10萬噸級養殖工船投飼控制系統設計

董曉妮，王志勇，徐志強，湯濤林

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

近年來，隨著我國對海產品需求的逐年增加以及海洋捕撈資源的逐年減少，海水養殖逐漸成為提供海產品的重要來源[1]，甚至海水養殖產量超過捕撈產量[2-9]，而近海養殖水體環境惡化，水產品品質難以保證。為了滿足我國海產品數量及高品質的需求，海洋養殖業從近海逐步向深遠海發展[10-13]。目前，深遠海的主要養殖方式是大型養殖網箱和可移動養殖平臺[14]，而可移動養殖平臺以大型養殖工船為代表，在國內已經過海上試驗船養殖驗證，進入了一個新的發展階段。2022年5月，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所設計的全球首艘10萬噸級養殖工船，采用了深遠海移動艙養模式，完成了所有設備的調試試驗及試航工作，目前已交付投入正式的移動養殖作業[15]。

深遠海移動艙養模式對作業設備提出了更高的要求，傳統的投飼機雖然實現了機械化投撒[16-18]，但一方面根據時間粗略估算投飼量的方式精度太低，利用稱量傳感器的方式在具有橫搖縱傾的工船上精度會大受影響，從而影響投飼精度，既造成浪費，增加養殖成本[19-20]，又降低魚類的抗應激能力，也不能獲得良好的生長性能[21-25]。國內外對于針對投飼控制方面的研究[26-28]，也大多停留在研究階段，更無針對移動式養殖工船的投飼設備應用案例；另一方面單機模式導致艙室設備布置困難、日常操作維護工作量大、集中管理困難等問題。基于此，本研究根據10萬噸級深遠海養殖工船的實際需求，采用變頻電機轉速反饋的飼料重量計算和PID管路壓力控制方法，設計了一套全自動化可集中遠程控制的風力輸送投飼系統，并通過工廠試驗和實船應用驗證，以期實現對海上養殖平臺多艙養殖方式的集中精準投飼。

1 投飼參數分析及控制技術要求

(1) 投飼量及投飼速度。養殖對象為大黃魚，每艙水體容積約5 600 m3，養殖密度為18 kg/m3，日投飼率為1.8%，每日投飼次數3次，每艙每次最大投飼量為604.8 kg，最大投喂速度為20.16 kg/min。

(2)投飼誤差。投飼量的精準程度直接影響到魚增重、飼料系數及生產成本等參數的計算[29]，是養殖最重要的參考數據之一，基于養殖工藝需求，投飼誤差不應超過3%。

(3)破碎率。破碎率是顆粒飼料投飼品質的一項重要指標，過高會導致營養流失、水質污染及飼料浪費。工船養殖投飼管路長度不一，受到管路長度和壓力的影響，各艙飼料破碎率會存在差異。10萬噸級養殖工船投飼破碎率總體指標為不超過2%。

(4)集約化自動控制及遠程故障診斷。除了投飼工作，養殖人員還需對增氧、水質、海水交換等多種系統和設備進行監測和控制，勞動強度很大，需將投飼與其他養殖設備統一在監控室進行集中控制、設備狀態顯示及故障診斷。

2 系統設計

2.1 系統總體結構

10萬噸級養殖工船15個養殖艙中，1號艙位于船艏中間位置，其余14個分別對稱布置于左右兩側，中間留有9.4 m的設備作業中央通道，整船設置了4套投飼主體設備，均布置于中央通道縱向正中間，每套主體設備包含料倉、風機、下料器、分配器等，飼料從料倉至下料器，下料電機旋轉使飼料通過分配器進入相應輸送管路，最后依靠氣力經由入艙閥，通過撒料器將飼料輸送并拋撒至各養殖艙的扇形區域內，如圖1所示。

圖1 投飼系統總體結構圖

2.2 下料機電機最低轉速的確定

下料器是滿足投飼需求的重要部件，其額定轉速必須滿足最大投飼能力即最大投飼速度的要求，兩者之間的關系表達式如下：

(1)

式中：ρ為飼料容重，kg/L；ne為下料電機額定轉速，r/min；V為下料器容積，L；μ為傳動比；vm為最大投喂速度，kg/min。

根據總體設計，下料器轉子每轉容積為4.9 L，轉子與電機之間減速比為90， 養殖所用飼料為浮性飼料和緩沉性飼料，容重范圍在0.35～1.05 kg/L之間，取最小值0.35 kg/L，則下料電機的額定轉速ne≥ 1 057 r/min。為了滿足投飼速度可調及后期養殖過程中在水質和增氧作用下養殖密度的增加引起更高要求的投喂能力，下料電機必須轉速可調，故選擇異步變頻電機，其額定轉速確定為1 450 r/min，根據大黃魚養殖常用飼料容重0.42 kg/L計算，額定轉速時系統投喂速度可達33.16 kg/min。

