10万吨级养殖工船投饲控制系统设计

董晓妮，王志勇，徐志强，汤涛林

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

近年来，随着我国对海产品需求的逐年增加以及海洋捕捞资源的逐年减少，海水养殖逐渐成为提供海产品的重要来源[1]，甚至海水养殖产量超过捕捞产量[2-9]，而近海养殖水体环境恶化，水产品品质难以保证。为了满足我国海产品数量及高品质的需求，海洋养殖业从近海逐步向深远海发展[10-13]。目前，深远海的主要养殖方式是大型养殖网箱和可移动养殖平台[14]，而可移动养殖平台以大型养殖工船为代表，在国内已经过海上试验船养殖验证，进入了一个新的发展阶段。2022年5月，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所设计的全球首艘10万吨级养殖工船，采用了深远海移动舱养模式，完成了所有设备的调试试验及试航工作，目前已交付投入正式的移动养殖作业[15]。

深远海移动舱养模式对作业设备提出了更高的要求，传统的投饲机虽然实现了机械化投撒[16-18]，但一方面根据时间粗略估算投饲量的方式精度太低，利用称量传感器的方式在具有横摇纵倾的工船上精度会大受影响，从而影响投饲精度，既造成浪费，增加养殖成本[19-20]，又降低鱼类的抗应激能力，也不能获得良好的生长性能[21-25]。国内外对于针对投饲控制方面的研究[26-28]，也大多停留在研究阶段，更无针对移动式养殖工船的投饲设备应用案例；另一方面单机模式导致舱室设备布置困难、日常操作维护工作量大、集中管理困难等问题。基于此，本研究根据10万吨级深远海养殖工船的实际需求，采用变频电机转速反馈的饲料重量计算和PID管路压力控制方法，设计了一套全自动化可集中远程控制的风力输送投饲系统，并通过工厂试验和实船应用验证，以期实现对海上养殖平台多舱养殖方式的集中精准投饲。

1 投饲参数分析及控制技术要求

(1) 投饲量及投饲速度。养殖对象为大黄鱼，每舱水体容积约5 600 m3，养殖密度为18 kg/m3，日投饲率为1.8%，每日投饲次数3次，每舱每次最大投饲量为604.8 kg，最大投喂速度为20.16 kg/min。

(2)投饲误差。投饲量的精准程度直接影响到鱼增重、饲料系数及生产成本等参数的计算[29]，是养殖最重要的参考数据之一，基于养殖工艺需求，投饲误差不应超过3%。

(3)破碎率。破碎率是颗粒饲料投饲品质的一项重要指标，过高会导致营养流失、水质污染及饲料浪费。工船养殖投饲管路长度不一，受到管路长度和压力的影响，各舱饲料破碎率会存在差异。10万吨级养殖工船投饲破碎率总体指标为不超过2%。

(4)集约化自动控制及远程故障诊断。除了投饲工作，养殖人员还需对增氧、水质、海水交换等多种系统和设备进行监测和控制，劳动强度很大，需将投饲与其他养殖设备统一在监控室进行集中控制、设备状态显示及故障诊断。

2 系统设计

2.1 系统总体结构

10万吨级养殖工船15个养殖舱中，1号舱位于船艏中间位置，其余14个分别对称布置于左右两侧，中间留有9.4 m的设备作业中央通道，整船设置了4套投饲主体设备，均布置于中央通道纵向正中间，每套主体设备包含料仓、风机、下料器、分配器等，饲料从料仓至下料器，下料电机旋转使饲料通过分配器进入相应输送管路，最后依靠气力经由入舱阀，通过撒料器将饲料输送并抛撒至各养殖舱的扇形区域内，如图1所示。

图1 投饲系统总体结构图

2.2 下料机电机最低转速的确定

下料器是满足投饲需求的重要部件，其额定转速必须满足最大投饲能力即最大投饲速度的要求，两者之间的关系表达式如下：

(1)

式中：ρ为饲料容重，kg/L；ne为下料电机额定转速，r/min；V为下料器容积，L；μ为传动比；vm为最大投喂速度，kg/min。

根据总体设计，下料器转子每转容积为4.9 L，转子与电机之间减速比为90， 养殖所用饲料为浮性饲料和缓沉性饲料，容重范围在0.35～1.05 kg/L之间，取最小值0.35 kg/L，则下料电机的额定转速ne≥ 1 057 r/min。为了满足投饲速度可调及后期养殖过程中在水质和增氧作用下养殖密度的增加引起更高要求的投喂能力，下料电机必须转速可调，故选择异步变频电机，其额定转速确定为1 450 r/min，根据大黄鱼养殖常用饲料容重0.42 kg/L计算，额定转速时系统投喂速度可达33.16 kg/min。

