼機料倉的2次搬運。按照單位產(chǎn)量15 000 kg/hm2、日投飼率2%計算，1人管理10 hm2池塘，在養(yǎng)殖高峰期每天需要搬運3 000 kg飼料，勞動強度極大，養(yǎng)殖用工成本不斷升高。另一方面，目前常見的小型機械式投飼機由于缺少稱量功能，無法測量每次投飼作業(yè)所投放的飼料數(shù)量。管理者只能根據(jù)投飼時間來粗略估算投飼量[12]。投飼速度因飼料規(guī)格和密度不同而變化，導(dǎo)致投飼量難以準(zhǔn)確估算，管理者無法精確統(tǒng)計每個池塘每天的實際投飼量。同時，由于傳統(tǒng)投飼機自動化程度低、設(shè)備單機運行，每次投飼作業(yè)時只能依次巡塘，人工現(xiàn)場操作投飼機。規(guī)模化養(yǎng)殖場面臨著大量設(shè)備無法同步控制和集中管理的難題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，市場上出現(xiàn)了基于云平臺和手機的管控系統(tǒng)，但由于投飼機本身功能非常有限，這類系統(tǒng)一般只能簡單地控制電源通斷來實現(xiàn)投飼機遠(yuǎn)程啟停控制，難以實現(xiàn)真正的自動化控制。設(shè)備運行狀態(tài)、投飼量、料倉剩余飼料量等生產(chǎn)信息無法實時獲取，只能依靠人工巡檢上報，難以保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和及時性，導(dǎo)致生產(chǎn)管理粗放，管理者難以準(zhǔn)確掌握每個池塘的投飼作業(yè)情況，容易出現(xiàn)料倉缺料導(dǎo)致投喂不足或者設(shè)備不及時停機導(dǎo)致過量投喂等問題。國內(nèi)外一些學(xué)者針對池塘養(yǎng)殖投飼開展了稱量、精準(zhǔn)控制等方面的研究工作[13-15]，但多數(shù)停留在技術(shù)研究階段，很少形成成套設(shè)備和系統(tǒng)投入實際應(yīng)用。基于此，本文設(shè)計開發(fā)了一套完整的自動投飼系統(tǒng)，包括全程機械化作業(yè)的全自動投飼機、自動控制系統(tǒng)及信息化管理系統(tǒng)，并在某大型養(yǎng)殖企業(yè)的規(guī)模化池塘養(yǎng)殖基地投入生產(chǎn)應(yīng)用，驗證規(guī)模化養(yǎng)殖條件下全程機械化投飼作業(yè)和集約化精準(zhǔn)管控的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體方案

1.1.1 現(xiàn)場條件

本文設(shè)計的投飼系統(tǒng)基于江蘇某大型養(yǎng)殖基地，總面積800 hm2，水面面積548.3 hm2，分為5個區(qū)，共90個池塘。每2個池塘間的塘埂上建有配電柜、視頻監(jiān)控設(shè)備和光纖網(wǎng)絡(luò)。公司機房部署有養(yǎng)殖生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。基地內(nèi)主干道為6.5 m寬的瀝青路面，次干道為5 m寬的水泥路面，輔助道路為5 m寬的砂石路面，滿足大型散裝車通行需要。池塘全部完成標(biāo)準(zhǔn)化改造，單塘面積5.3～6.8 hm2，寬度為109 m，長度為485～626 m。池塘四周護坡，進排水系統(tǒng)分離，道路、供電等基礎(chǔ)設(shè)施完善。目前養(yǎng)殖生產(chǎn)還是傳統(tǒng)的管理模式，需要大量勞動力投入，尤其在投飼方面仍然依靠人工作業(yè)、手動操作的方式，需要采用自動化投飼設(shè)備和技術(shù)來改變生產(chǎn)方式。

1.1.2 系統(tǒng)功能需求

1）全程機械化作業(yè)：為了解決養(yǎng)殖投飼勞動力短缺問題，需要實現(xiàn)投飼全程機械化作業(yè)，飼料出廠、運輸、裝料、投喂等環(huán)節(jié)全部使用機械設(shè)備取代人工作業(yè)。

