深远海养殖工船投饲系统设计

王志勇,邹海生，张耀明,徐志强

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092)

深远海养殖工船是深远海养殖的一个发展方向，以深远海大型游弋式工船为核心的养殖与渔业生产平台，可集成养殖、繁育、捕捞、加工与物流保障等功能，优化养殖结构，拓展水产养殖空间。构建深远海大型养殖工船舱养系统，实施集约化高效养殖，除需要大型工船作业平台，还需要更加高效的作业装备作为支撑，以及信息化系统作为保障，配套设施的完善对深远海养殖的可行性与安全性至关重要[1-3]。由于工船规模化、集约化养殖，饲料投喂工作量和劳动强度大，需要适宜的自动投饲系统，才能满足深远海养殖工船管理[4-6]。

目前，国内外在自动化投饲系统方面已有很多研究，在池塘养殖、工厂化养殖和网箱养殖方面也有很多应用，但不同的养殖环境其投饲系统也不尽相同，同一基本构成模式下有不同具体形式[7-10]。

本研究围绕深远海养殖工船养殖模式，基于工船养殖环境和结构特点，采用正压气力输送技术，以PLC为控制核心，气动分配器选择多舱投喂，结合工作传感器进行远程输料和抛料控制。通过机械化的上料装置和自动化投喂控制，实现舱养投饲自动化管理，满足深远海养殖工船养殖需求，进一步为深远海养殖发展提供技术支撑。

1 工船投饲系统总体方案

1.1 工船投饲系统布置

养殖工船投喂流程：通过补给船吊运饲料至工船主甲板储料仓，投喂前根据投饲需求通过吊装、自动拆袋上料到自动投饲机料斗，经投饲机输送管道输送投喂至不同养殖舱[11-12]。根据养殖舱实际布置，系统设计采用低压气力输送技术，设备集中式布置，通过料仓自动化上料、投饲机集中式远程自动投喂，减少养殖投喂人工劳动强度，实现工船养殖投喂自动化管理，工船投饲系统设计包括拆包上料装置和自动投饲装置。

上料装置位于主甲板上，由于海上环境潮湿，饲料采用吨袋包装，更容易密封储存，防止受潮发霉。自动投饲装置位于主甲板以下养殖设备平台，根据养殖工艺设置4套低压气送投饲机，图1为单套投饲装置结构布置图，4套系统沿船中线对称布置。

图1 养殖工船投饲系统布置图

投喂前通过电动卷扬机起吊袋料，拆包机破袋下料到投饲机料斗，投饲输送分配装置结构见图2所示。饲料经过输送分配装置，在风压作用下通过管道输送到不同的养殖舱，每根输料管末端设有撒料装置，撒料装置按程序设定依次工作，也可手动选择，满足养殖舱的投喂需求。整套投饲系统可以机旁控制和集中控制，通过集中控制室对投饲机进行远程投饲操作，4套自动投饲机可同时并行进行各自的投喂作业[13-18]。

图2 输送分配装置结构简图

1.2 养殖投饲策略

目前，该工船规划养殖大黄鱼，按照现在海区网箱养殖大黄鱼模式的投喂策略，一般在早晚各投喂一次。虽然这种投喂方法有一定的优势，但是如果在工船养殖中采用这种投喂策略，会在短时间内保证所有的鱼达到饱食状态，进而导致耗氧量急剧增加，势必会使养殖舱承受很大的溶氧问题，此外，还会导致代谢物集中排放，引起水质剧烈变化[19-21]。为避免这些风险，综合考虑大黄鱼规格、摄食情况、饲料粒径、投喂率等，工船养殖可采用表1投喂策略进行投饲量初步设计计算。