2.3 分配器控制

根據管路布置的最佳路徑，將15個養殖艙艙分為4組，各組艙數分別為：4、3、4、4，即系統設置了4個4工位的分配器和對應的管路來實現飼料的輸送，每個工位對應一個養殖艙，其中2號分配器實際應用了3個工位。

采用氣缸驅動轉盤來實現艙位管路對準功能。每個分配器配有兩個氣缸，分別為推桿氣缸和撥桿氣缸，每個氣缸帶有一個磁性開關進行位置反饋。控制器通過控制兩個氣缸的伸縮來撥動轉盤到相應的工位位置，通過磁性開關的反饋來校準艙位管路對位。

2.4 投飼精度控制策略

傳統網箱或者池塘養殖為了提高投飼精準度，一般采用稱量傳感器進行飼料稱重[30]，但上述方法不適用于深遠海工船養殖，傳感器會受到船舶橫傾縱遙的沖擊以及主機振動的影響，從而導致稱量不準確。因此，本系統采用下料器變頻控制及“給定-反饋”閉環方式對投喂量進行精準計算。養殖人員可根據各養殖艙魚類的生長情況，在人機界面上設定當前該艙需要的投飼速度、投飼重量及飼料容重三個參數，控制系統據此計算出下料電機需求轉速，并通過變頻器對下料電機進行轉速控制，計算式如下：

(2)

式中：ns為下料電機需求轉速，r/min；vs為當前設定投飼速度，kg/min。

實際運行中，下料電機轉速在啟動和停止過程都不等于需求轉速，即為非恒定速過程，所以投飼系統的下料速度并不一直等于設定速度，為了提高精準度，當前已投飼重量的計算應為作業過程中投飼速度對時間的積分，可轉化為變頻器反饋的下料電機實際轉速對時間的積分，即:

(1)

式中：m為當前已投飼重量，kg；n為下料電機當前轉速，r/min；t為當前已投飼時間，min。

控制系統在進行已投飼重量計算時，要考慮到料倉缺料導致的下料器空轉，否則計算會不準確，因此系統在料倉設置有低料位傳感器，對缺料情況進行監測。當系統接收到缺料信息時，已投飼重量的計算暫時中斷，直到此信號消失。

2.5 破碎率控制策略

投飼主體設備布置在船舶養殖平臺中間位置，15根投飼管路長度不一，最短7.5 m，最長85 m，定轉速風機進行飼料輸送時，輸入壓力恒定，出口壓力與管路長度及飼料在出口處的速度具有一定的函數關系，從而導致管路短的出口飼料速度過大，撒料面積超過設定區域，造成飼料浪費和破碎率過高，必須根據距離遠近對管路壓力進行自動調整，控制出口速度，最終達到降低破碎率的目的。因此，本投飼系統采用在管路的另一側加裝比例閥，通過PID控制算法控制比例閥開度來調整管路壓力和各艙出口飼料速度，以達到降低飼料破碎率的目的，同時人機操作界面上設計為管路壓力可設置，以便于實際運行中根據不同需求來調整管路壓力。

2.6 控制系統

設備主要控制關系如圖2所示。

圖2 投飼系統設備控制關系圖

整船15個養殖艙的投飼作業通過一套模塊集中控制來實現，控制對象主要是輸送風機、下料電機、比例閥、分配器、入艙閥及撒料電機等部件，核心控制器件選用西門子S7-1200可編程控制器(programmable logic controller，PLC)，投飼速度通過調節下料電機的轉速來實現，下料電機的轉速調節通過G120系列變頻器來實現，機側控制觸摸屏選用昆侖通態12寸TPC1271Gn觸摸屏，遙控通過養殖監控室的上位機來實現。PLC與變頻器、機側觸摸屏、上位機之間均通過網線連接，遵循TCP/IP協議交換數據。系統結構型式為“監控室上位機/本地控制——投飼本體設備”。

系統控制可在監控室遠程上位機或者機側觸控屏進行，為了防止極端狀況發生，采用了故障冗余設計，遠程和觸控屏同時失效時，可用機側按鈕來控制投飼作業，但按鈕操作不能進行參數設置，是按照系統默認參數進行臨時投飼作業，僅滿足當前養殖的基本需求。另外，系統設計有一個專用的調試窗口，即當設備因維護或故障需要進行臨時試驗時，可進入調試界面對投飼系統的風機、分配器、下料器、排空閥、撒料器等單個設備進行調試及狀態監測，見圖3。