2）精準(zhǔn)稱量：為了實現(xiàn)精準(zhǔn)投飼，必須精確測量每次作業(yè)的投飼量，因此系統(tǒng)需要具備稱量功能，能夠準(zhǔn)確測量每次投放的飼料質(zhì)量和剩余飼料質(zhì)量，稱量相對誤差不超過0.5%。

3）自動化控制：為了避免頻繁到池塘現(xiàn)場操作投飼機而增加工作量，需要實現(xiàn)投飼機的自動化運行控制，能夠根據(jù)設(shè)定的時間自動控制投飼機定時啟動，投飼過程中實時監(jiān)測飼料投放量并在達(dá)到預(yù)定投飼量后自動停機，從而精確控制每次實際投放的飼料量。在不修改作業(yè)參數(shù)的情況下能夠每天按照預(yù)定的時間、頻次和投飼量自動運行，全程不需要人工操作。

4）數(shù)字化集成管理：在精準(zhǔn)稱量和自動化控制基礎(chǔ)上，系統(tǒng)要能夠?qū)崟r獲取投飼機運行狀態(tài)、已投喂飼料量、剩余飼料量等信息，全部通過軟件進行集中管理和分析，為合理安排養(yǎng)殖生產(chǎn)計劃提供及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。同時實現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控和全場投飼作業(yè)集約化管理。

1.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求和規(guī)模化養(yǎng)殖場生產(chǎn)管理特點，本文設(shè)計的全自動精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)采用“現(xiàn)場設(shè)備——本地控制——遠(yuǎn)程管理”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。現(xiàn)場設(shè)備是指在池塘邊執(zhí)行自動投飼作業(yè)的裝置，主要包括投飼機和控制柜。每臺投飼機配套1個自動控制柜，通過控制柜內(nèi)的控制器實現(xiàn)自動喂料、拋料等工作，操作方式簡單、方便，并可以設(shè)置投飼量、投飼時間等參數(shù)以實現(xiàn)全自動運行。同時，控制器通過有線/無線通信方式與養(yǎng)殖場本地控制中心的監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)和指令交互傳輸，通過控制中心計算機軟件進行投飼參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)對養(yǎng)殖場全部池塘投飼機的集中監(jiān)控。控制中心通過網(wǎng)絡(luò)接入管理平臺，該管理平臺可以部署在公有云或企業(yè)機房的服務(wù)器上。平臺通過信息化管理軟件系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、采集投飼數(shù)據(jù)、管理投飼作業(yè)，實現(xiàn)所有養(yǎng)殖場統(tǒng)一管理。用戶通過計算機和智能手機等終端接入管理平臺，進行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

1.2 投飼機

1.2.1 大容量料倉

傳統(tǒng)投飼方式采用小型投飼機和袋裝飼料，受料倉容量和現(xiàn)場條件限制，需要人工搬運、加裝飼料，無法做到完全機械化作業(yè)[16]。因此，實現(xiàn)全程機械化投飼作業(yè)的關(guān)鍵在于使用散裝飼料代替袋裝飼料。本文設(shè)計了具備大容量料倉的投飼機。由于散裝飼料車不能隨時送料，因此投飼機料倉需要較大的容量。根據(jù)養(yǎng)殖生產(chǎn)需要，投飼機裝滿飼料后最少須滿足1個池塘2 d的飼料量，料倉容積計算公式為

式中Vs為料倉容積，m3；t為池塘存魚密度，kg/hm2；s為池塘面積，hm2；k為投飼率，%；ρ為飼料堆積密度，kg/m3。根據(jù)示范基地養(yǎng)殖模式，投飼高峰期存魚密度取t=22 500 kg/hm2；池塘面積為5.3～6.8 hm2，取最大值s=6.8 hm2；投飼率取k=2%；該養(yǎng)殖場主要使用沉性顆粒飼料，其堆積密度一般為600～700 kg/m3，取中間值ρ=650 kg/m3，代入式（1）可得Vs=9.4 m3，考慮余量，料倉容積定為10 m3。倉體由3根立柱支撐，如圖2所示。料倉頂部設(shè)有加料口，用于對接散裝車的送料機構(gòu)。加料口設(shè)有防雨蓋以避免雨水進入料倉。料分采用玻璃鋼材料制作，為了減低玻璃鋼模具尺寸、加工難度，倉體設(shè)計為2個沿垂直剖面對稱的半倉結(jié)構(gòu)體拼接而成。料倉上部為錐體，中部為圓柱體，下部為倒錐體，高度3.9 m，包含出料斗在內(nèi)總高度5.3 m，最大直徑2.2 m。為了避免飼料在內(nèi)壁結(jié)拱堆積，料倉下部倒錐體采用大傾角結(jié)構(gòu)，倉壁與垂線的夾角為21°，如圖3所示。

