深遠海養殖工船投飼系統設計

王志勇,鄒海生，張耀明,徐志強

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092)

深遠海養殖工船是深遠海養殖的一個發展方向，以深遠海大型游弋式工船為核心的養殖與漁業生產平臺，可集成養殖、繁育、捕撈、加工與物流保障等功能，優化養殖結構，拓展水產養殖空間。構建深遠海大型養殖工船艙養系統，實施集約化高效養殖，除需要大型工船作業平臺，還需要更加高效的作業裝備作為支撐，以及信息化系統作為保障，配套設施的完善對深遠海養殖的可行性與安全性至關重要[1-3]。由于工船規模化、集約化養殖，飼料投喂工作量和勞動強度大，需要適宜的自動投飼系統，才能滿足深遠海養殖工船管理[4-6]。

目前，國內外在自動化投飼系統方面已有很多研究，在池塘養殖、工廠化養殖和網箱養殖方面也有很多應用，但不同的養殖環境其投飼系統也不盡相同，同一基本構成模式下有不同具體形式[7-10]。

本研究圍繞深遠海養殖工船養殖模式，基于工船養殖環境和結構特點，采用正壓氣力輸送技術，以PLC為控制核心，氣動分配器選擇多艙投喂，結合工作傳感器進行遠程輸料和拋料控制。通過機械化的上料裝置和自動化投喂控制，實現艙養投飼自動化管理，滿足深遠海養殖工船養殖需求，進一步為深遠海養殖發展提供技術支撐。

1 工船投飼系統總體方案

1.1 工船投飼系統布置

養殖工船投喂流程：通過補給船吊運飼料至工船主甲板儲料倉，投喂前根據投飼需求通過吊裝、自動拆袋上料到自動投飼機料斗，經投飼機輸送管道輸送投喂至不同養殖艙[11-12]。根據養殖艙實際布置，系統設計采用低壓氣力輸送技術，設備集中式布置，通過料倉自動化上料、投飼機集中式遠程自動投喂，減少養殖投喂人工勞動強度，實現工船養殖投喂自動化管理，工船投飼系統設計包括拆包上料裝置和自動投飼裝置。

上料裝置位于主甲板上，由于海上環境潮濕，飼料采用噸袋包裝，更容易密封儲存，防止受潮發霉。自動投飼裝置位于主甲板以下養殖設備平臺，根據養殖工藝設置4套低壓氣送投飼機，圖1為單套投飼裝置結構布置圖，4套系統沿船中線對稱布置。

圖1 養殖工船投飼系統布置圖

投喂前通過電動卷揚機起吊袋料，拆包機破袋下料到投飼機料斗，投飼輸送分配裝置結構見圖2所示。飼料經過輸送分配裝置，在風壓作用下通過管道輸送到不同的養殖艙，每根輸料管末端設有撒料裝置，撒料裝置按程序設定依次工作，也可手動選擇，滿足養殖艙的投喂需求。整套投飼系統可以機旁控制和集中控制，通過集中控制室對投飼機進行遠程投飼操作，4套自動投飼機可同時并行進行各自的投喂作業[13-18]。

圖2 輸送分配裝置結構簡圖

1.2 養殖投飼策略

目前，該工船規劃養殖大黃魚，按照現在海區網箱養殖大黃魚模式的投喂策略，一般在早晚各投喂一次。雖然這種投喂方法有一定的優勢，但是如果在工船養殖中采用這種投喂策略，會在短時間內保證所有的魚達到飽食狀態，進而導致耗氧量急劇增加，勢必會使養殖艙承受很大的溶氧問題，此外，還會導致代謝物集中排放，引起水質劇烈變化[19-21]。為避免這些風險，綜合考慮大黃魚規格、攝食情況、飼料粒徑、投喂率等，工船養殖可采用表1投喂策略進行投飼量初步設計計算。

