劉 思，羅艷媚，俞國燕

(廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心,廣東 湛江 524088)

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的飼料和勞動力成本是養(yǎng)殖的主要成本[1-3]。為了提高飼料利用率、降低勞動生產(chǎn)力，國外如芬蘭、挪威、丹麥等水產(chǎn)養(yǎng)殖強國均開發(fā)了系列化的工廠化養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)[4-9]。隨著工廠化養(yǎng)殖的迅速推廣，國內(nèi)近年來雖然也研發(fā)了軌道式[10-13]、氣力輸送式[14-16]、標(biāo)準(zhǔn)化池塘養(yǎng)殖式[17-19]等投飼系統(tǒng)，但大部分工廠化養(yǎng)殖企業(yè)依然采用人工投喂或簡易投餌機，存在投餌不準(zhǔn)確、飼料利用率低、拋撒不均勻、人工上料費時費力等問題[10]，難以適應(yīng)工廠化養(yǎng)殖的快速發(fā)展。因此，研發(fā)不同類型的機械化、智能化、精準(zhǔn)化自動投飼系統(tǒng)尤為重要[10-11,20]。針對室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖車間布局和自動投飼需求，本文研發(fā)了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的軌道式自動投飼系統(tǒng)，具有操作簡單、使用簡便、投飼均勻、精度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)上料、行走、投餌于一體的定點、定時、定量全自動化餌料投喂，且運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)可實時查詢等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括上料機、導(dǎo)料管、下料斗、導(dǎo)軌、行走小車、電感式接近開關(guān)、限位開關(guān)、下料裝置、拋撒裝置、稱重傳感器、PLC、觸摸屏和變頻器等(圖1)。按照功能可將系統(tǒng)分為上料裝置、行走裝置、投飼裝置和控制裝置4個部分。圖2為自動投飼機實物圖。

1.1 上料裝置

上料裝置由上料機、導(dǎo)料管和下料斗組成。上料機選用型號為AL700G的分離式真空吸料機，尺寸大小為37 cm×30 cm×56 cm。采用真空上料方式，通過繼電器控制上料機通電來啟動上料主機，利用PVC內(nèi)絲螺旋導(dǎo)料管周圍產(chǎn)生的氣壓差將飼料從儲料桶傳輸?shù)较铝隙贰?/p>

1.2 行走裝置

行走裝置由導(dǎo)軌、行走小車、電感式接近開關(guān)組成。本系統(tǒng)選用型號為HW100×100的H型鋼搭建出半徑1.6 m、直軌2.5 m的U型導(dǎo)軌，響應(yīng)頻率100 Hz、檢測距離10 mm的AUTONICS型電感式接近開關(guān)和轉(zhuǎn)速為1 330 r/min的Y2-63M1-4的三相異步電機。導(dǎo)軌由4個立柱架設(shè)在養(yǎng)殖池上方，行走小車由投餌機本體支架安裝在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)表面，接近開關(guān)安裝于小車上，定位識別片安裝于養(yǎng)殖池正上方的軌道。通過電機驅(qū)動減速齒輪傳動組的單邊雙主動輪運動，從而帶動雙從動輪共同驅(qū)動行走小車沿U型軌道運動直至電感式接近開關(guān)感應(yīng)到定位識別片時停止運動。

圖1 自動投飼機結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 自動投飼機實物

1.3 投飼裝置

投飼裝置由料倉、電機、螺旋軸、螺旋葉片、稱重傳感器和拋撒盤組成。系統(tǒng)設(shè)計選用：料倉(2個，容量均為26.5 L，整體流型，方形漏斗)，螺旋下料裝置(螺旋葉片外徑D=0.080 m，螺旋葉片內(nèi)徑d=0.024 m，螺距t=0.064 m，螺旋軸轉(zhuǎn)速n=20 r/min，物料單位容積質(zhì)量λ=0.376 t/m3)，SSP1022-30稱重傳感器。當(dāng)選中指定的下料倉，開啟對應(yīng)的下料電機驅(qū)動螺旋軸旋轉(zhuǎn)，帶動飼料隨著螺旋葉片落入拋撒盤，拋撒電機驅(qū)動拋撒盤旋轉(zhuǎn)，將飼料均勻地投放在養(yǎng)殖池水面。

1.4 控制裝置

控制裝置由PLC、觸摸屏、信號采集模塊組成。系統(tǒng)通電后，PLC控制行走電機啟動，采集限位開關(guān)、電感式接近開關(guān)的信號控制行走電機的停止，實現(xiàn)定點投喂。PLC通過檢測稱重傳感器實時輸出電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號來控制兩個下料電機和拋撒電機的開啟，實現(xiàn)定量、均勻拋撒。PLC通過通訊電纜與觸摸屏相連，通過兩者的變量鏈接可實現(xiàn)對上料電機的開啟、下料量、下料池、投飼等待時間等參數(shù)的同步設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)工作原理

整個控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)控運行狀態(tài)、控制執(zhí)行部件運行、查詢運行數(shù)據(jù)等功能。其中，執(zhí)行部件的運行流程如圖3所示。

圖3 自動投飼系統(tǒng)控制流程圖

當(dāng)?shù)竭_指定的投飼時間時，啟動行走裝置運行到設(shè)定投餌點，開啟下料裝置，當(dāng)?shù)竭_預(yù)設(shè)投飼量時，開啟拋撒裝置將飼料均勻拋撒在養(yǎng)殖池水面，之后繼續(xù)開啟行走裝置運行到下一個投飼點，當(dāng)所有投飼點投飼完畢后則返回至原點，開啟上料裝置上料，等待下一次投飼時間到來。整個控制系統(tǒng)主要由硬件、軟件和人機界面組成。