1.2.2 下料裝置

投飼機作業(yè)時，飼料首先通過料倉底部的下料裝置進入輸料管。常用的下料裝置主要分為螺旋式卸料器和星形式卸料器，后者的密封性和精度更好，因此本文選擇星形卸料器。投飼機的最大投飼速度取決于卸料器的最大卸料速度，其計算公式為[17]

式中G為最大卸料速度，kg/h；v1為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)容積，L/r；ω為卸料器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；μ為轉(zhuǎn)子的容積效率，%；ε為修正系數(shù)。

卸料器入口尺寸需要與料倉底部出口一致，直徑為100 mm，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)容積v1=2 L/r，容積效率取μ=80%，修正系數(shù)值ε=0.8。對于面積為6.7 hm2的池塘，養(yǎng)殖場投飼管理要求最大投飼速度達(dá)到800 kg/h，因此要求卸料器的最大卸料速度G=800 kg/h，代入式（2）可得卸料器最大轉(zhuǎn)速為16 r/min。為了避免卸料器長時間在最大負(fù)荷條件下運行，轉(zhuǎn)速增加50%余量，即為ω=24 r/min。

1.2.3 輸送裝置

投飼機常用的投料方式主要分為離心拋灑和氣力輸送[18]。采用散裝飼料的投飼機需要專業(yè)的散裝車配送飼料，因而必須安裝在通行條件良好的大路邊，一般距離池塘投飼區(qū)較遠(yuǎn)。因此，本文設(shè)計了基于正壓風(fēng)送的遠(yuǎn)距離輸送投料機構(gòu)。氣力輸送是目前國內(nèi)外大型投飼系統(tǒng)普遍采用的一種輸送方式，飼料進入輸料管后借助風(fēng)機產(chǎn)生的氣流實現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送[19]。輸送裝置使用羅茨風(fēng)機，所需風(fēng)量計算公式為[20]

式中Q0為輸送系統(tǒng)的計算風(fēng)量，m3/h；G為最大投飼速度，也即卸料器的最大卸料速度，800 kg/h；m為料氣比，根據(jù)經(jīng)驗取值5；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，取1.2 kg/m3[21]。將上述參數(shù)值代入式（3）得到Q0=133.33 m3/h。為了應(yīng)對現(xiàn)場特殊情況以及管道接頭漏氣，風(fēng)量計算需要保留較大的余量系數(shù)，本文取1.5，因此所需風(fēng)量最小值為200 m3/h。

1.3 控制系統(tǒng)

1.3.1 精準(zhǔn)投飼控制方法

現(xiàn)有的精準(zhǔn)投飼設(shè)備一般計量飼料體積，再根據(jù)飼料堆積密度計算飼料質(zhì)量。但養(yǎng)殖過程中會使用不同種類及規(guī)格的飼料，而不同成分、不同粒徑規(guī)格的飼料堆積密度也會不同[22-25]。

為了精準(zhǔn)控制投飼量，本文設(shè)計的投飼系統(tǒng)采用稱量方式實時測量投飼機料倉內(nèi)的飼料質(zhì)量。3個稱重傳感器分別安裝在3根料倉支撐柱的底部。卸料器出口和輸料管之間是柔性連接，因此傳感器上承受的質(zhì)量包括支撐柱、料倉、卸料器等機械結(jié)構(gòu)和料倉內(nèi)的飼料，計算公式為

式中Q為傳感器測量的總質(zhì)量，kg；Q1為機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，kg；Q2為料倉內(nèi)飼料質(zhì)量，kg。傳感器測量的總質(zhì)量Q減去機械結(jié)構(gòu)的固定質(zhì)量Q1即可得到料倉內(nèi)的飼料質(zhì)量Q2。