2.3 分配器控制

根据管路布置的最佳路径，将15个养殖舱舱分为4组，各组舱数分别为：4、3、4、4，即系统设置了4个4工位的分配器和对应的管路来实现饲料的输送，每个工位对应一个养殖舱，其中2号分配器实际应用了3个工位。

采用气缸驱动转盘来实现舱位管路对准功能。每个分配器配有两个气缸，分别为推杆气缸和拨杆气缸，每个气缸带有一个磁性开关进行位置反馈。控制器通过控制两个气缸的伸缩来拨动转盘到相应的工位位置，通过磁性开关的反馈来校准舱位管路对位。

2.4 投饲精度控制策略

传统网箱或者池塘养殖为了提高投饲精准度，一般采用称量传感器进行饲料称重[30]，但上述方法不适用于深远海工船养殖，传感器会受到船舶横倾纵遥的冲击以及主机振动的影响，从而导致称量不准确。因此，本系统采用下料器变频控制及“给定-反馈”闭环方式对投喂量进行精准计算。养殖人员可根据各养殖舱鱼类的生长情况，在人机界面上设定当前该舱需要的投饲速度、投饲重量及饲料容重三个参数，控制系统据此计算出下料电机需求转速，并通过变频器对下料电机进行转速控制，计算式如下：

(2)

式中：ns为下料电机需求转速，r/min；vs为当前设定投饲速度，kg/min。

实际运行中，下料电机转速在启动和停止过程都不等于需求转速，即为非恒定速过程，所以投饲系统的下料速度并不一直等于设定速度，为了提高精准度，当前已投饲重量的计算应为作业过程中投饲速度对时间的积分，可转化为变频器反馈的下料电机实际转速对时间的积分，即:

(1)

式中：m为当前已投饲重量，kg；n为下料电机当前转速，r/min；t为当前已投饲时间，min。

控制系统在进行已投饲重量计算时，要考虑到料仓缺料导致的下料器空转，否则计算会不准确，因此系统在料仓设置有低料位传感器，对缺料情况进行监测。当系统接收到缺料信息时，已投饲重量的计算暂时中断，直到此信号消失。

2.5 破碎率控制策略

投饲主体设备布置在船舶养殖平台中间位置，15根投饲管路长度不一，最短7.5 m，最长85 m，定转速风机进行饲料输送时，输入压力恒定，出口压力与管路长度及饲料在出口处的速度具有一定的函数关系，从而导致管路短的出口饲料速度过大，撒料面积超过设定区域，造成饲料浪费和破碎率过高，必须根据距离远近对管路压力进行自动调整，控制出口速度，最终达到降低破碎率的目的。因此，本投饲系统采用在管路的另一侧加装比例阀，通过PID控制算法控制比例阀开度来调整管路压力和各舱出口饲料速度，以达到降低饲料破碎率的目的，同时人机操作界面上设计为管路压力可设置，以便于实际运行中根据不同需求来调整管路压力。

2.6 控制系统

设备主要控制关系如图2所示。

图2 投饲系统设备控制关系图

整船15个养殖舱的投饲作业通过一套模块集中控制来实现，控制对象主要是输送风机、下料电机、比例阀、分配器、入舱阀及撒料电机等部件，核心控制器件选用西门子S7-1200可编程控制器(programmable logic controller，PLC)，投饲速度通过调节下料电机的转速来实现，下料电机的转速调节通过G120系列变频器来实现，机侧控制触摸屏选用昆仑通态12寸TPC1271Gn触摸屏，遥控通过养殖监控室的上位机来实现。PLC与变频器、机侧触摸屏、上位机之间均通过网线连接，遵循TCP/IP协议交换数据。系统结构型式为“监控室上位机/本地控制——投饲本体设备”。

系统控制可在监控室远程上位机或者机侧触控屏进行，为了防止极端状况发生，采用了故障冗余设计，远程和触控屏同时失效时，可用机侧按钮来控制投饲作业，但按钮操作不能进行参数设置，是按照系统默认参数进行临时投饲作业，仅满足当前养殖的基本需求。另外，系统设计有一个专用的调试窗口，即当设备因维护或故障需要进行临时试验时，可进入调试界面对投饲系统的风机、分配器、下料器、排空阀、撒料器等单个设备进行调试及状态监测，见图3。

