水產(chǎn)養(yǎng)殖中復(fù)合精確自動增氧技術(shù)研究

蔣建明 朱正偉 李正明 趙德安 史 兵

(1.常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 常州 213164； 2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

引言

我國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國，傳統(tǒng)的小規(guī)模依靠自然條件養(yǎng)殖模式已逐步淘汰，高密度規(guī)?；B(yǎng)殖已成為一種趨勢。節(jié)能減排、降低成本和提高水產(chǎn)品質(zhì)量、滿足人民群眾日益增長的品質(zhì)需求是眾多養(yǎng)殖戶不斷追求的目標(biāo)。

高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖中保持水體溶解氧濃度穩(wěn)定是穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的基礎(chǔ)，為此許多養(yǎng)殖戶不惜采用過量粗放式增氧確保安全，浪費了電能，但安全系數(shù)仍然不能有效提高。普遍采用手動控制單一機械增氧模式，增氧機械80%左右為葉輪增氧機，其他還有微孔曝氣式、水車式等，其增氧效率相對低下。顧海濤等[1]提出數(shù)字化、智能化控制是水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧技術(shù)的發(fā)展趨勢。張世羊等[2]提出依據(jù)不同增氧機械的特點，白天宜采用耕水機工作，夜晚增氧宜采用葉輪增氧機。本文提出一種采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測水體溶解氧濃度，耕水機晝夜不停耕動水體改善水質(zhì)和應(yīng)急情況下采用葉輪增氧機變頻增氧的綠色精確增氧模式。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個養(yǎng)殖池增氧設(shè)備由1臺葉輪增氧機和1臺由太陽能電池供電的晝夜不停耕動水體的耕水機組成。水體溶解氧濃度通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)矫總€養(yǎng)殖池的基站，基站通過串行通信傳輸給控制器CPU，CPU根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定上、下限值控制葉輪增氧機啟動和停止。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system hardware

2 增氧控制

系統(tǒng)增氧主要分為太陽能驅(qū)動耕水機綠色增氧和電力驅(qū)動葉輪增氧機應(yīng)急增氧。

2.1 耕水機的綠色增氧

耕水機功率一般分為25、40、60 W，它利用流體力學(xué)的原理，以極低的功耗驅(qū)動養(yǎng)殖池水體大范圍循環(huán)運動。工作時耕水機附近表層水面由中心向四周緩緩擴散流動，底層水體源源不斷提升補充。整個養(yǎng)殖池以耕水機為中心形成涌升流，表層水和底層水不斷循環(huán)置換[3-4]。主要作用有：有效消除底層水體中氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等有害物質(zhì)，對沉積的殘餌、排泄物等分解，同時溶解氧濃度低的底層水體循環(huán)到表層，有利于空氣中的氧氣擴散溶入水中。根據(jù)研究報道[3-7]，藻類的光合作用

(1)

是增加水體溶解氧濃度的主要途徑，在無增氧措施的情況下，占到90%左右。藻類原生質(zhì)的碳、氮、磷3種元素按平均原子個數(shù)比為：C∶N∶P=106∶16∶1。藻類對營養(yǎng)要素的吸收也是按照這個比例進行的。

藻類在光合作用的過程中不僅吸收水中大量CO2和產(chǎn)生O2，同時吸收了氮磷，凈化了水體。耕水機驅(qū)動水體上下循環(huán)使整個水體中的藻類都有機會進行光合作用達到富氧狀態(tài)。節(jié)省了葉輪增氧機電力增氧時間，節(jié)約了電能。水體的循環(huán)流動促進了藻類和浮游生物的生長，成為魚蝦的天然餌料，減少了餌料的投放[8-12]。但耕水機的應(yīng)急增氧能力弱小，需要其他機械應(yīng)急增氧[13-15]。

2.2 葉輪增氧機的精確增氧

葉輪增氧機是在20世紀(jì)70年代研制成功的漁業(yè)增氧機械，至今仍然是我國最主要的機械增氧設(shè)備。它具有攪水、增氧、混合和曝氣的作用。按功率一般分為0.75、1.5、3 kW，具有構(gòu)造簡單、成本低廉和維護方便等優(yōu)點[16-21]。

2.2.1增氧效果分析

空氣中的氧氣從混合液的氣相一側(cè)擴散到液相一側(cè)，氣相一側(cè)中氧氣濃度比液相一側(cè)的濃度越大，則擴散的速度越快，當(dāng)二者相近時，增氧效率低?？諝庵醒鯕庀蛩w中擴散的規(guī)律可以用菲克(Fick)定律描述

(2)

式中Vd——物質(zhì)的擴散速度

DL——擴散系數(shù)