為了確定稱重傳感器的量程，需要計算最大飼料質(zhì)量，計算公式為

式中vmax為飼料體積最大值，m3。飼料體積最大值即為料倉容積，即vmax=Vs= 10 m3。將vmax=10 m3和ρ=650 kg/m3代入式（5）得到最大飼料質(zhì)量為Q2max=6 500 kg。根據(jù)設(shè)備選型和試制結(jié)果，機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Q1=980 kg。將Q1和Q2max代入式（4）得到傳感器最大承受質(zhì)量為7 480 kg，考慮安全余量，最大稱量范圍確定為9 000 kg，每個傳感器的稱量范圍為3 000 kg。

1.3.2 控制電路

投飼機通過現(xiàn)場控制柜內(nèi)的電路進行控制操作。本文設(shè)計的投飼機結(jié)構(gòu)簡潔，執(zhí)行部件只限于卸料器、風(fēng)機和拋料器，自動投飼作業(yè)時只需要控制三者的驅(qū)動電機，同時采集稱重傳感器的測量結(jié)果來監(jiān)測飼料量變化。控制電路包含控制器、通信模塊、觸控屏、變頻器及接觸器等電氣元件，如圖4所示。控制器是控制電路的核心。由于卸料器、風(fēng)機和拋料器的啟停運轉(zhuǎn)存在先后邏輯，本文采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），適合多設(shè)備聯(lián)動的邏輯控制，功能強大、可靠性高[26-30]。通信模塊、觸控屏和變頻器通過RS485總線與PLC連接，遵循Modbus通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)。稱重傳感器信號通過配套的變送模塊接入PLC。觸控屏自帶圖形化監(jiān)控軟件，用于在現(xiàn)場設(shè)置PLC運行參數(shù)。PLC通過通信模塊與控制中心上位機通信，可以接收來自上位機軟件的參數(shù)設(shè)置和控制操作，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程投飼管控。不同面積和養(yǎng)殖密度條件下魚群進食速度差別較大，因此要求投飼速度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。PLC通過變頻器調(diào)節(jié)卸料器電機的轉(zhuǎn)速以控制飼料下落速度，從而改變投飼速度。通過接觸器控制風(fēng)機電機和拋料器電機的啟停以控制飼料輸送和拋灑。PLC根據(jù)預(yù)先編制的程序和運行參數(shù)來控制執(zhí)行部件運行。

1.3.3 PLC控制邏輯

PLC上電啟動后默認(rèn)進入投飼模式，程序從寄存器加載預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，包括投飼啟動時間、投飼量、投飼速度，然后連續(xù)采集稱重傳感器輸出信號以監(jiān)測剩余飼料量。當(dāng)系統(tǒng)時間到達(dá)設(shè)定的投飼時間或接收到投飼命令后啟動投飼。啟動投飼的步驟如下：首先開啟風(fēng)機和拋料器，利用氣流排出輸料管內(nèi)可能存在的積水或雜物，10 s后再開啟卸料器開始投放飼料。當(dāng)監(jiān)測到剩余飼料量減少至初始飼料量和設(shè)定投飼量之差時停止投飼。停止投飼的步驟如下：首先關(guān)閉卸料器停止投放飼料，風(fēng)機和拋料器繼續(xù)運轉(zhuǎn)10 s后再關(guān)閉，避免飼料積存在輸料管內(nèi)。由于每天可能有多次投飼任務(wù)，因此當(dāng)次投飼任務(wù)完成后，程序判斷是否已完成設(shè)定的投飼任務(wù)次數(shù)。如果已完成則結(jié)束當(dāng)天投飼作業(yè)，否則等待執(zhí)行下一次投飼任務(wù)。PLC投飼程序流程如圖5所示。

料倉加料時，在觸控屏界面上點擊“開始加料”按鈕，PLC進入加料模式，將當(dāng)前剩余飼料量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。散裝車輸料機構(gòu)從料倉頂部加入飼料，完成后點擊觸控屏“結(jié)束加料”按鈕，PLC再次將當(dāng)前剩余飼料量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。上位機軟件根據(jù)前后兩條數(shù)據(jù)統(tǒng)計本次加料量。

