工船養殖集中控制系統研發與應用

黃溫赟，于得水，董曉妮，姜 勇，王鵬昌，郭海濤

(1 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；2 海洋國家實驗室 深藍漁業工程聯合實驗室，山東 青島 266237；3 國信中船(青島)海洋科技有限公司，山東 青島 266061;4 中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108；5 青島藍色糧倉科技發展中心有限公司，山東 青島 266071)

全球首艘10萬噸級智慧漁業大型養殖工船“國信1號”已于2022年5月20日交付并投入使用[1]。“國信1號”工船共15個養殖艙，可提供8萬m3養殖水體，預計年產優質大黃魚3 700 t[2-3]。養殖工船在深遠海適宜海域進行長期游弋式養殖[4-6]，移動躲避臺風、赤潮等自然災害，開創了“船載艙養”模式，開啟了深遠海規模化、工業化養殖新篇章[7-10]。

隨著工業化養殖的迅速發展，實現自動化程度高、安全高效的生產方式是養殖生產的必然趨勢，實時的集中控制系統成為自動化養殖的主要管理方式[11]。苗雷等[12]設計了標準化池塘養殖集中智能控制系統，并投入了使用；張紅燕等[13]根據池塘養殖一般流程以及自動控制需求,設計了一種池塘養殖自動控制系統；李家俊等[14]基于單片機設計了智能養殖控制系統，通過控制、監測養殖場內環境的溫濕度、明亮程度，以及水和料，來更好地管理養殖場，提高生產效率和產品質量；金靖淋[15]設計了一套將傳感器技術、嵌入式技術、自動化技術、無線通信技術、云平臺、安卓等技術相結合的魚塘智能控制原型系統；張建波等[16]建立起深遠海養殖平臺的分布式智能控制模式，提出了深遠海養殖平臺控制系統的開發思路、云中心控制和邊緣智能的實現方案。孟廣瑋等[17]構建了一套應用于10萬噸級養殖工船的船岸一體化系統，實現了船岸信息交互和協同管理。

海上環境惡劣，工船養殖體量又大，而船上人員有限，需要建立新型管控系統。養殖集中控制系統，簡稱養殖集控系統，綜合全船養殖裝備和系統集中管控。基于深遠海養殖工藝流程，通過功能分析、框架構建、硬件配備、邏輯開發和界面設計，研發了一套養殖集控系統，實現了養殖參數監測和集中顯示、自動控制和生產管理等功能。

1 養殖集控系統功能

根據大黃魚養殖工藝流程[18]，通過養殖集控系統對養殖艙進行集中監測、控制和生產管理，滿足養殖人員日常養殖及生產管理的要求，實現對魚苗計量入艙、養殖水體交換、溶氧供應、飼料投喂、聚攏起捕、加工生產、冷藏倉儲、水質監測和艙壁清理等養殖全過程管控。

①監測。對養殖艙內外水質、養殖艙內水上水下視頻、管路壓力流量和冷藏箱等狀態，魚苗計量和加工生產等數據以及養殖機電設備主要參數進行監測。

②控制。一鍵開啟/關閉換水，手動養殖泵/壓載泵/聯合排水，溶氧自動調控，自動定時定量投喂、養殖光照、遠程遙控起捕等。

③生產管理。精準記錄每天養殖情況，包括規格、投餌、攝食、死魚等情況；全程記錄水質監測、藥物檢測、重金屬檢測、消毒等日常數據[19]，提供高效安全數據儲存和報表系統。

2 養殖集控系統構架及硬件

2.1 系統構架

系統網絡分4層構架[20]，分別為信息層、管理層、控制層和設備層。信息層和管理層設備間的數據主要通過工業以太網/光纖傳播[21]，提高數據傳輸速率，部分受限制的設備之間采用了485/422總線通訊[22]；控制層內部設備之間采用Profinet環網總線[23]，增強系統的穩定性和兼容性，制氧機、投飼機和養殖光照控制器等設備內部已配備獨立的控制單元，即直接與管理層網絡相連接；設備層與控制層設備之間主要為I/0接口[24]。養殖集控系統圖如圖1所示。

圖1 養殖集控系統圖

①信息層。信息層為對外連接的窗口[25]，收集外部數據并外發數據。該層網絡對外連接有船岸一體化系統[26]、液位遙測與閥門遙控系統、機艙監測報警系統、船舶姿態系統和外界氣象數據系統。船岸一體化系統直接從核心交換機處獲取岸基所需的養殖生產數據、各養殖設備狀態參數和視頻監控圖文數據等；其他各系統和設備接入各控制站，給養殖監控系統提供必需的外界環境和船舶參數。

