工船养殖集中控制系统研发与应用

黄温赟，于得水，董晓妮，姜 勇，王鹏昌，郭海涛

(1 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；2 海洋国家实验室 深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛 266237；3 国信中船(青岛)海洋科技有限公司，山东 青岛 266061;4 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108；5 青岛蓝色粮仓科技发展中心有限公司，山东 青岛 266071)

全球首艘10万吨级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”已于2022年5月20日交付并投入使用[1]。“国信1号”工船共15个养殖舱，可提供8万m3养殖水体，预计年产优质大黄鱼3 700 t[2-3]。养殖工船在深远海适宜海域进行长期游弋式养殖[4-6]，移动躲避台风、赤潮等自然灾害，开创了“船载舱养”模式，开启了深远海规模化、工业化养殖新篇章[7-10]。

随着工业化养殖的迅速发展，实现自动化程度高、安全高效的生产方式是养殖生产的必然趋势，实时的集中控制系统成为自动化养殖的主要管理方式[11]。苗雷等[12]设计了标准化池塘养殖集中智能控制系统，并投入了使用；张红燕等[13]根据池塘养殖一般流程以及自动控制需求,设计了一种池塘养殖自动控制系统；李家俊等[14]基于单片机设计了智能养殖控制系统，通过控制、监测养殖场内环境的温湿度、明亮程度，以及水和料，来更好地管理养殖场，提高生产效率和产品质量；金靖淋[15]设计了一套将传感器技术、嵌入式技术、自动化技术、无线通信技术、云平台、安卓等技术相结合的鱼塘智能控制原型系统；张建波等[16]建立起深远海养殖平台的分布式智能控制模式，提出了深远海养殖平台控制系统的开发思路、云中心控制和边缘智能的实现方案。孟广玮等[17]构建了一套应用于10万吨级养殖工船的船岸一体化系统，实现了船岸信息交互和协同管理。

海上环境恶劣，工船养殖体量又大，而船上人员有限，需要建立新型管控系统。养殖集中控制系统，简称养殖集控系统，综合全船养殖装备和系统集中管控。基于深远海养殖工艺流程，通过功能分析、框架构建、硬件配备、逻辑开发和界面设计，研发了一套养殖集控系统，实现了养殖参数监测和集中显示、自动控制和生产管理等功能。

1 养殖集控系统功能

根据大黄鱼养殖工艺流程[18]，通过养殖集控系统对养殖舱进行集中监测、控制和生产管理，满足养殖人员日常养殖及生产管理的要求，实现对鱼苗计量入舱、养殖水体交换、溶氧供应、饲料投喂、聚拢起捕、加工生产、冷藏仓储、水质监测和舱壁清理等养殖全过程管控。

①监测。对养殖舱内外水质、养殖舱内水上水下视频、管路压力流量和冷藏箱等状态，鱼苗计量和加工生产等数据以及养殖机电设备主要参数进行监测。

②控制。一键开启/关闭换水，手动养殖泵/压载泵/联合排水，溶氧自动调控，自动定时定量投喂、养殖光照、远程遥控起捕等。

③生产管理。精准记录每天养殖情况，包括规格、投饵、摄食、死鱼等情况；全程记录水质监测、药物检测、重金属检测、消毒等日常数据[19]，提供高效安全数据储存和报表系统。

2 养殖集控系统构架及硬件

2.1 系统构架

系统网络分4层构架[20]，分别为信息层、管理层、控制层和设备层。信息层和管理层设备间的数据主要通过工业以太网/光纤传播[21]，提高数据传输速率，部分受限制的设备之间采用了485/422总线通讯[22]；控制层内部设备之间采用Profinet环网总线[23]，增强系统的稳定性和兼容性，制氧机、投饲机和养殖光照控制器等设备内部已配备独立的控制单元，即直接与管理层网络相连接；设备层与控制层设备之间主要为I/0接口[24]。养殖集控系统图如图1所示。

图1 养殖集控系统图

①信息层。信息层为对外连接的窗口[25]，收集外部数据并外发数据。该层网络对外连接有船岸一体化系统[26]、液位遥测与阀门遥控系统、机舱监测报警系统、船舶姿态系统和外界气象数据系统。船岸一体化系统直接从核心交换机处获取岸基所需的养殖生产数据、各养殖设备状态参数和视频监控图文数据等；其他各系统和设备接入各控制站，给养殖监控系统提供必需的外界环境和船舶参数。

