深海網(wǎng)箱自動投料裝置的設(shè)計與研究

張益鵬，史曉敏，董帥喜

（浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022）

1 前言

我國沿海地區(qū)擁有較多的海產(chǎn)資源，但是由于對海產(chǎn)的過度捕撈，導(dǎo)致海產(chǎn)資源嚴(yán)重短缺，海產(chǎn)的供給日益依賴海水養(yǎng)殖。但目前，我國近海海域的資源開發(fā)利用已經(jīng)接近飽和，養(yǎng)殖方式的粗放導(dǎo)致了環(huán)境惡化、污染加劇、疾病增加、養(yǎng)殖生物品質(zhì)降低等一系列問題，預(yù)示著近海海水養(yǎng)殖已經(jīng)走到了發(fā)展的極限。挪威是國外深水網(wǎng)養(yǎng)魚的典范，我國自“十五”以來，國家及各級政府都大力引進(jìn)、吸收、發(fā)展深水網(wǎng)養(yǎng)魚，山東、浙江、廣東、海南都有較多的成功案例，這使得深水網(wǎng)養(yǎng)魚技術(shù)已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展方向。

與傳統(tǒng)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)相比，該產(chǎn)業(yè)具有顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，并可在沿海地區(qū)開辟出一片可供臨海工業(yè)、倉儲物流和沿海旅游的區(qū)域。而深水網(wǎng)箱產(chǎn)業(yè)又是一個龐大的系統(tǒng)工程，其所承載的產(chǎn)業(yè)集群也是一個龐大的系統(tǒng)工程。深水網(wǎng)箱設(shè)備覆蓋了網(wǎng)箱材料、加工制造、機(jī)電設(shè)備等行業(yè)，深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖將對水產(chǎn)品加工流通、苗種培育、餌料生產(chǎn)、病害防治以及休閑旅游等各個領(lǐng)域產(chǎn)生輻射效應(yīng)。全面發(fā)展深水網(wǎng)箱，是轉(zhuǎn)變漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要途徑，它是提高我國漁業(yè)工業(yè)的核心競爭力、引導(dǎo)漁民增加收入的一條重要途徑，也是改善海洋生態(tài)環(huán)境的一條重要措施。

2 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本裝置由自動放料裝置和儲料底盤兩大部分構(gòu)成，儲料底盤是由浮力底盤支撐，自動放料裝置通過四周調(diào)節(jié)桿和支架與儲料底盤連接。儲料筒存儲需要投喂的飼料，儲料筒頂部固定有筒蓋，筒蓋頂部通過電機(jī)罩固定有電機(jī)，內(nèi)腔連通的排料管上安裝有料口控制器，出料結(jié)構(gòu)中下料管擴(kuò)散并傾斜向下設(shè)置能夠?qū)⑴懦娘暳暇鶆虻財U(kuò)散到養(yǎng)殖水面上，增加飼料分布的面積，避免養(yǎng)殖的魚類處于較為擁擠的環(huán)境中進(jìn)食，料口控制器通過內(nèi)置電機(jī)從下料管出料，與此同時，飼料殘渣收集結(jié)構(gòu)開始工作，氣泵向浮力橡膠球囊通入空氣，使得支撐桿向上浮起，從而帶動支撐桿的攔截網(wǎng)向上傾斜，使得在喂食時產(chǎn)生的飼料殘渣和魚類產(chǎn)生的糞便能夠在攔截網(wǎng)的作用下限制在一定范圍內(nèi)，避免飼料大范圍擴(kuò)散造成海水的污染，并在殘渣過濾結(jié)構(gòu)的作用下抽離海水，經(jīng)過過濾處理后便于集中處理，降低對海水的污染，提高環(huán)保效果。

深水網(wǎng)箱自動投料裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 投料原理

當(dāng)前，市場上出售的裝置魚餌投放模式主要有三種：電磁振動投放模式、機(jī)械振動投放模式和渦輪蝸桿投放模式。但是，電磁型的穩(wěn)定性較差，精度較低，而且由于受深海養(yǎng)殖環(huán)境的制約，經(jīng)常變換也不方便；蝸桿驅(qū)動的蝸輪型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價比較昂貴，而且很難維修。

因此，本裝置采用下料方式選擇電機(jī)氣泵氣壓式出料，使氣壓遠(yuǎn)大于水壓的阻力，從而使餌料精準(zhǔn)壓進(jìn)網(wǎng)箱，減少餌料因?yàn)樗畨憾速M(fèi)，提高餌料的利用率，并且能夠在水箱里儲存多余餌料以便回收，減少餌料污染水質(zhì)。