②管理層。管理層為人機界面的窗口[27]，提供養殖監控室、養殖集控室和機艙集控室等地集中管理和控制整船養殖系統和裝備的界面；該層網絡通過核心交換機連接養殖操作站、養殖監控站、視頻工作站、生產管理站、船舶監測站、閥門遙控&液位遙測站和數據儲存服務器，并通過無線網絡交換機接連移動終端，配備聲光報警和打印記錄等功能。該層控制站為上位機，包含養殖自動控制程序。

③控制層。控制層為管理層和設備層之間的橋梁[28]，配備2套互為備用的集中控制器和多套分布式信號采集箱。動力柜和水質監測等設備的數據通過物理接口或通信接口進入信號采集箱進行轉碼交互，再通過Profinet環網進入集中控制器，最后進入管理層終端顯示；管理層終端控制指令陸續通過控制器和信號采集箱下達到設備層，實現遠程遙控和自動控制。

④設備層。設備層由傳感器、閥門、執行器和電機水泵等組成，完成系統的執行和狀態反饋。

2.2 硬件構成

①管理層硬件。2套DELL R740機架式服務器構成冗余服務器[29]，5套研華ARK-2230配套顯示單元和嵌入式鍵盤鼠標分別為生產管理站、船舶監測站和養殖操作站，Laser NS MFP 1005打印機，UPS不間斷電源，西門子XC-208工業以太網交換機，RG-WS7204-A多業務無線控制器，多套RG-AP630-A室外無線AP和RG-AP720-A室內無線AP，10英寸IPS觸摸屏移動終端等。

②控制層硬件。PLC主控柜包含一套S7-1500系列冗余控制器[30]，包括串口站、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊和基本電源模塊等；分布全船的多套信號采集箱，內含模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊和基本電源等；分布全船的多套動力柜，內含斷路器、接觸器、保護單元等模塊。

3 養殖系統自動化控制

3.1 水體交換自動閥控

為滿足各養殖艙均可獨立養殖的要求，每個養殖艙配備獨立的養殖水泵和遙控閥，實現艙與外界海水的交換，整船15個養殖艙即配備了15套水體交換系統。為減輕勞動負荷和減少出錯率，設置自動泵閥聯動，只需一鍵操作即可實現單艙海水交換的開啟/停止，簡化操作流程，流程圖見圖2。

圖2 自動閥控流程圖

“一鍵開啟”流程是由控制中心的操控人員通過操作站集控上位機軟件執行開啟操作，集控系統給主管工作站(移動終端)發出開啟請求；在獲得同意后，系統開始檢查需開啟泵的前后通海閥和入艙閥狀態，先開啟泵前通海閥，確保泵不抽空，再開啟泵后入艙閥，確保泵后海水有去處，避免泵啟動后管路水壓過高；相關閥在關閉狀態時，系統觸發閥門開啟命令，經延時后再次檢查閥門狀態，確保閥在開啟狀態；再啟動海水泵，經過延時后檢查泵的運行狀態，并進行狀態反饋；閥門開啟失敗和泵未能正常運行均觸發故障報警，自動程序結束，提醒人工介入。

“一鍵關閉”流程與“一鍵開啟”的類似，僅泵和閥控制順序有差異。

每套水體交換系統海水管路中均設置多套壓力傳感器，在養殖操作站和移動終端中顯示，并設有高壓聲光報警，便于操控人員實時掌握管路狀態。

3.2 養殖艙溶氧自動調控

養殖艙內的溶氧濃度是養殖對象安全保障的重要因素，當溶氧值過低時會引起養殖對象驚恐亂竄進而造成擦傷，甚至窒息而亡，因而要時刻保證養殖艙內溶氧值在合理的范圍內。全船設置多套供氧和溶氧設備：主制氧機、備用制氧機和液氧裝置為供氧端設備，互為備用；增壓泵、氧錐裝置和應急增氧設備為溶氧設備，冗余配備；還設計有互相獨立的管路系統。

養殖集控系統通過水質傳感器時刻獲取養殖艙內水體中的溶氧濃度值，當該值低于設定值后就觸發溶氧調控程序：自動控制程序通過控制氧錐設備、應急曝氣設備以及閥門遙控系統進行增氧操作；實時采集運行參數，通過移動終端展現給養殖控制人員；可依據實際情況調整的人工控制策略實時修正；并將所有數據存儲在信息系統中以備查看。自動控制系統關系如圖3所示。