②管理层。管理层为人机界面的窗口[27]，提供养殖监控室、养殖集控室和机舱集控室等地集中管理和控制整船养殖系统和装备的界面；该层网络通过核心交换机连接养殖操作站、养殖监控站、视频工作站、生产管理站、船舶监测站、阀门遥控&液位遥测站和数据储存服务器，并通过无线网络交换机接连移动终端，配备声光报警和打印记录等功能。该层控制站为上位机，包含养殖自动控制程序。

③控制层。控制层为管理层和设备层之间的桥梁[28]，配备2套互为备用的集中控制器和多套分布式信号采集箱。动力柜和水质监测等设备的数据通过物理接口或通信接口进入信号采集箱进行转码交互，再通过Profinet环网进入集中控制器，最后进入管理层终端显示；管理层终端控制指令陆续通过控制器和信号采集箱下达到设备层，实现远程遥控和自动控制。

④设备层。设备层由传感器、阀门、执行器和电机水泵等组成，完成系统的执行和状态反馈。

2.2 硬件构成

①管理层硬件。2套DELL R740机架式服务器构成冗余服务器[29]，5套研华ARK-2230配套显示单元和嵌入式键盘鼠标分别为生产管理站、船舶监测站和养殖操作站，Laser NS MFP 1005打印机，UPS不间断电源，西门子XC-208工业以太网交换机，RG-WS7204-A多业务无线控制器，多套RG-AP630-A室外无线AP和RG-AP720-A室内无线AP，10英寸IPS触摸屏移动终端等。

②控制层硬件。PLC主控柜包含一套S7-1500系列冗余控制器[30]，包括串口站、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块和基本电源模块等；分布全船的多套信号采集箱，内含模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块和基本电源等；分布全船的多套动力柜，内含断路器、接触器、保护单元等模块。

3 养殖系统自动化控制

3.1 水体交换自动阀控

为满足各养殖舱均可独立养殖的要求，每个养殖舱配备独立的养殖水泵和遥控阀，实现舱与外界海水的交换，整船15个养殖舱即配备了15套水体交换系统。为减轻劳动负荷和减少出错率，设置自动泵阀联动，只需一键操作即可实现单舱海水交换的开启/停止，简化操作流程，流程图见图2。

图2 自动阀控流程图

“一键开启”流程是由控制中心的操控人员通过操作站集控上位机软件执行开启操作，集控系统给主管工作站(移动终端)发出开启请求；在获得同意后，系统开始检查需开启泵的前后通海阀和入舱阀状态，先开启泵前通海阀，确保泵不抽空，再开启泵后入舱阀，确保泵后海水有去处，避免泵启动后管路水压过高；相关阀在关闭状态时，系统触发阀门开启命令，经延时后再次检查阀门状态，确保阀在开启状态；再启动海水泵，经过延时后检查泵的运行状态，并进行状态反馈；阀门开启失败和泵未能正常运行均触发故障报警，自动程序结束，提醒人工介入。

“一键关闭”流程与“一键开启”的类似，仅泵和阀控制顺序有差异。

每套水体交换系统海水管路中均设置多套压力传感器，在养殖操作站和移动终端中显示，并设有高压声光报警，便于操控人员实时掌握管路状态。

3.2 养殖舱溶氧自动调控

养殖舱内的溶氧浓度是养殖对象安全保障的重要因素，当溶氧值过低时会引起养殖对象惊恐乱窜进而造成擦伤，甚至窒息而亡，因而要时刻保证养殖舱内溶氧值在合理的范围内。全船设置多套供氧和溶氧设备：主制氧机、备用制氧机和液氧装置为供氧端设备，互为备用；增压泵、氧锥装置和应急增氧设备为溶氧设备，冗余配备；还设计有互相独立的管路系统。

养殖集控系统通过水质传感器时刻获取养殖舱内水体中的溶氧浓度值，当该值低于设定值后就触发溶氧调控程序：自动控制程序通过控制氧锥设备、应急曝气设备以及阀门遥控系统进行增氧操作；实时采集运行参数，通过移动终端展现给养殖控制人员；可依据实际情况调整的人工控制策略实时修正；并将所有数据存储在信息系统中以备查看。自动控制系统关系如图3所示。