2.2.1 飼料數(shù)量估算

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖由于養(yǎng)殖區(qū)域在遠(yuǎn)離海岸的海中，增加了飼養(yǎng)難度。利用自動投料控制系統(tǒng)，可以對遠(yuǎn)離海岸的網(wǎng)箱進(jìn)行投料，促進(jìn)遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展。在大規(guī)模網(wǎng)箱養(yǎng)殖中，采用自動投料設(shè)備優(yōu)化投料方式，解決人工投料勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高、精度低、可靠性低等問題。因此，自動投料技術(shù)在開闊海網(wǎng)箱養(yǎng)殖收益中起著關(guān)鍵作用。飼料是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最重要的可變成本，一般占水產(chǎn)養(yǎng)殖總成本的50%～80%。養(yǎng)殖管理的一個重要方面是通過減少飼料浪費(fèi)和節(jié)約成本，將飼料成本降至最低。

以大黃魚為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)采用了70m 的圍網(wǎng)、水深15m 的網(wǎng)箱。設(shè)置投餌密度70g/30 尾/m2，由于幼苗期是黃魚采食量最大的時期，所以一天應(yīng)投喂4 次左右的人工配合飼料，并且投餌量應(yīng)按大黃魚的體重而定，通常魚苗期的投餌率為1.0%～1.3%，每網(wǎng)箱設(shè)置2 臺投餌機(jī)。

查閱相關(guān)數(shù)據(jù)知，市面上最常見的魚飼料的比重約為394kg/m3，設(shè)料箱半徑為r，高為h，則由公式：

可以算出，一個網(wǎng)箱每周的投料量應(yīng)該在這個數(shù)量左右：

2.2.2 氣泵風(fēng)機(jī)選擇

性能要求：試驗(yàn)投料距離定為，其最大投料量定為。輸送物料量Gb是輸料管單位時間內(nèi)通過的最大輸送量，所以輸料量Gb需要在平均輸送量的基礎(chǔ)上加上一定余量。如下：

輸送氣流速度的選擇上，相對粒度均勻的物料，一般取懸浮速度的1.5 ～2.5 倍。

輸送濃度為單位時間內(nèi)通過輸料管某一截面物料的重量Gs 和空氣重量（Ga=γaG）的比值。

式中，Gs為物料重量（kg/h）；Ga為空氣重量（kg/h）；γa為空氣重度（kg/m3）；Q 為空氣流量（m3/h）。

管道總壓損主要包括水平管沿程靜壓損、加速壓損和局部壓縮，計算如下：

送料水平沿程靜壓損，由達(dá)西公式：

在流體力學(xué)理想流體微分形式的伯努利方程式中，加入能量損失一項(xiàng)就得出氣體在管道內(nèi)流動的微分形式的伯努利方程，即為：

鼓風(fēng)機(jī)的類型一般有羅茨風(fēng)機(jī)和高壓漩渦風(fēng)機(jī)兩種，其中羅茨風(fēng)機(jī)雖然可以固定輸出風(fēng)量不隨負(fù)載變化而變化，但其缺點(diǎn)是笨重不易挪動。而高壓漩渦風(fēng)機(jī)可以滿足要求且其輕便易于搬運(yùn)與使用，缺點(diǎn)是風(fēng)量會隨著負(fù)載變化而變化。而本裝置平臺未來是搭建在投餌裝置上，重量過大不利于裝置運(yùn)行，所以選用輕巧的高壓漩渦風(fēng)機(jī)。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，選用亞士霸電機(jī)，型號HG-3800S，額定電壓380V，最大風(fēng)壓42kPa，最大吸壓38kPa，最大風(fēng)量400m3/h,噪音70 分貝，風(fēng)管口徑60mm。

2.3 自動放料結(jié)構(gòu)

自動放料系統(tǒng)就是送料軸和控制器相結(jié)合的系統(tǒng)。首先，使飼料進(jìn)入儲料筒的底部，由電機(jī)罩下的電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動送料軸外圓的螺旋輸送扇葉機(jī)械的轉(zhuǎn)動，來控制行程，這種傳動結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，且在儲料筒應(yīng)用中狀態(tài)穩(wěn)定，同時自動控制箱控制料口控制器，使料從排料管與支撐盤頂部軸心處開設(shè)的通孔有序地自動流入支撐盤底部，從而能夠定時定量地輸送所需要的飼料，降低人工勞動強(qiáng)度，提高飼料投喂效率。

3 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

水環(huán)境監(jiān)測主要是指利用現(xiàn)代監(jiān)測手段(在線遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備、浮標(biāo)、水下機(jī)器人、無人機(jī)等)獲取公海網(wǎng)箱所在區(qū)域的水文、水質(zhì)信息，包括近海風(fēng)速和風(fēng)向、浪高、洋流速度等。水文參數(shù)、水溫、pH 值、溶解氧、亞硝酸鹽、氨氮、葉綠素等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并從實(shí)時獲取的數(shù)據(jù)中分析水質(zhì)參數(shù)的變化，解決了傳統(tǒng)的開闊海網(wǎng)箱養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測方法無法動態(tài)反映水質(zhì)變化的問題，實(shí)現(xiàn)了開闊海網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域無人值守作業(yè)的目標(biāo)，使?jié)O民可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控室中隨時獲取明海網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域的水文和水質(zhì)參數(shù)。