圖3 溶氧自動控制關系圖

當艙內溶氧值低于標準值時，系統先判定艙內是否處于養殖狀態，非養殖狀態對溶氧無要求，而養殖狀態下溶氧低將影響養殖對象安全。在養殖狀態下，海水泵和增壓泵是處于運行狀態，系統通過閥門遙控系統調大海水閥開度—加大換水量、調大增壓閥開度—加大氧氣量等方式來增加溶氧值，并再一次檢查艙內溶氧濃度。如溶氧濃度還是異常，系統將檢查正常增壓設備—增壓泵和氧錐的狀態，啟動應急增氧以應對正常增氧設備的異常狀況；而當正常增壓設備正常時，即可判定溶氧低為供氧端出了故障，啟動備用制氧機或液氧裝置。溶氧自動控制流程如圖4所示。

圖4 溶氧自動控制流程圖

3.3 海水泵故障自動處理

海水泵故障直接影響養殖對象的存活，需要單獨設置自動處理邏輯，在其故障時先保障養殖對象生存，然后人工現場故障處理。一旦監測發現某一海水泵故障報警了，信息自動生成并推送該養殖艙主管移動終端。當海水泵完全故障停止運行時，艙內海水與外界停止交換，正常增氧失效，系統自動開啟液氧緊急增氧并啟動應急曝氣裝置，提示停止當下的投飼并調整投飼計劃，并推送數據信息至養殖總監的移動終端，等待確認/修正處理方式。當海水泵部分故障，海水交換量減少，但艙內溶氧未持續下降，艙內養殖對象生存可以得到保障，系統將保持報警狀態直至故障消除；如艙內溶氧濃度持續下降，系統就會認定為養殖對象生存受到了危害，將與海水泵完全故障時一樣處理。

圖5 海水泵故障自動處理流程圖

4 人機界面設置

生產管理主界面如圖6所示。

圖6 生產管理主界面

①養殖狀態監測

為了操作人員更好掌控養殖艙狀態，養殖集控系統通過水泵啟動器、壓力傳感器、流量傳感器、水質傳感器以及遙控閥控制箱等監測系統中的各類參數信息，部分監視界面見圖6。

水體交換系統管系：海水泵運行/停止狀態、海水泵進出口壓力、海水總管壓力、養殖艙進水柱壓力等。增氧系統管系：增壓泵運行/停止狀態、增壓泵進出口壓力、應急增氧進出口壓力、正常增氧氣體流量、應急增氧氣體流量、氧錐壓力等。養殖艙水質參數：溶氧、溫度、pH、鹽度等。遙控閥狀態：開關狀態、遙控/本地、手動/自動、故障等。

②養殖狀態控制

養殖狀態控制界面包含全部15個養殖艙的“養殖請求”“養殖開啟”勾選和狀態顯示、圖例說明和“請求確認”“養殖確認”“復位”等按鈕，當養殖艙養殖開啟成功后，“養殖開啟”將轉換為“養殖停止”。養殖狀態控制界面圖見圖6。

如需要開啟某一/某些養殖艙的養殖模式，在養殖操作站勾選對應艙室的“養殖請求”后點擊“請求確認”按鈕，進行養殖模式請求，待主管工作站(移動終端)同意；對應圖例說明，通過指示燈閃爍情況可查看目前養殖請求的反饋情況。待請求得到確認后，獲得養殖請求確認的養殖艙“養殖開啟”的勾選被激活，勾選所需養殖艙“養殖開啟”并點擊“養殖確認”，對養殖艙進行養殖模式開啟，系統調用“一鍵開啟”操作啟動海水泵、開啟氧氣供給、啟動增壓泵等相應控制邏輯；當執行正常時，該艙室正常養殖前的指示燈為綠色。

③生產管理

養殖生產管理主界面左側為功能清單：日常生產管理、庫存管理、監測管理、成本費用管理、報表統計分析、基礎信息維護和用戶權限管理(根據登錄賬號權限而定)；右側主要展示養殖整體情況：當前的存池數量、存池重量、總投餌量及損失魚總數，近期投餌量統計，存池重量統計(顯示登錄賬號權限對應的養殖池情況)，成本統計分析和死魚統計。主界面見圖6。

5 結語

針對養殖工船養殖管控需求，搭建了系統框架，研發了工船養殖集控系統：多處控制站的配置和服務器控制器的冗余設計提高了養殖集控系統的安全性；針對養殖過程中最重要的養殖水體和溶氧，開發了自動處理邏輯，在特殊情況下保障養殖對象安全；編寫了人機界面軟件，方便了操控人員掌握養殖狀態并進行遠程管控。目前系統已在工船養殖生產中獲得實船應用，并長時間穩定運行，成為了工船養殖生產核心系統之一，為安全生產保駕護航；系統創新深遠海工業化養殖過程集中管控模式，避免了緊急情況下人工干預不及時而對養殖對象造成的不可逆傷害，解決了深遠海養殖人員有限的問題，填補了國內深遠海養殖管控系統的空缺，促進了養殖工船自動化和智能化進程，助力深遠海養殖發展。