表1 工船養殖投喂策略表

2 系統主要結構設計

2.1 氣動分配器

該投飼系統采用集中式布置于工船中間位置，需要遠程將飼料由一點向多個養殖艙輸送，系統設計通過多路分配器來進行不同養殖艙的投飼選擇控制。大多數分配器采用電動機驅動溜管轉動，根據對應出料口接近開關信號轉動到不同的出料口，但是電驅動過程中分配器轉動存在一定誤差，轉管與分配盤上出料管口產生間隙而漏氣，影響輸送效果。該工船投飼分配器采用氣動控制設計，詳細結構如圖3所示。驅動組件包括氣缸、出料口光電開關和氣缸位置開關，氣缸采用一組水平導向氣缸和一組豎直導向氣缸組合，導向氣缸是將與活塞桿平行的兩根導桿與氣缸組成一體，防止發生回轉損壞氣缸，結構緊湊，能承受較大的橫向負載和力矩[22-23]。

圖3 投飼分配器結構

進料管固定連接在箱體前側，多根出料管固定連接于箱體另一側，溜管連通進料管的一端和出料管的一端。選擇出料口時，水平導向氣缸伸出，到位后豎直導向氣缸活塞桿推出，活塞桿末端撥片接觸轉盤上的銷柱后，水平導向氣缸縮回，通過轉盤上的銷柱撥動轉盤轉動，進而帶動溜管轉動與出料管依次連接。每個工位分配器均有4個通道，分配器內部4個通道均有4只光電開關一一對應，4只接近開關代表4個通道位置。由于水平導向氣缸行程固定，導向精度高，通過出料管口接近開關和氣缸上位置開關控制，溜管和轉盤可以準確轉動到指定出料管口，保證氣密封良好，輸送可靠。按下對應工位的啟動按鈕，分配器開始動作，分配器停止情況分為兩種：人工干預按下對應工位的停止按鈕；分配器通道到達預設位置，自動停止。

2.2 回轉撒料裝置設計

撒料裝置是投飼系統的終端輸出部分，由于養殖艙面積較大，養殖密度高，投喂盡量提高魚類攝食效率[24]。撒料裝置采用半回轉結構設計，由驅動電機、曲柄、回轉支撐、出料管、撒料管以及支架組成。支架固定于養殖艙內走道平臺一側，方便安裝和維護，如圖4所示。

圖4 投飼撒料裝置結構

系統投飼時，顆粒飼料在氣力作用下經輸送管進入出料管，驅動電機輸出軸通過曲柄結構帶動上面的撒料管往復擺動，擺動角度為120°，將顆粒飼料均勻噴灑在養殖艙內，噴灑面積類似于扇形分布。采用一定角度的噴灑可以使撒料盡量分散，擴大魚類攝食空間，同時飼料又不拋灑出養殖艙范圍，撒料裝置現場樣機如圖5所示。 撒料裝置減速機驅動輸入轉速1 350 r/min，減速比105∶1，輸出轉速12.8 r/min，輸出扭矩87 N·m。

圖5 撒料裝置樣機

3 投飼控制系統設計

3.1 系統構成

投飼系統控制核心基于總線技術構建，控制系統主要由中央控制柜、變頻下料電機、送風風機、投喂管道工況監視系統(管壓、風溫)、分配器電機等組成。中央控制柜是投飼機系統控制核心，主要完成4套投飼系統的投速設定、投喂控制及投喂管道風溫及管壓工況監視等。投喂數據管理及遠程控制信號交聯也由柜中工控機及其軟件系統實現[25-28]。

3.2 系統主要功能

投飼系統軟件應用MCGS組態軟件設計，運行效率高、界面友好高效。軟件功能除設計了投喂操控及工況監視界面模塊外，還設計了投喂數據記錄、報表出具、數據管理等功能模塊，旨在為投飼作業報告及追溯、投飼匯總等提供基本記錄查詢匯總功能，為漁業精細飼養評估評價提供數據支撐。

系統設有“遠程控制”和“機側控制”，控制柜機旁操作有兩種方式，一種是通過按鈕操作，一種是通過觸摸屏操作進入參數設置界面。選擇所有投飼系統及相應艙號，并根據實際需要進行投飼參數(投飼量、投喂速度、飼料容重)設置，設置完成后，點擊相應“開始投飼”按鈕，投飼機按照設定參數自動運行，直到所有養殖艙按照設定投飼完畢，投飼系統參數設置界面如圖6所示。