傳感器系統(tǒng)是本裝置的關(guān)鍵部分之一，主要由水質(zhì)傳感器、溫度傳感器和魚類生長傳感器組成。

3.1 水質(zhì)傳感器

水質(zhì)傳感器裝在浮力底座的前端，并固定在靠近水面的位置，它使用了光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器的組合，其中光學(xué)傳感器是通過測定水體中的光強(qiáng)來測定溶解氧和濁度，而電化學(xué)傳感器是通過電極對水體中的離子濃度來測定pH。該系統(tǒng)可為水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的智能化控制提供依據(jù)，確保水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

3.2 溫度傳感器

在溫度傳感器方面，將熱敏電阻器與溫度傳感器芯片結(jié)合在一起，可以對水溫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。安裝在網(wǎng)箱的四壁上，可以方便地獲取更加精確的水溫數(shù)據(jù)，這些傳感器可以提供精確的水溫數(shù)據(jù)，為裝置的智能控制奠定了基礎(chǔ)，確保魚類獲得了一個良好的生長環(huán)境。

3.3 魚類生長傳感器

在網(wǎng)箱底部設(shè)置了一個魚體長徑儀，該儀器利用水壓和感光兩種傳感器，實(shí)現(xiàn)了對魚體長和魚體寬的監(jiān)測。在喂魚裝置中，魚兒在網(wǎng)箱中來回穿梭，通過水壓和感光傳感器，監(jiān)測魚兒的個數(shù)、群數(shù)等信息。該系統(tǒng)可為裝置的智能化控制提供可靠的依據(jù)，以確保魚體在合適的飼養(yǎng)環(huán)境中獲得足夠的營養(yǎng)。

4 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 PLC 與單片機(jī)的選擇

PLC 等同于一種控制設(shè)備，主要是通過控制控制領(lǐng)域的梯形圖編程，例如數(shù)控制機(jī)床、電梯等。單片機(jī)在工業(yè)過程控制，過程監(jiān)測，工業(yè)控制器和機(jī)電整合控制系統(tǒng)中被廣泛使用。從工程的角度來看，對于少數(shù)重復(fù)或單個項(xiàng)目，環(huán)境要求不高，可以使用可編程控制器，方便且快速，成功率很高，具有可靠性，但成本相對較高。如果它是相對較大的支持項(xiàng)目或大型項(xiàng)目，則施工單元可以考慮使用單片機(jī)，不僅降低成本，而且還可以使用高效率。

4.2 單片機(jī)控制

4.2.1 硬件選擇

AVR 單片機(jī)是在最近十幾年發(fā)展起來的一種新型單片機(jī)。從運(yùn)行速度、存儲空間、內(nèi)部功能模塊的整合、以串行接口為基礎(chǔ)的外部擴(kuò)展等各方面來看，AVR 單片機(jī)都要優(yōu)于51 單片機(jī)。

4.2.2 控制面板設(shè)計

為了方便用戶對深海網(wǎng)箱自動投餌裝置進(jìn)行控制和監(jiān)測，我們設(shè)計了一塊控制面板（圖2）。該面板包括液晶顯示屏、按鍵、LED 指示燈等元件，用戶可以通過按鍵設(shè)置投餌時間、投餌量等參數(shù)，并實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。

圖2 控制面板設(shè)計

（1）按鈕。打開后液晶顯示屏啟動，會將整套系統(tǒng)的信息顯示在屏幕上，再按則關(guān)閉?！癓ED0”亮滅分別對應(yīng)打開與關(guān)閉。

（2）參數(shù)設(shè)置。按下，系統(tǒng)依次進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，此時，整套系統(tǒng)的參數(shù)都在等待使用人修改。

（3）單次喂養(yǎng)。按下后，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置中設(shè)置每次投餌的量進(jìn)行單次的投喂。

（4）定時喂養(yǎng)。按下后系統(tǒng)將按照參數(shù)設(shè)置中設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行自動投料，可以在無人的情況下進(jìn)行作業(yè)。

（5）主頁。在其他頁面按下主頁鍵后可以返回本頁面。

4.2.3 控制邏輯

（1）系統(tǒng)初始化，讀取用戶設(shè)置的參數(shù)。

（2）檢測水溫、水質(zhì)等環(huán)境參數(shù)，判斷是否需要投餌。

（3）根據(jù)用戶設(shè)置的投餌時間和投餌量，控制繼電器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動投餌。

（4）投餌完成后，等待下一次投餌的觸發(fā)。

5 結(jié)語

通過深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投料設(shè)備的研究，本文研究設(shè)計了一種適用于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的自動投料裝置，利用單片機(jī)、傳感器等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了水文環(huán)境以及對魚群的檢測并可以自動化投料的功能。理論上，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)良的可靠性和實(shí)用性，可以適用于不同深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的工作要求。未來的工作，可以進(jìn)一步對該設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地滿足深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的需求，進(jìn)而能夠最大化地提高養(yǎng)殖戶的收入，大大保障了飼養(yǎng)人員的人身安全。