1.3.4 本地控制中心

本地控制中心一般設(shè)在養(yǎng)殖場管理值班房，用于集中控制投飼機運行，包括網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、無線通信模塊、工控機、監(jiān)控軟件、顯示器及不間斷電源（Uninterrupted Power Supply, UPS）等輔助設(shè)備，如圖6所示。管理人員在控制中心即可管控全場投飼作業(yè)過程，實現(xiàn)集約化管理，避免到每個池塘現(xiàn)場去操作設(shè)備，從而減少工作量，提高管理效率。控制中心的核心在于監(jiān)控軟件，借助通信網(wǎng)絡(luò)與全場所有投飼機控制柜的PLC通信，實現(xiàn)投飼機集中控制、投飼參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、投飼作業(yè)數(shù)據(jù)采集等功能，為養(yǎng)殖場管理者提供集成化投飼管控工具，主要功能包括：

1）集中控制：通過軟件設(shè)備控制界面操控所有投飼機的啟停，集中管控全場投飼作業(yè)；

2）參數(shù)設(shè)置：通過軟件設(shè)置界面對PLC運行參數(shù)進行設(shè)置，包括每天投飼次數(shù)、每次投飼的開始時間、投飼速度和投飼量。可以單獨對每臺投飼機進行設(shè)置或批量設(shè)置多臺投飼機參數(shù)。

3）狀態(tài)監(jiān)測：通過讀取PLC相應(yīng)寄存器監(jiān)測卸料器、風(fēng)機和拋料器的運行狀態(tài)，出現(xiàn)異常時報警。

4）數(shù)據(jù)記錄：通過讀取PLC相應(yīng)寄存器采集料倉剩余飼料質(zhì)量、投飼開始時間、投飼結(jié)束時間、每次投飼量、加料量等投飼作業(yè)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計累計投飼量。

5）數(shù)據(jù)交互：對管理平臺開放數(shù)據(jù)接口，提供全部設(shè)置參數(shù)和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)。

1.4 養(yǎng)殖信息管理平臺

養(yǎng)殖信息管理平臺是以數(shù)據(jù)庫為后臺，基于企業(yè)生產(chǎn)管理流程開發(fā)的信息管理軟件系統(tǒng)，用于企業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)全過程管理，涵蓋苗種投放、飼料投喂、水質(zhì)調(diào)控、病害防治、物資采購、成品銷售等環(huán)節(jié)[31]。系統(tǒng)部署在企業(yè)機房服務(wù)器上，支持計算機瀏覽器、智能手機等終端接入方式，用于單個養(yǎng)殖場及公司層面管理多個養(yǎng)殖場的生產(chǎn)過程信息管理。在本文設(shè)計的投飼系統(tǒng)中，本地控制中心的監(jiān)控軟件上傳投飼機設(shè)備信息和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)至管理平臺，將投飼管理融入企業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理體系。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)布局

由于養(yǎng)殖基地5個區(qū)的平均規(guī)模達(dá)到160 hm2，且日常養(yǎng)殖生產(chǎn)管理分別由不同的管理員負(fù)責(zé)，因此可以將每個區(qū)視為獨立的養(yǎng)殖場，分別設(shè)置本地控制中心。由于單個池塘面積和投飼需求量大，每個池塘需要1臺投飼機及配套的控制柜。整個投飼系統(tǒng)包含90臺投飼機、90個控制柜、5個分區(qū)控制中心。所有設(shè)備信息和投飼作業(yè)數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)接入企業(yè)信息化管理平臺。為了最大限度利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施并便于日常管理，在相鄰2個池塘間的塘埂上安裝2組投飼機及控制柜，分別對應(yīng)塘埂兩側(cè)的池塘，設(shè)備布局如圖7所示。為了便于設(shè)備維護并有效利用池塘現(xiàn)場的光纖線路和視頻監(jiān)控設(shè)備，投飼機及控制柜統(tǒng)一安裝在塘埂中間的監(jiān)控立桿附近。控制柜通過光纖網(wǎng)絡(luò)與本地控制中心通信。