图3 机侧触摸屏调试窗口

2.7 控制流程

控制系统上电后即进入投饲模式并自检，加载预设参数，接收投饲指令，系统以下列步骤运行：

(1)先打开排空阀至100%；

(2)分配器运行至设定工位；

(3)启动风机并根据舱位管路长度调整排空阀开度；

(4)风机运行30 s后下料器启动，根据设定投饲速度运行并开始计算投饲重量；

(5)当计算重量达到设定投饲重量时，下料器停止运行，风机继续运行30 s后停止；

(6)如投饲任务未完成，继续下一养殖舱的投饲，循环执行步骤(2)～(5)，直至所有设定养殖舱投饲完成。

2.8 远程监控及故障诊断

工船每舱每次投饲作业时间约为20 min，如果养殖人员现场操作，4个投饲主体同时运行，每次作业时间约为80 min。当发生电气故障时，维修人员需现场排查，仅查出故障点就需耗费不少时间。基于此，系统设计了基于工业以太网的远程监控及故障诊断功能，可在监控室上位机进行自动投饲操作，节省了每天2次投饲大约2.7 h的巡查时间；远程电气故障诊断功能可在上位机准确显示故障位置，可帮助维修人员直接找到故障点，减少了故障排查时间；此功能降低了养殖人员的劳动强度，提高了工作效率。

控制系统程序流程如图4所示。

图4 控制系统程序流程图

3 系统试验

3.1 系统试验

根据总体技术要求对投饲系统进行了性能试验，主要测试系统投饲能力、投饲精度和饲料破碎率。

(1)投饲速度和投饲误差试验

试验在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所中试基地进行，在1号分配器3号工位(对应3左舱)接一根长度为100 m的输送管路，管路与撒料头之间采用弯头连接，撒料头比输送管路高出约400 mm。用容重仪测得试验用颗粒饲料容重为0.47 kg/L，根据公式(1)计算得此时投饲速度最高可达37.1 kg/min。料仓加入足够饲料，撒料头前用结实的透气布袋接收出料，在投饲控制柜设置投饲参数投饲舱号选择3左，下料器运行时开始用秒表计时，下料器停止运行时结束计时，用称重计称量布袋里饲料重量，计算投饲速度和投饲误差，经多次试验，系统试验记录如表1所示。

表1 投饲速度和投饲误差测试结果

(2)破碎率试验

在青岛北海船舶重工有限责任公司实船设备及管路全部安装完成后，选择1号及与左舷对称的右舷7个养殖舱进行破碎率试验。各舱试验时，先清扫养殖舱底部，在料仓加入40 kg粒径为6 mm的试验饲料并全部投饲，根据调试压力设置各舱压力值，确保饲料全部落入养殖水舱内，撒料完成后收集舱底全部饲料，用孔径为3 mm的纱网筛筛选，将完整颗粒与破碎颗粒分开，对回收到的完整颗粒称重，计算破碎率，并记录数据如表2所示。

表2 投饲破碎率测试结果

3.2 试验结果

根据试验记录，饲料容重为0.47 kg/L时，系统实际投饲速度与设定速度吻合，实际可达36.7 kg/min，在3种投饲速度下，投饲误差均控制在2.5%以内。本研究中投饲精度取决于下料器容积和下料电机的转速检测，干式饲料粉末会在下料器内壁附着并随作业时间增长而累积，长年累月会使下料器实际容纳饲料空间变小，从而导致实际投饲量偏小，投饲误差略有增大，故需定期对下料器进行清理以持续保证投饲精度。

破碎率试验中，1舱最高，破碎率为0.63%，5右舱最低，破碎率为0.31%，平均值为0.49%。破碎率与管路压力和管路长度有关，各养殖舱管路压力随输送距离长度不同而变化，管路越长，所需压力越大，破碎率总体趋势随着管路长度增加呈微上升趋势。另外，压力大小的确定也需考虑饲料在舱内的抛撒面积限制。

4 结论

本研究针对10万吨级养殖工船需求构建了一种集中全自动控制的投饲系统，可完成15个5 600 m3养殖水体每天3次的投饲需求，在监控室进行集中控制监测，降低生产和运营成本；根据电机转速的精确检测计算投饲重量，提高投饲精度，减少水体污染及饲料浪费；运用PID控制算法调整管路压力来控制饲料出口速度，降低饲料破碎率，是一种适用于多舱养殖模式的干式颗粒饲料投饲系统。由于本投饲系统首次应用于此种养殖工况，还需根据后续养殖过程中出现的新需求进行扩展设计，构建适用于多种饲料形式如湿饲料的投饲系统，提高对工船养殖模式的适用度。