遠洋圍網(wǎng)捕撈裝備的自動化集成控制

徐志強，劉 平，紀毓昭，王志勇，諶志新

(中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

目前中國遠洋圍網(wǎng)漁船成套的自動化控制捕撈設備以進口為主，有關圍網(wǎng)作業(yè)成套設備集成的研究文獻比較少。圍網(wǎng)機械裝備配合圍網(wǎng)作業(yè)需求安裝于圍網(wǎng)漁船上，用來起、放圍網(wǎng)漁具和撈取漁獲物[1]。一套圍網(wǎng)機械少則幾臺，多則30臺以上，其選用及配置需由漁船大小、網(wǎng)具規(guī)格、作業(yè)對象、漁場條件以及用戶對作業(yè)機械化和自動化要求的程度等因素來決定[2-4]。圍捕作業(yè)要求盡可能機械化和自動化，以提高圍捕成功率，減輕勞動強度，保障作業(yè)安全。圍網(wǎng)機械的先進性、經濟性、合理性是衡量漁船作業(yè)性能的重要標志[5-6]，也是改善漁工勞動條件，增強大風浪海況作業(yè)安全性，提高漁船生產率的重要途徑，因此國內外漁業(yè)界十分注重其發(fā)展[7-8]。

挪威、日本、秘魯、美國、俄羅斯、智利、丹麥、冰島等國的圍網(wǎng)漁業(yè)比較發(fā)達，在捕撈技術上以日本、美國、挪威較為先進[9-11]。美國為了在太平洋、大西洋、印度洋等水域適應捕撈鰹魚和金槍魚的圍網(wǎng)作業(yè)，安裝了先進的漁撈設備，1 100 噸級船上備有各種漁撈機械16 種 21 臺， 均采用液壓傳動和集中控制，整個漁撈過程只需6人[12]。日本 116噸級圍網(wǎng)船上有各種機械21～24臺，達到高度機械化。挪威20世紀70年代開始建造大船代替舊船和小船，大型網(wǎng)船達300多艘，船大且有加工設備，大部分漁船裝有橫向推進器，先進、安全、可靠的三滾筒式起網(wǎng)機，在7～8級風浪時仍可作業(yè)，撈取 250 t漁獲物只需30 min左右[13]。盡管在過去的50多年間，中國的圍網(wǎng)漁業(yè)無論從捕撈設備還是從技術管理水平上均取得了長足的進步，但與漁業(yè)先進國家相比，圍網(wǎng)作業(yè)自動化仍處于較低水平，漁場調查、魚群偵察、漁船性能和捕撈操作機械化水平都急需得到進一步提升[14]。

本文基于市場推廣項目，針對沙丁魚等中上層魚種開展成套圍網(wǎng)裝備研制，重點研究成套裝備系統(tǒng)集成與自動化控制，開展液壓動力配置、自動化多路閥控制設計、多設備集成協(xié)作等技術研究，為相關成套圍網(wǎng)裝備系統(tǒng)設計開發(fā)提供成套解決方案。

1 圍網(wǎng)漁船布局及關鍵裝備技術參數(shù)

1.1 技術簡介與需求分析

圍網(wǎng)作業(yè)是根據(jù)捕撈對象集群的特性，利用長帶形或一囊兩翼的網(wǎng)具，采用圍捕或結合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中于取魚部或網(wǎng)囊，完成魚群圍捕的一種作業(yè)方式[15-17]。圖1為圍網(wǎng)作業(yè)示意圖。利用圍網(wǎng)漁船良好的快速性和回轉性，以適時速度追捕魚群，同時在圍捕過程中要求多個機械裝備協(xié)調操作，在短時間內利用有限長度和高度的網(wǎng)具把運動狀態(tài)下的魚群包圍。因此，提升圍網(wǎng)漁船的機械化和自動化水平是提高圍捕效率、降低空網(wǎng)率和逃魚率的必要保障，同時也是保障作業(yè)安全、減輕勞動強度的重要手段。