2.2 投飼機

投飼機料倉的2個半倉玻璃鋼結(jié)構(gòu)通過螺栓拼接固定，拼接處用防水膠密封以防止雨水滲入。支撐柱采用鍍鋅鋼管。安裝前先用混凝土澆筑地基并預(yù)埋螺栓。安裝時先將稱重傳感器支架固定在螺栓上，再通過法蘭片將支撐柱底部與傳感器支架頂部連接固定。卸料器、風(fēng)機和拋料器3個執(zhí)行部件的電機均采用三相異步電機。卸料器轉(zhuǎn)速24 r/min，電機功率0.5 kW。風(fēng)機風(fēng)量265 m3/h，功率2.2 kW。風(fēng)機通過支架固定在混凝土地基上。卸料器出口通過軟管與風(fēng)機出口和輸料管連接。輸料管采用直徑50 mm的PE管，長度70 m，沿水面鋪設(shè)至池塘中間位置并與拋料器連接，如圖8所示。在輸料管盡頭設(shè)有旋轉(zhuǎn)式全向拋料器。拋料器選擇目前市場通用產(chǎn)品，電機功率1.1 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min，能夠?qū)崿F(xiàn)360°投撒，覆蓋直徑可達(dá)40 m。通過擴大投喂范圍可以避免攝食魚群過度擁擠，保證均勻采食，提高飼料利用率。

2.3 電控部分

可編程邏輯控制器選擇DELTA的DVP-SA2系列PLC，控制程序采用專用編程軟件WPLSoft V2.49開發(fā)。稱重傳感器選用柯力的SQB-3T，單個量程3000 kg，精度等級為C3，信號變送模型配套選用DELTA的DVP201LC。觸控屏采用DOP-107BV。

2.4 監(jiān)控軟件

控制中心監(jiān)控軟件采用Java編程語言，在Eclipse 4.8.0環(huán)境下開發(fā)，包括通信接口、數(shù)據(jù)記錄、狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置等功能模塊。軟件可以為每臺投飼機設(shè)置每天4次投飼任務(wù)，如圖9所示。

2.5 管理系統(tǒng)對接

由于企業(yè)已經(jīng)部署了養(yǎng)殖生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，因此不需要專門開發(fā)管理平臺，各區(qū)控制中心監(jiān)控軟件與現(xiàn)有的管理系統(tǒng)通過 RESTful（Representational State Transfer）風(fēng)格的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）進行數(shù)據(jù)交互，可以實現(xiàn)高速雙向數(shù)據(jù)傳遞并支持加密功能[32-33]，從而將投飼管控與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理集成一體。同時，管理系統(tǒng)集成的視頻監(jiān)控可以提供投飼過程的實時動態(tài)畫面。管理者通過網(wǎng)頁瀏覽器或智能手機接入平臺進行管理操作。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 全程機械化作業(yè)試驗

實現(xiàn)投飼過程的全程機械化是本系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一。投飼機完成安裝后首先進行機械化作業(yè)的試驗，目標(biāo)是全程不使用人工體力作業(yè)。試驗過程如下：

1）散裝車在飼料廠裝載飼料，通過專用機械裝置將飼料從倉庫輸送至車載倉內(nèi)，該過程只需操控電控系統(tǒng)按鈕，無需體力搬運作業(yè)。

2）散裝車到達(dá)池塘現(xiàn)場后，工人拉動繩索打開投飼機料倉頂部的防雨蓋，通過按鈕操作控制投飼機進入加料模式。散裝車駕駛員通過操控按鈕控制車載輸送裝置自動將飼料從頂部加入料倉，20 min完成裝料作業(yè)。加料完成后再次拉動繩索關(guān)閉料倉防雨蓋，操控投飼機控制柜按鈕退出加料模式。加料過程只需操控料倉防雨蓋和相關(guān)電控按鈕，無需體力搬運作業(yè)。

3）投喂飼料時，工人和管理者通過控制柜上的按鈕或手機軟件啟動投飼機，設(shè)備開始自動投喂飼料，完成設(shè)定的投飼量后自動停止。該過程無需體力搬運作業(yè)。

試驗表明，從飼料裝車出廠、運輸、料倉加料和投喂，整個過程無需人工搬運等體力作業(yè)，實現(xiàn)了全程機械化，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

3.2 稱量校準(zhǔn)

為了保證精確控制投飼量，本文采用C3等級的稱重傳感器，標(biāo)稱精度為量程的1/3 000，但由于系統(tǒng)誤差和自然風(fēng)造成的設(shè)備振動，實際稱量誤差會高于該數(shù)值。為了達(dá)到稱量相對誤差≤0.5%的指標(biāo)要求，投飼機安裝后對稱量裝置進行校準(zhǔn)。首先調(diào)整3個稱重傳感器的水平位置，使其輸出信號值一致，達(dá)到均衡承載狀態(tài)；然后將5 t飼料加入投飼機料倉作為參照標(biāo)準(zhǔn)值，待控制柜觸控屏讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“校準(zhǔn)”按鈕進行自動校準(zhǔn)。校準(zhǔn)共重復(fù)3次。結(jié)果顯示稱量相對誤差最小值為0.16%，最大值為0.42%，滿足設(shè)計要求。