圖6 養殖工船投飼系統操作界面

系統主要功能如下：

投飼操作：根據養殖需要，選擇目標養殖艙，設置投飼量，完成飼料的風送和投喂操作。

投喂速度設定：對于不同飼料及投喂模式需要，通過下料電機變頻調速，設定下料器不同轉速，可以控制投飼下料速度。

工控監視：通過壓力傳感器和溫度傳感器，實時監測風機出口壓力和送風溫度數據，壓力過大時控制下料速度，保證投飼系統輸送安全。

數據記錄及報表：記錄當前投喂重量、投喂時間，投喂作業報告出具。

歷史數據：歷史投喂數據檢索、匯總及查看。

遠程控制：集控室遠程投喂作業及投飼系統基本運行參數監視。

4 系統試驗及分析

工船投飼系統根據養殖艙結構特點采用集中式布置，每個養殖艙輸送距離不同，其輸送距離最大長度為85 m，輸送管內徑φ80 mm，投飼系統樣機如圖7所示。

圖7 工船投飼系統樣機

試驗采用8 mm圓形魚用顆粒飼料，下料器采用變頻式容積控制，容積為5.0 L/r，初始試驗時系統設置下料速度恒定，下料轉速為17 r/min。氣源采用羅茨風機，在風壓變化較大時風量變化較小，風機出口風量基本恒定，而壓力會根據輸送距離和下料速度不同而變化。系統在風機出口設置壓力傳感器，壓力報警值設定為46 kPa，當風機出口壓力超過設定值時，控制系統調節下料電機減速，減少下料，防止管道堵塞，直至壓力恢復正常范圍，當出口壓力長時間處于高值時，需要停機檢查。

試驗結果如表2所示，該自動投飼系統平均投飼量為2 400 kg/h，拋料距離為6～16 m。根據試驗結果，當輸送風量恒定時，隨著輸送距離增加，其末端拋料距離減小，風機出口壓力也隨輸送距離增大而增大。由于養殖艙投飼范圍有限，撒料裝置與艙壁最小距離為10 m，為保證拋料距離適合養殖艙規格，減少飼料浪費，在艙1、艙2近距離輸送時系統自動控制開啟風機旁通閥，通過控制閥口開度大小，調整風機輸出風量。調節風量后，艙1、艙2拋料距離分別為9 m和7.5 m，撒料往復擺動，能在水面120°范圍內扇形拋撒，此時，撒料口出料連續，風機出口壓力保持基本恒定，撒料均勻正常。

表2 投飼系統測試結果

該投飼系統設計輸送量為2 000 kg/h以上，試驗結果表明系統輸送量和輸送距離能夠滿足設計要求。在設計氣力輸送裝置時，主要通過輸送量、混合比、輸送用空氣量及阻力損失的設計和計算，從而確定氣源裝置的壓力和流量以及電動機功率。該工船投飼系統輸送量不變情況下，需要滿足不同距離的飼料輸送，由于管道越長阻力越大，出口拋料距離越小，需要調節風量來控制拋料距離，系統通過風機出口旁通閥開啟大小調節風量，相比通過風機電機變頻調速來控制風量更簡便和節省成本。氣力輸送是一項綜合性技術，設計時需要綜合考慮各種參數，在滿足輸送量要求前提下，要求安全性和實用性，在此基礎上充分發揮氣力輸送的優點，以利于提高生產效率[29-30]。

5 結論

深遠海養殖工船投飼系統通過氣動分配器進行多支路選擇控制，導向氣缸精準定位，輸送末端出料管往復擺動，實現多養殖水艙獨立投喂，撒料面積均勻；投飼系統采用PLC結合傳感器進行投喂控制，人機界面操作，實時監測輸送管道壓力，當壓力超出預警值時，系統通過變頻電機控制下料速度，調節風機出口風量，保證合理撒料距離，滿足養殖艙魚類攝食空間。

深遠海養殖工船自動投飼系統針對大型養殖設施特點，通過集中供料、自動投喂、智能監測、跟蹤記錄，基本滿足工船養殖模式投喂需求，保障深遠海魚類養殖的安全性。該工船投飼系統雖然實現了投喂的自動化，但在智能化程度上有所欠缺，需要與水質參數包括溫度、pH和溶氧等關鍵監測數據結合起來，智能控制艙養投飼，總結養殖魚類的適合投喂數據，以提高深遠海大型設施養殖投喂科學化管理，實現工業化高效養殖。