图3 溶氧自动控制关系图

当舱内溶氧值低于标准值时，系统先判定舱内是否处于养殖状态，非养殖状态对溶氧无要求，而养殖状态下溶氧低将影响养殖对象安全。在养殖状态下，海水泵和增压泵是处于运行状态，系统通过阀门遥控系统调大海水阀开度—加大换水量、调大增压阀开度—加大氧气量等方式来增加溶氧值，并再一次检查舱内溶氧浓度。如溶氧浓度还是异常，系统将检查正常增压设备—增压泵和氧锥的状态，启动应急增氧以应对正常增氧设备的异常状况；而当正常增压设备正常时，即可判定溶氧低为供氧端出了故障，启动备用制氧机或液氧装置。溶氧自动控制流程如图4所示。

图4 溶氧自动控制流程图

3.3 海水泵故障自动处理

海水泵故障直接影响养殖对象的存活，需要单独设置自动处理逻辑，在其故障时先保障养殖对象生存，然后人工现场故障处理。一旦监测发现某一海水泵故障报警了，信息自动生成并推送该养殖舱主管移动终端。当海水泵完全故障停止运行时，舱内海水与外界停止交换，正常增氧失效，系统自动开启液氧紧急增氧并启动应急曝气装置，提示停止当下的投饲并调整投饲计划，并推送数据信息至养殖总监的移动终端，等待确认/修正处理方式。当海水泵部分故障，海水交换量减少，但舱内溶氧未持续下降，舱内养殖对象生存可以得到保障，系统将保持报警状态直至故障消除；如舱内溶氧浓度持续下降，系统就会认定为养殖对象生存受到了危害，将与海水泵完全故障时一样处理。

图5 海水泵故障自动处理流程图

4 人机界面设置

生产管理主界面如图6所示。

图6 生产管理主界面

①养殖状态监测

为了操作人员更好掌控养殖舱状态，养殖集控系统通过水泵启动器、压力传感器、流量传感器、水质传感器以及遥控阀控制箱等监测系统中的各类参数信息，部分监视界面见图6。

水体交换系统管系：海水泵运行/停止状态、海水泵进出口压力、海水总管压力、养殖舱进水柱压力等。增氧系统管系：增压泵运行/停止状态、增压泵进出口压力、应急增氧进出口压力、正常增氧气体流量、应急增氧气体流量、氧锥压力等。养殖舱水质参数：溶氧、温度、pH、盐度等。遥控阀状态：开关状态、遥控/本地、手动/自动、故障等。

②养殖状态控制

养殖状态控制界面包含全部15个养殖舱的“养殖请求”“养殖开启”勾选和状态显示、图例说明和“请求确认”“养殖确认”“复位”等按钮，当养殖舱养殖开启成功后，“养殖开启”将转换为“养殖停止”。养殖状态控制界面图见图6。

如需要开启某一/某些养殖舱的养殖模式，在养殖操作站勾选对应舱室的“养殖请求”后点击“请求确认”按钮，进行养殖模式请求，待主管工作站(移动终端)同意；对应图例说明，通过指示灯闪烁情况可查看目前养殖请求的反馈情况。待请求得到确认后，获得养殖请求确认的养殖舱“养殖开启”的勾选被激活，勾选所需养殖舱“养殖开启”并点击“养殖确认”，对养殖舱进行养殖模式开启，系统调用“一键开启”操作启动海水泵、开启氧气供给、启动增压泵等相应控制逻辑；当执行正常时，该舱室正常养殖前的指示灯为绿色。

③生产管理

养殖生产管理主界面左侧为功能清单：日常生产管理、库存管理、监测管理、成本费用管理、报表统计分析、基础信息维护和用户权限管理(根据登录账号权限而定)；右侧主要展示养殖整体情况：当前的存池数量、存池重量、总投饵量及损失鱼总数，近期投饵量统计，存池重量统计(显示登录账号权限对应的养殖池情况)，成本统计分析和死鱼统计。主界面见图6。

5 结语

针对养殖工船养殖管控需求，搭建了系统框架，研发了工船养殖集控系统：多处控制站的配置和服务器控制器的冗余设计提高了养殖集控系统的安全性；针对养殖过程中最重要的养殖水体和溶氧，开发了自动处理逻辑，在特殊情况下保障养殖对象安全；编写了人机界面软件，方便了操控人员掌握养殖状态并进行远程管控。目前系统已在工船养殖生产中获得实船应用，并长时间稳定运行，成为了工船养殖生产核心系统之一，为安全生产保驾护航；系统创新深远海工业化养殖过程集中管控模式，避免了紧急情况下人工干预不及时而对养殖对象造成的不可逆伤害，解决了深远海养殖人员有限的问题，填补了国内深远海养殖管控系统的空缺，促进了养殖工船自动化和智能化进程，助力深远海养殖发展。