圖1 圍網(wǎng)作業(yè)整體示意圖

主要圍網(wǎng)裝備布置圖如圖2所示。理網(wǎng)機[18]安裝于船尾，用于待三滾筒起網(wǎng)機將網(wǎng)具絞收至船尾后配合3～4名漁民將網(wǎng)具整理整齊，因此理網(wǎng)機需要安裝在船尾高處，并配有變幅和轉向裝置；雙滾筒絞機是圍網(wǎng)船的關鍵設備之一，采用雙滾筒結構，其中一個滾筒用于快速起放沉子綱，另一個滾筒用于起放連接在浮子綱上的跑綱，配合完成整個圍網(wǎng)作業(yè)；輔助絞機與吊機配合完成起網(wǎng)過程中的網(wǎng)具拖曳工作；A架導向沉子綱與跑綱，配合雙滾筒絞機保證順利完成起放網(wǎng)工作；吸魚泵與分級機多為成套裝置，兩者以橡膠軟管連接，用于將集群于圍網(wǎng)中的漁獲物吸捕、分級至船艙中，采用吸魚泵取魚可提高捕撈效率13.5%左右，同時也大大減少船員人數(shù)，已成為現(xiàn)代圍網(wǎng)生產中的重要環(huán)節(jié)。目前，主流吸魚泵分為離心式與真空式兩種[19]，典型的離心式吸魚泵以挪威進口為主，揚程可達15 m以上，要求魚水混合密度33%以上，12英寸口徑的吸水能力每小時可達600 t，對30～ 50 cm長的魚類損傷率不超過3%；真空式吸魚泵國內也有不少廠家生產，由于在管道中沒有葉片或其他轉動部分與魚體接觸，所以不損傷魚體，但耗能大[20-21]。現(xiàn)代圍網(wǎng)漁船不但配備傳統(tǒng)的探魚儀等助漁設備，還利用衛(wèi)星遙感技術判斷魚群的可能位置，甚至在金槍魚圍網(wǎng)中直升機觀察手段也已獲得較廣泛的應用。盡管如此，圍網(wǎng)生產在探魚方面仍要花費大量的時間，漁場調查、魚群偵察技術等問題還沒有根本解決。

圖2 主要圍捕裝備布置圖

1.2 主要設備技術參數(shù)與協(xié)調作業(yè)

根據(jù)圍網(wǎng)作業(yè)流程，參照網(wǎng)具規(guī)格及作業(yè)需求，確定主要設備的技術參數(shù)(表1)。

雙滾筒絞機是圍網(wǎng)漁船的關鍵裝備之一，其結構形式設計為前主滾筒與后高速滾筒，其中，主滾筒用于起放沉子綱，高速滾筒用于起放跑綱，其結構形式詳見圖3所示。

表1 主要設備技術參數(shù)

圖3 雙滾筒絞機結構示意圖

雙滾筒絞機的長寬高尺寸大致為3 500 mm×2 500 mm×2 300 mm，兩個滾筒獨立工作，放纜時脫開離合器，依靠水流力量快速放出纜繩，同時通過控制手動剎車裝置的松緊力度來控制放纜速度。收攬前，先操作閉合離合器，依靠液壓馬達絞收纜繩。

艏、艉側推是起網(wǎng)過程中的主要裝備之一，用于克服起網(wǎng)過程中雙滾筒絞機、三滾筒起網(wǎng)機以及水流、風流的作用力，將船舶從網(wǎng)具中推開[22]，因此，艏、艉側推產生的推力之和要大于絞收時絞機的拉力。通過航行試驗證明，對于工作負荷50 kN的圍網(wǎng)船，艏、艉側推各25 kN的設計載荷完全能滿足起網(wǎng)需求，在實際使用過程中，可利用水流、風流輔助起網(wǎng)。由于起網(wǎng)負載偏向船尾，因此在動力分配設計中應當優(yōu)先將富余供給艉側推。側推的推力按照1 kW功率輸出0.11～0.12 kN核算[23-24]。根據(jù)不同工況下設備的工作周期(表2)，可以找到系統(tǒng)功率最大的工況是起網(wǎng)作業(yè)工況，此時艏側推、艉側推、高速滾筒、主滾筒、三滾筒起網(wǎng)機、理網(wǎng)機與輔助絞機同時工作，以此作為設計液壓系統(tǒng)功率的依據(jù)，不同時工作的設備共用油源，最大程度地降低系統(tǒng)總功率。

表2 主要設備工作周期

2 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)包括有泵源組件、操作閥組件、執(zhí)行組件三大模塊(圖4)。泵源組件是動力輸出模塊，是驅動整條船起捕裝備的動力來源；操作閥組件根據(jù)設備功率需求將泵源合理分配，通過操作閥可實現(xiàn)油量的分流和集流，同時分別控制各設備正向、反向、停止等動作；執(zhí)行組件即集成在作業(yè)裝備上的馬達、油缸等液壓元器件。

泵源組件包括液壓泵、動力輸出機構、油源閥組、油箱等。動力輸出機構由柴油機動力輸出機構(PTO)的飛輪端外加55 kW電機組成，其與液壓泵的布置形式為：柴油機飛輪端—齒形塊聯(lián)軸器—離合增速分動箱—液壓泵(圖5)。

此布置形式可綜合利用主機功率，合理分配主機動力輸出，能提高設備操縱性、可靠性，也達到節(jié)能的目的。PTO驅動多臺液壓泵，可做到互為備用，提高系統(tǒng)的冗余性。油源閥組用于油路的合并與分流，可根據(jù)工況需求靈活布置。