C——當(dāng)前擴散物質(zhì)濃度

X——擴散過程長度

dC/dX——單位長度內(nèi)的濃度變化量，即擴散濃度的梯度

再根據(jù)劉易斯(Lewis)和懷特曼(Whitman)創(chuàng)立的雙膜理論

(3)

式中M——單位時間t內(nèi)擴散物質(zhì)通過擴散界面的數(shù)量

A——擴散界面面積

把式(3)代入式(2)得到

(4)

由圖2可知：①在擴散界面兩側(cè)的氣相一側(cè)和液相一側(cè)存在層流狀態(tài)的液膜和氣膜，液相及氣相主體分別處在外側(cè)。液相和氣相主體處于紊流狀態(tài)。而氣體分子需要以分子狀態(tài)分別通過氣膜和液膜，然后融入液相主體。②在機械增氧過程中，增氧的速度主要取決于氧分子通過擴散界面液膜的速度。③液相中氧分子的濃度梯度和氣膜中氧分子分壓梯度是氧氣擴散的主要推動力。④擴散界面兩側(cè)存在紊流狀態(tài)氣相主體和液相主體，兩種主體內(nèi)物質(zhì)濃度均勻，基本沒有傳質(zhì)阻力和濃度差。氣體分子擴散的阻力主要存在于氣膜和液膜中。

圖2 雙膜擴散理論模型Fig.2 Two-film diffusion theory model

在增氧過程中，氧氣溶入水中的阻力在空氣和水接觸的液膜上，氧分子通過液膜的轉(zhuǎn)移速度就是氧氣溶入水中的控制速度。在液膜溶解氧濃度梯度為

(5)

式中Xf——液膜厚度

CS——空氣與液面交界處的溶解氧濃度

把式(5)代入式(4)得

(6)

由式(6)可知，為了提高氧氣向水體的傳遞速率dM/dt,可以考慮以下因素：①提高氣膜和液膜界面處的溶解氧濃度CS，如采用純氧增氧(成本太高)。②降低液膜厚度Xf，如加速氣、液面的更新。③增加氣、液接觸面積。同時還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前水體溶解氧濃度C接近CS時，二者的差值極小，此時增氧效率低，因此當(dāng)水體溶解氧濃度高時，繼續(xù)增氧效率比較低。

為了在水體溶解氧濃度低于下限值時及時啟動葉輪增氧機精確增氧和避免在高于設(shè)定上限值時低效增氧，必須對水體溶解氧濃度實時監(jiān)測。

2.2.2水體溶解氧濃度無線監(jiān)測

養(yǎng)殖池水體溶解氧監(jiān)測如果采用有線監(jiān)測需要架設(shè)電纜，成本高且影響?zhàn)B殖池其他作業(yè)，因此采用ZigBee無線通信監(jiān)測(圖3)，協(xié)議采用低能量自適應(yīng)分群分層路由協(xié)議(Low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)。

圖3 溶解氧傳感器及ZigBee模塊Fig.3 Dissolved oxygen sensor and ZigBee module

水體溶解氧濃度變化慣性系數(shù)大，測量節(jié)點向基站發(fā)送測量數(shù)據(jù)的周期較長。測量過程中由于多種原因引起個別時間測量數(shù)據(jù)失常，明顯偏離實際值，這種粗大誤差歪曲了測量結(jié)果，在測量控制一體化系統(tǒng)中，如不及時刪除容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)的混亂。

當(dāng)測量次數(shù)多時，可以通過萊特準(zhǔn)則刪除粗大誤差測量值；當(dāng)測量次數(shù)較少時，測量值誤差分布偏離正態(tài)分布，大致成t分布，可以采用肖維涅準(zhǔn)則(表1)。

表1 肖維涅系數(shù)Tab.1 Shawley coefficients

假設(shè)某節(jié)點在一個數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)感知溶解氧質(zhì)量濃度為：y0=5.01 mg/L，y1=5.08 mg/L，y2=5.12 mg/L，y3=5.03 mg/L，y4=4.95 mg/L，y5=5.36 mg/L，y6=4.92 mg/L，y7=4.98 mg/L，y8=5.11 mg/L，y9=4.95 mg/L。

認(rèn)為y5是粗大誤差，應(yīng)該刪除。刪除后重新計算：

v=σc(n)=0.073×1.92=0.140 mg/L

而此時最大絕對誤差為

則系統(tǒng)認(rèn)為已不存在粗大誤差，則測量均值為5.017 mg/L，在規(guī)定時間向基站發(fā)送。

為了保證測量的客觀性和安全性，根據(jù)實際情況，每個養(yǎng)殖池可以安置多個測量節(jié)點，基站求取平均值后傳輸給CPU。

2.2.3增量式PID控制增氧

從降低成本角度考慮，溶解氧應(yīng)急變頻增氧不適合采用復(fù)雜算法控制，要求控制穩(wěn)定、簡單高效，特殊情況下，從變頻增氧模式人工切換到工頻增氧模式達到無擾動切換，增量式PID控制能夠滿足上述要求。離散的PID控制為