表1 工船养殖投喂策略表

2 系统主要结构设计

2.1 气动分配器

该投饲系统采用集中式布置于工船中间位置，需要远程将饲料由一点向多个养殖舱输送，系统设计通过多路分配器来进行不同养殖舱的投饲选择控制。大多数分配器采用电动机驱动溜管转动，根据对应出料口接近开关信号转动到不同的出料口，但是电驱动过程中分配器转动存在一定误差，转管与分配盘上出料管口产生间隙而漏气，影响输送效果。该工船投饲分配器采用气动控制设计，详细结构如图3所示。驱动组件包括气缸、出料口光电开关和气缸位置开关，气缸采用一组水平导向气缸和一组竖直导向气缸组合，导向气缸是将与活塞杆平行的两根导杆与气缸组成一体，防止发生回转损坏气缸，结构紧凑，能承受较大的横向负载和力矩[22-23]。

图3 投饲分配器结构

进料管固定连接在箱体前侧，多根出料管固定连接于箱体另一侧，溜管连通进料管的一端和出料管的一端。选择出料口时，水平导向气缸伸出，到位后竖直导向气缸活塞杆推出，活塞杆末端拨片接触转盘上的销柱后，水平导向气缸缩回，通过转盘上的销柱拨动转盘转动，进而带动溜管转动与出料管依次连接。每个工位分配器均有4个通道，分配器内部4个通道均有4只光电开关一一对应，4只接近开关代表4个通道位置。由于水平导向气缸行程固定，导向精度高，通过出料管口接近开关和气缸上位置开关控制，溜管和转盘可以准确转动到指定出料管口，保证气密封良好，输送可靠。按下对应工位的启动按钮，分配器开始动作，分配器停止情况分为两种：人工干预按下对应工位的停止按钮；分配器通道到达预设位置，自动停止。

2.2 回转撒料装置设计

撒料装置是投饲系统的终端输出部分，由于养殖舱面积较大，养殖密度高，投喂尽量提高鱼类摄食效率[24]。撒料装置采用半回转结构设计，由驱动电机、曲柄、回转支撑、出料管、撒料管以及支架组成。支架固定于养殖舱内走道平台一侧，方便安装和维护，如图4所示。

图4 投饲撒料装置结构

系统投饲时，颗粒饲料在气力作用下经输送管进入出料管，驱动电机输出轴通过曲柄结构带动上面的撒料管往复摆动，摆动角度为120°，将颗粒饲料均匀喷洒在养殖舱内，喷洒面积类似于扇形分布。采用一定角度的喷洒可以使撒料尽量分散，扩大鱼类摄食空间，同时饲料又不抛洒出养殖舱范围，撒料装置现场样机如图5所示。 撒料装置减速机驱动输入转速1 350 r/min，减速比105∶1，输出转速12.8 r/min，输出扭矩87 N·m。

图5 撒料装置样机

3 投饲控制系统设计

3.1 系统构成

投饲系统控制核心基于总线技术构建，控制系统主要由中央控制柜、变频下料电机、送风风机、投喂管道工况监视系统(管压、风温)、分配器电机等组成。中央控制柜是投饲机系统控制核心，主要完成4套投饲系统的投速设定、投喂控制及投喂管道风温及管压工况监视等。投喂数据管理及远程控制信号交联也由柜中工控机及其软件系统实现[25-28]。

3.2 系统主要功能

投饲系统软件应用MCGS组态软件设计，运行效率高、界面友好高效。软件功能除设计了投喂操控及工况监视界面模块外，还设计了投喂数据记录、报表出具、数据管理等功能模块，旨在为投饲作业报告及追溯、投饲汇总等提供基本记录查询汇总功能，为渔业精细饲养评估评价提供数据支撑。

系统设有“远程控制”和“机侧控制”，控制柜机旁操作有两种方式，一种是通过按钮操作，一种是通过触摸屏操作进入参数设置界面。选择所有投饲系统及相应舱号，并根据实际需要进行投饲参数(投饲量、投喂速度、饲料容重)设置，设置完成后，点击相应“开始投饲”按钮，投饲机按照设定参数自动运行，直到所有养殖舱按照设定投饲完毕，投饲系统参数设置界面如图6所示。