控制系統(tǒng)以PLC為核心，輸入信號4個，輸出信號7個，通信接口2個。輸入部分由限位開關(guān)、接近開關(guān)、手/自動切換和上料點切換組成，完成信號采集。輸出部分由行走電機(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))、下料電機(1或2)、拋撒電機、上料電機和報警裝置組成，完成投餌機上料、行走、下料、拋撒和復(fù)位。輸入/輸出(I/O)及主要編程元件地址分配見表2、表3。

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由傳感器、PLC、觸摸屏等組成(表1)。PLC、變頻器、繼電器安裝在投餌機本體箱柜內(nèi)，限位開關(guān)、電感式接近開關(guān)安裝在投餌機行走小車上，觸摸屏安裝在墻壁上。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置

表2 輸入輸出(I/O)地址分配表

表3 主要編程元件地址分配表

2.3 軟件設(shè)計

PLC軟件是自動投餌控制系統(tǒng)的核心部分，在V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9操作平臺上運用梯形圖開發(fā)，程序控制流程如圖4所示。主要包括控制上料、行走和投飼3個執(zhí)行部件的運行、數(shù)據(jù)采集等功能。對應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)程序包括：可處理數(shù)據(jù)置位、清零、料重轉(zhuǎn)換等邏輯關(guān)系的主程序，可控制投飼機前進、后退、上料電機、下料電機、拋撒電機啟停等子程序。

圖4 控制程序流程圖

2.4 人機界面設(shè)計

觸摸屏采用Easy Builder (簡稱EB8000)編程軟件開發(fā)，主要包括自動投喂參數(shù)設(shè)定、時間設(shè)定、運行狀態(tài)監(jiān)控、歷史和實時數(shù)據(jù)查詢等界面。投喂參數(shù)界面可設(shè)置4個養(yǎng)殖池的投喂量、2個下料電機、下料和拋撒的運行時間、投喂等待時間等。時間設(shè)定界面可設(shè)置6次不同的投喂等待時間。數(shù)據(jù)查詢界面可以查詢行走電機、下料電機、拋撒電機的實時和歷史運行狀態(tài)，投喂量和投喂次數(shù)的實時和歷史數(shù)據(jù)等。

3 測試結(jié)果及分析

2015年10月，在廣東海洋大學(xué)第三實驗樓B104搭建了軌道式自動投餌實驗平臺進行性能測試，整個投飼機放置在4個立柱搭建起來的U型軌道上，軌道下方放置4個圓形的養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池正中央上方放置金屬識別片。

對行走速度、定位精度、投飼精度和投飼速度這4個影響系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)進行測試。首先將投飼機設(shè)置為自動模式，4個養(yǎng)殖池正上方分別標(biāo)記為1至4號，記錄投飼機運行到1至4號的時間并反復(fù)進行7次試驗，測出投飼機行走速度為18.75 m/min。再將投飼機料倉分為空載和滿載，測量兩種狀態(tài)下投飼機運行到投飼點其實際停靠位置和預(yù)設(shè)?？课恢瞄g的距離，反復(fù)進行5次實驗并記錄，從測試結(jié)果(表4)可知，投飼機定位精度在110 mm左右，基本滿足自動投飼系統(tǒng)的定點餌料投喂要求[3]。

投飼量精度是投飼機預(yù)設(shè)投飼值和實際投飼值之間的誤差，是判斷定量精準(zhǔn)投飼的重要指標(biāo)。在觸摸屏上設(shè)置4個養(yǎng)殖池的投飼量分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 kg，進行兩組實驗記錄投飼時間和實際投飼量，從測試結(jié)果(表5)測出其投飼精度為0.5%～2.2%，投飼速度為1 kg/min左右。

表4 空載和滿載狀態(tài)下的定位精度

表5 投飼量精度和投飼速度

整個實驗過程中，樣機運行平穩(wěn)，定位精度可滿足投餌要求，但之所以存在110 mm誤差，原因可能是：(1)金屬識別片的安裝略高于與電感式接近開關(guān)之間的感應(yīng)距離，致使接近開關(guān)不能及時感應(yīng)金屬識別片，從而延遲通訊，致使行走電機未能及時停止，造成滑移距離過大；(2)行走裝置所采用的三相異步電機沒有緊急剎車抱閘裝置，當(dāng)接收到停止信號時，小車依靠變頻器的制動裝置減速到零這個過程會因為慣性滑移一段距離，從而影響定位精度。另外，影響投飼精度和速度的原因可能是稱重傳感器和電機之間的檢測、反饋、執(zhí)行存在通訊延時，以及下料裝置控制精度不夠。

4 結(jié)論

針對工廠化養(yǎng)殖需求開發(fā)出基于PLC的軌道式自動投飼系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動上料、定點、定時、定量飼料投喂，實時和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，解決了人工投料勞動強度大、飼料利用率低等缺點。測試結(jié)果表明，該自動投飼系統(tǒng)行走速度達18.75 m/min，投飼精度在0.5%～2.2%左右，投飼速度在1 kg/min左右，定位精度在110 mm左右。但設(shè)計部分仍有待進一步提高和完善，如可采用射頻識別技術(shù)提高其定位精度，增加伸縮裝置來適應(yīng)長距離軌道撓度變形的自適應(yīng)行走小車。

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