圖4 液壓系統(tǒng)圖

操作閥組件由5組多路閥組成，根據(jù)需要選擇每組閥的工作片，實現(xiàn)油路的集成與動作控制。由于所有閥組均選用手動、液動一體驅動方式，因此可將液動控制油路集成到一個操作平臺上，在實現(xiàn)各設備集成控制的同時，也可保證各設備協(xié)調配合的安全性。由于工作片間選型有壓力補償單元與負載敏感控制組件[25-26]，因此能保證各設備既可單獨動作，也可同時動作，可極大提高工作效率。執(zhí)行組件包括艏、艉側推在內的10臺設備，合計18個執(zhí)行機構，通過操作閥組件的手柄動作，做到各設備協(xié)調動作，相互配合完成圍網(wǎng)作業(yè)。

圖5 PTO動力輸出連接形式

3 艏艉側推電氣系統(tǒng)

艏、艉側推是圍網(wǎng)作業(yè)的關鍵設備，能顯著提高圍網(wǎng)漁船的機動性能。艏艉側推控制器用于控制艏側推與艉側推的轉速及方向，電氣原理見圖6。

側推操作一用一備，既可在駕駛室里操作，也可在機側操作臺上操作，兩者通過使能按鈕進行切換。操作人員操縱電控手柄，改變手柄偏向及角度發(fā)出正轉或反轉命令，手柄傾斜角度越大，轉速越快，船體側推動作越明顯。CAN-IO14控制器接收電控手柄信號后，經過比例放大模塊，驅動操作閥組件的閥芯開啟方向與開啟程度，從而改變側推的方向與轉速。

推動電控手柄，相應的動作指示燈通電，燈亮，側推動作，手柄恢復中位，駕駛臺動作指示燈斷電，燈滅。同時也可將報警動作集成在控制器中，此時動作指示燈兼作故障指示燈，監(jiān)控電控閥接線，如果有錯誤及短路、斷路、電流超負荷等，指示燈閃亮?？刂破魇状瓮娀蛘邤嚯娫俅瓮姇r，如果駕駛臺及液壓操作臺某一電控手柄不在中位，控制器保護，所有手柄操作失效，需要先將所有手柄恢復中位后再進行操作才有效，所以要求艏艉側推控制手柄操作完成后及時恢復中位，以免影響下次操作。CAN-IO14控制器正常工作電壓為(24±4)V，電壓波動引起電壓超過此范圍，將導致液控閥不驅動或驅動不到位。

圖6 艏艉側推電氣系統(tǒng)圖

4 實船驗證

2015年12月—2016年2月期間，交付完成的8條遠洋圍網(wǎng)漁船先后于山東榮成附近海域開展船舶航行和設備試驗，累計試驗次數(shù)12次。通過在集中控制臺上操縱比例減壓閥的控制手柄，控制絞綱機實現(xiàn)正、反轉及停車，當絞綱負載較小或處于底徑，需要滾筒較大轉速時，可操縱集控臺手柄實現(xiàn)絞綱機無級變速。整個試驗過程中，所有設備運行動作平穩(wěn)、準確，無異常振動和怪聲，雙滾筒絞機、輔助絞機等起網(wǎng)設備剎車制動可靠，限位裝置動作準確、無誤，設備各部件在試驗過程中均無變形、無裂縫，液壓系統(tǒng)無異常發(fā)熱現(xiàn)象，船、機、網(wǎng)匹配效果良好，網(wǎng)具起放流暢，網(wǎng)具打開充分，達到預期目標。整個起放網(wǎng)作業(yè)時間不超過30 min，整個漁撈作業(yè)過程由原先10～14人縮減為6人，機械化程度顯著提高，驗證了整套系統(tǒng)的可靠性與高效性。目前8條遠洋圍網(wǎng)漁船在毛里塔尼亞、安哥拉等地進行漁業(yè)捕撈生產，從事沙丁魚等小型中上層魚種的捕撈作業(yè)，網(wǎng)次產量可達10萬t。

5 結論

通過機械化裝備研制與自動化系統(tǒng)集成，圍網(wǎng)捕撈裝備實現(xiàn)了國產化，試驗與實際生產均驗證了系統(tǒng)設備工作穩(wěn)定、操作靈活、工況適應型強，能夠滿足漁業(yè)生產要求。捕撈裝備包括雙滾筒絞機、三滾筒起網(wǎng)機、理網(wǎng)機、吸魚泵、回轉折臂吊、魚水分離器等10臺套設備，多臺設備協(xié)調作業(yè)、集成操作，高效傳動與自動化技術顯著提高了遠洋圍網(wǎng)漁船的捕撈效率。圍網(wǎng)作業(yè)的聚而圍之、吸捕轉運等技術裝備研發(fā)將對深遠海平臺養(yǎng)殖模式的開發(fā)提供重要的技術與裝備支撐。

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