图6 养殖工船投饲系统操作界面

系统主要功能如下：

投饲操作：根据养殖需要，选择目标养殖舱，设置投饲量，完成饲料的风送和投喂操作。

投喂速度设定：对于不同饲料及投喂模式需要，通过下料电机变频调速，设定下料器不同转速，可以控制投饲下料速度。

工控监视：通过压力传感器和温度传感器，实时监测风机出口压力和送风温度数据，压力过大时控制下料速度，保证投饲系统输送安全。

数据记录及报表：记录当前投喂重量、投喂时间，投喂作业报告出具。

历史数据：历史投喂数据检索、汇总及查看。

远程控制：集控室远程投喂作业及投饲系统基本运行参数监视。

4 系统试验及分析

工船投饲系统根据养殖舱结构特点采用集中式布置，每个养殖舱输送距离不同，其输送距离最大长度为85 m，输送管内径φ80 mm，投饲系统样机如图7所示。

图7 工船投饲系统样机

试验采用8 mm圆形鱼用颗粒饲料，下料器采用变频式容积控制，容积为5.0 L/r，初始试验时系统设置下料速度恒定，下料转速为17 r/min。气源采用罗茨风机，在风压变化较大时风量变化较小，风机出口风量基本恒定，而压力会根据输送距离和下料速度不同而变化。系统在风机出口设置压力传感器，压力报警值设定为46 kPa，当风机出口压力超过设定值时，控制系统调节下料电机减速，减少下料，防止管道堵塞，直至压力恢复正常范围，当出口压力长时间处于高值时，需要停机检查。

试验结果如表2所示，该自动投饲系统平均投饲量为2 400 kg/h，抛料距离为6～16 m。根据试验结果，当输送风量恒定时，随着输送距离增加，其末端抛料距离减小，风机出口压力也随输送距离增大而增大。由于养殖舱投饲范围有限，撒料装置与舱壁最小距离为10 m，为保证抛料距离适合养殖舱规格，减少饲料浪费，在舱1、舱2近距离输送时系统自动控制开启风机旁通阀，通过控制阀口开度大小，调整风机输出风量。调节风量后，舱1、舱2抛料距离分别为9 m和7.5 m，撒料往复摆动，能在水面120°范围内扇形抛撒，此时，撒料口出料连续，风机出口压力保持基本恒定，撒料均匀正常。

表2 投饲系统测试结果

该投饲系统设计输送量为2 000 kg/h以上，试验结果表明系统输送量和输送距离能够满足设计要求。在设计气力输送装置时，主要通过输送量、混合比、输送用空气量及阻力损失的设计和计算，从而确定气源装置的压力和流量以及电动机功率。该工船投饲系统输送量不变情况下，需要满足不同距离的饲料输送，由于管道越长阻力越大，出口抛料距离越小，需要调节风量来控制抛料距离，系统通过风机出口旁通阀开启大小调节风量，相比通过风机电机变频调速来控制风量更简便和节省成本。气力输送是一项综合性技术，设计时需要综合考虑各种参数，在满足输送量要求前提下，要求安全性和实用性，在此基础上充分发挥气力输送的优点，以利于提高生产效率[29-30]。

5 结论

深远海养殖工船投饲系统通过气动分配器进行多支路选择控制，导向气缸精准定位，输送末端出料管往复摆动，实现多养殖水舱独立投喂，撒料面积均匀；投饲系统采用PLC结合传感器进行投喂控制，人机界面操作，实时监测输送管道压力，当压力超出预警值时，系统通过变频电机控制下料速度，调节风机出口风量，保证合理撒料距离，满足养殖舱鱼类摄食空间。

深远海养殖工船自动投饲系统针对大型养殖设施特点，通过集中供料、自动投喂、智能监测、跟踪记录，基本满足工船养殖模式投喂需求，保障深远海鱼类养殖的安全性。该工船投饲系统虽然实现了投喂的自动化，但在智能化程度上有所欠缺，需要与水质参数包括温度、pH和溶氧等关键监测数据结合起来，智能控制舱养投饲，总结养殖鱼类的适合投喂数据，以提高深远海大型设施养殖投喂科学化管理，实现工业化高效养殖。