3.3 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)功能調(diào)試包括現(xiàn)場觸控屏上參數(shù)設(shè)置與啟停控制、控制中心監(jiān)控軟件上參數(shù)設(shè)置與啟停控制以及管理系統(tǒng)上參數(shù)設(shè)置與啟停控制。參數(shù)包括每天4次投飼任務(wù)的開始時間、每次投喂的飼料質(zhì)量和投飼速度。測試結(jié)果表明，3個層級的控制同步性良好，在任一終端修改參數(shù)后其他終端界面都會更新顯示，投飼機會按照最近一次的配置參數(shù)自動運行。現(xiàn)場控制柜按鈕與觸控屏手動控制投飼機啟停的延時不超過0.5 s，監(jiān)控軟件和管理系統(tǒng)上控制延時不超過1 s，滿足生產(chǎn)管控要求。

3.4 成本分析

基于使用散裝飼料的全自動投飼機，本系統(tǒng)實現(xiàn)了飼料出廠、裝運、加料、投喂的全程機械化，大幅度降低勞動力成本。按照原先每2個池塘1名養(yǎng)殖工人的人員配置計算，示范基地5個養(yǎng)殖區(qū)共90個池塘，需要45名工人，人員工資成本按照5萬元/a計算，年工資總額為225萬元。應(yīng)用該投飼系統(tǒng)后，1名養(yǎng)殖工人可以管理10個池塘，工人數(shù)量可以減少至9人，年工資總額降至45萬元。為了保障系統(tǒng)正常運行，需要增加設(shè)備管理人員1名，工資成本20萬元/a。經(jīng)測算，每年節(jié)省工資成本160萬元，勞動力成本降低70%以上。根據(jù)示范基地數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)可以減少過量投喂造成的浪費，飼料量節(jié)約2%。同時，傳統(tǒng)投飼方式使用袋裝飼料，貯存時易發(fā)生鼠害，人工加料時經(jīng)常出現(xiàn)飼料灑落浪費，造成約1%的飼料損耗。按照每年24 t/hm2的單位面積投飼量計算，示范基地548.3 hm2水面每年需要投入飼料1.3萬t，使用該投飼系統(tǒng)后每年合計可節(jié)約飼料3%，按照5 000元/t計算，每年節(jié)約飼料成本195萬元。同時，使用散裝飼料可以節(jié)省飼料包裝費用。按照示范基地每年1.3萬t飼料用量、每噸飼料包裝費用60元計算，每年可節(jié)約飼料包裝費用78萬元。綜合測算，使用本文設(shè)計的精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)每年可以為示范基地節(jié)省養(yǎng)殖成本總計433萬元。系統(tǒng)建設(shè)新增投資約600萬元，2 a即可收回建設(shè)成本。

4 結(jié) 論

1）本文針對規(guī)模化池塘養(yǎng)殖投飼管控需要設(shè)計構(gòu)建了一種全自動精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)并在示范基地投入使用，覆蓋90個池塘共548.3 hm2水面。采用大料倉投飼機和散裝飼料實現(xiàn)全程機械化投飼作業(yè)；通過控制中心和信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程管理，降低勞動力成本，實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)集約化管控。

2）基于稱重傳感器的實時測量和PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動化精準(zhǔn)投飼控制。借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理者可以遠(yuǎn)程觀察各個池塘投飼時魚群攝食情況，發(fā)現(xiàn)攝食異常情況時能夠及時通過監(jiān)控軟件或智能手機遠(yuǎn)程控制投飼機停止投飼作業(yè)，從而減少飼料浪費。

隨著農(nóng)村人口不斷向城市轉(zhuǎn)移，養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化發(fā)展與勞動力短缺的矛盾越來越突出，機械化裝備和智能化技術(shù)已成為迫切需求。本系統(tǒng)的應(yīng)用證明了自動投飼設(shè)備及精準(zhǔn)控制技術(shù)的實際應(yīng)用價值，可以在池塘養(yǎng)殖中大規(guī)模推廣，推動水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。