圖3 機側觸摸屏調試窗口

2.7 控制流程

控制系統上電后即進入投飼模式并自檢，加載預設參數，接收投飼指令，系統以下列步驟運行：

(1)先打開排空閥至100%；

(2)分配器運行至設定工位；

(3)啟動風機并根據艙位管路長度調整排空閥開度；

(4)風機運行30 s后下料器啟動，根據設定投飼速度運行并開始計算投飼重量；

(5)當計算重量達到設定投飼重量時，下料器停止運行，風機繼續運行30 s后停止；

(6)如投飼任務未完成，繼續下一養殖艙的投飼，循環執行步驟(2)～(5)，直至所有設定養殖艙投飼完成。

2.8 遠程監控及故障診斷

工船每艙每次投飼作業時間約為20 min，如果養殖人員現場操作，4個投飼主體同時運行，每次作業時間約為80 min。當發生電氣故障時，維修人員需現場排查，僅查出故障點就需耗費不少時間。基于此，系統設計了基于工業以太網的遠程監控及故障診斷功能，可在監控室上位機進行自動投飼操作，節省了每天2次投飼大約2.7 h的巡查時間；遠程電氣故障診斷功能可在上位機準確顯示故障位置，可幫助維修人員直接找到故障點，減少了故障排查時間；此功能降低了養殖人員的勞動強度，提高了工作效率。

控制系統程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統程序流程圖

3 系統試驗

3.1 系統試驗

根據總體技術要求對投飼系統進行了性能試驗，主要測試系統投飼能力、投飼精度和飼料破碎率。

(1)投飼速度和投飼誤差試驗

試驗在中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所中試基地進行，在1號分配器3號工位(對應3左艙)接一根長度為100 m的輸送管路，管路與撒料頭之間采用彎頭連接，撒料頭比輸送管路高出約400 mm。用容重儀測得試驗用顆粒飼料容重為0.47 kg/L，根據公式(1)計算得此時投飼速度最高可達37.1 kg/min。料倉加入足夠飼料，撒料頭前用結實的透氣布袋接收出料，在投飼控制柜設置投飼參數投飼艙號選擇3左，下料器運行時開始用秒表計時，下料器停止運行時結束計時，用稱重計稱量布袋里飼料重量，計算投飼速度和投飼誤差，經多次試驗，系統試驗記錄如表1所示。

表1 投飼速度和投飼誤差測試結果

(2)破碎率試驗

在青島北海船舶重工有限責任公司實船設備及管路全部安裝完成后，選擇1號及與左舷對稱的右舷7個養殖艙進行破碎率試驗。各艙試驗時，先清掃養殖艙底部，在料倉加入40 kg粒徑為6 mm的試驗飼料并全部投飼，根據調試壓力設置各艙壓力值，確保飼料全部落入養殖水艙內，撒料完成后收集艙底全部飼料，用孔徑為3 mm的紗網篩篩選，將完整顆粒與破碎顆粒分開，對回收到的完整顆粒稱重，計算破碎率，并記錄數據如表2所示。

表2 投飼破碎率測試結果

3.2 試驗結果

根據試驗記錄，飼料容重為0.47 kg/L時，系統實際投飼速度與設定速度吻合，實際可達36.7 kg/min，在3種投飼速度下，投飼誤差均控制在2.5%以內。本研究中投飼精度取決于下料器容積和下料電機的轉速檢測，干式飼料粉末會在下料器內壁附著并隨作業時間增長而累積，長年累月會使下料器實際容納飼料空間變小，從而導致實際投飼量偏小，投飼誤差略有增大，故需定期對下料器進行清理以持續保證投飼精度。

破碎率試驗中，1艙最高，破碎率為0.63%，5右艙最低，破碎率為0.31%，平均值為0.49%。破碎率與管路壓力和管路長度有關，各養殖艙管路壓力隨輸送距離長度不同而變化，管路越長，所需壓力越大，破碎率總體趨勢隨著管路長度增加呈微上升趨勢。另外，壓力大小的確定也需考慮飼料在艙內的拋撒面積限制。

4 結論

本研究針對10萬噸級養殖工船需求構建了一種集中全自動控制的投飼系統，可完成15個5 600 m3養殖水體每天3次的投飼需求，在監控室進行集中控制監測，降低生產和運營成本；根據電機轉速的精確檢測計算投飼重量，提高投飼精度，減少水體污染及飼料浪費；運用PID控制算法調整管路壓力來控制飼料出口速度，降低飼料破碎率，是一種適用于多艙養殖模式的干式顆粒飼料投飼系統。由于本投飼系統首次應用于此種養殖工況，還需根據后續養殖過程中出現的新需求進行擴展設計，構建適用于多種飼料形式如濕飼料的投飼系統，提高對工船養殖模式的適用度。