(7)

式中u(k)——控制器輸出

e(k)——控制器輸入，是設(shè)定值與被控量之差

kp——比例放大系數(shù)

ki——積分系數(shù)kd——微分系數(shù)

增量式PID數(shù)字控制器的輸出是控制量的增量Δu(k)，可以采用硬件或軟件方法實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用軟件算法實現(xiàn)，依據(jù)式(7)可以得到

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

kpΔe(k)+kie(k)+kd(Δe(k)-Δe(k-1))

(8)

其中

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

代入式(8)得到

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(9)

其中

式中Ti——積分時間Td——微分時間

T——運行時間

當(dāng)采樣周期確定后，選定kp、Ti、Td后，則A、B、C系數(shù)確定，系統(tǒng)獲取測量的3次誤差就可確定增量式PID的輸出的變化量Δu(k)。

3 試驗結(jié)果與分析

選擇4個100 m×80 m的養(yǎng)殖池，主要以四大家魚養(yǎng)殖為主，1號和2號養(yǎng)殖池采用太陽能驅(qū)動40 W耕水機和電力驅(qū)動3 kW葉輪增氧機的復(fù)合自動增氧模式，控制裝置如圖4所示，耕水機通過200 W的太陽能電池組件供電。3號和4號養(yǎng)殖池采用單一手動控制3 kW葉輪增氧機模式。養(yǎng)殖周期為2 a。自動增氧時PID控制參數(shù)T為10 s，kp為20，Ti為1 min，Td為5 s。水體溶解氧濃度測量深度為水面下0.6 m處，當(dāng)濃度低于5.0 mg/L時，葉輪增氧機啟動，開始變頻增氧；當(dāng)大于6.5 mg/L時停止增氧。啟動后，增氧目標(biāo)設(shè)定值為5.5 mg/L。單一增氧模式開啟時間為夏季晚上20:00至第2天早上08:00，陰雨天全天開機，冬季不開機，采用工頻增氧。夏季某天測量得到溶解氧濃度變化如圖5所示。

圖4 變頻控制裝置及葉輪增氧機工作圖Fig.4 Frequency control device and impeller aerator working diagrams

圖5 溶解氧濃度變化曲線Fig.5 Variation curves of dissolved oxygen concentration

由圖5可知，復(fù)合方式控制養(yǎng)殖池水體溶解氧質(zhì)量濃度大部分時間穩(wěn)定在5.5 mg/L，達到了精確增氧的目的；在09:00—17:00之間，耕水機工作使養(yǎng)殖池水體上下交換，上下層水體中的藻類都有機會通過光合作用儲備溶解氧，達到了綠色增氧效果。單一增氧模式養(yǎng)殖池溶解氧濃度變化較大，在葉輪增氧機開啟前達到了最低值，而且溶解氧濃度下降速度快，主要是因為白天由于藻類的光合作用僅增加了上層水體溶解氧濃度，雖然上層水體溶解氧濃度過飽和，但中下層水體由于不能上下循環(huán)，養(yǎng)殖池溶解氧整體濃度仍然較低。

圖6 溶解氧濃度差值變化曲線Fig.6 Variation curves of dissolved oxygen concentration difference

通過測量水面下0.6 m和1.0 m處的溶解氧濃度，得到差值變化如圖6所示。

由圖6可知，單一增氧方式葉輪增氧機在08:00左右停止工作后溶解氧濃度逐漸產(chǎn)生了階躍分層，一直到20:00左右重新啟動才消除分層。而復(fù)合增氧方式由于耕水機不停循環(huán)耕動水體，大部分時間消除了溶解氧的階躍分層，只有在20:00—23:00左右短暫分層，優(yōu)化了魚蝦的生長環(huán)境。

各養(yǎng)殖池成本、利潤如表2所示，在規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖中，雖然采用復(fù)合增氧方式硬件初期投入大于單一增氧方式，但總體利潤仍大于單一增氧方式，而且前期的投入可以繼續(xù)使用，減少了下期硬件投入。

表2 各養(yǎng)殖池投入成本、利潤統(tǒng)計Tab.2 Statistics of cost and profit of each pool 元

4 結(jié)束語

對太陽能電池綠色驅(qū)動耕水機改善水質(zhì)和變頻精確控制葉輪增氧機應(yīng)急增氧進行了試驗，試驗結(jié)果表明，復(fù)合增氧方式雖然初期投資較多，但增氧效率好，節(jié)省了人力與電力資源，與單一增氧方式相比節(jié)省了約65%的電能、80%的人力成本和20%的藥品等，雖然機電設(shè)備投資增加了約1.89倍,但總體利潤增加20%以上。

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