葉高文

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361100)

目前，國(guó)內(nèi)中小水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)喂料大部分采用人工拋料的方式，但人工拋料不能保證喂料的均勻性，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，甚至造成飼料浪費(fèi)、污染水質(zhì)、影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)發(fā)育，增加養(yǎng)殖成本[1-2]。在飼料投飼裝備研發(fā)和應(yīng)用方面，西方發(fā)達(dá)國(guó)家比我國(guó)發(fā)展早，技術(shù)也更先進(jìn)，如美國(guó)ETI公司研發(fā)的具有高精度、高可靠性和大容量的Feedmaster投飼系統(tǒng)，芬蘭Arvo-Tec公司研發(fā)的機(jī)器人投飼系統(tǒng)，日本Nitto Seiko公司研發(fā)的具有先進(jìn)水平的小料倉(cāng)投喂模式系統(tǒng)等，在這些國(guó)家，自動(dòng)投飼設(shè)備應(yīng)用已經(jīng)比較普遍[3]。而在我國(guó)整體飼料機(jī)械行業(yè)技術(shù)研發(fā)比較薄弱的大背景下[4-5]，國(guó)內(nèi)有一些公司開(kāi)始投入到投飼系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)，如南京漁聯(lián)網(wǎng)科技有限公司的智能投料機(jī)、廣州中浪科技有限公司的管道投料機(jī)、浙江富地機(jī)械有限公司的工廠化養(yǎng)殖投飼系統(tǒng)等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)專家也在不斷嘗試開(kāi)發(fā)自動(dòng)投飼設(shè)備。胡昱等研發(fā)出深水網(wǎng)箱自動(dòng)投飼系統(tǒng)，通過(guò)可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)控制繼電接觸器來(lái)控制各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)、停止，動(dòng)態(tài)定時(shí)、定點(diǎn)及定量的投飼，實(shí)現(xiàn)精確投飼[6]。田應(yīng)平等設(shè)計(jì)了一套適用于室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖的自動(dòng)投飼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)報(bào)警、自動(dòng)投飼等功能，實(shí)現(xiàn)了飼料的全天候?qū)崟r(shí)自動(dòng)投放以及遠(yuǎn)程監(jiān)控[7]。汪萬(wàn)里等研發(fā)了新型對(duì)蝦養(yǎng)殖投飼裝置，采用輪式的移動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行投喂的功能，克服了當(dāng)前對(duì)蝦養(yǎng)殖過(guò)程中人工投飼的缺陷[8]。

綜上，國(guó)外的設(shè)備先進(jìn)，但價(jià)格昂貴；國(guó)內(nèi)的研究大多是針對(duì)單一的中大型養(yǎng)殖場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)中小養(yǎng)殖戶一般都有多個(gè)中小養(yǎng)殖池塘，同時(shí)購(gòu)買多套國(guó)產(chǎn)設(shè)備成本過(guò)高，以致于目前很多中小養(yǎng)殖戶仍采用人工投料的方式。本項(xiàng)目針對(duì)當(dāng)前中小養(yǎng)殖戶的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)的飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含飼料供料、輸送、集中分配、拋料和監(jiān)控等系統(tǒng)，通過(guò)集中供料、多路配送，可實(shí)現(xiàn)向多個(gè)養(yǎng)殖池塘(本文所寫的池塘是指可養(yǎng)殖各類水產(chǎn)品的場(chǎng)所)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大容量的投飼。使用該系統(tǒng)，操作人員只要在控制室內(nèi)就可以進(jìn)行投飼操作以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)的投入使用，對(duì)廣大中小養(yǎng)殖戶而言，成本是適中的，不僅可以減少對(duì)水產(chǎn)技術(shù)管理人員的依賴，減輕管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能提高生產(chǎn)效率。

1 飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飼料供應(yīng)系統(tǒng)作為智慧養(yǎng)殖業(yè)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要作用是將飼料高效、低成本地輸送到池塘相應(yīng)區(qū)域。為實(shí)現(xiàn)該目的，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)，由5個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖1所示，分別是：1)飼料供料系統(tǒng)；2)飼料風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)；3)集中供料飼料分配系統(tǒng)；4)飼料拋料系統(tǒng)；5)飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)。其工作原理是風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)提供氣體動(dòng)力，料倉(cāng)裝置中的飼料經(jīng)供料裝置進(jìn)入管道，風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)產(chǎn)生的高速空氣流在供料裝置出口附近產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓及加速氣流的作用下，氣流和飼料顆粒的混合物通過(guò)分配系統(tǒng)出料口進(jìn)入輸送管道并被輸送到養(yǎng)殖池塘。分配裝置通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)以達(dá)到不同的出料口，每個(gè)出料口通向不同的養(yǎng)殖池塘的拋料系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)池塘投料。本項(xiàng)目設(shè)定的投料能力為2 500 kg·h-1，以下電機(jī)參數(shù)選擇均按此目標(biāo)進(jìn)行。

飼料集中供應(yīng)設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)輸送距離遠(yuǎn)，加上中繼站，輸送距離可更遠(yuǎn)；2)可降低飼料運(yùn)輸和道路建設(shè)成本；3)投料面積可調(diào)，噴灑均勻；4)可自動(dòng)用高壓空氣清洗管道，不會(huì)殘留飼料；5)耐用、安全、易操作及環(huán)保等。

2 飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 飼料供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，由于齒輪泵的流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，且其成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、轉(zhuǎn)速范圍大及耐沖擊性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，因此飼料供料系統(tǒng)選擇由料倉(cāng)和齒輪泵供料系統(tǒng)組成。料倉(cāng)的裝置采用料斗式，其容積可以根據(jù)實(shí)際的需要定制，材質(zhì)采用304鋼。料倉(cāng)的底部與齒輪泵上端進(jìn)料口相連，齒輪泵與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接，齒輪泵另一端延伸到送料風(fēng)管，齒輪泵機(jī)構(gòu)可以將料倉(cāng)底部飼料輸送到送料風(fēng)管內(nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可準(zhǔn)確控制投料量，實(shí)現(xiàn)智能投料。

齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率N1計(jì)算式：

N1=PQ/η

(1)

式(1)中：N1—電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，W；P—泵出口壓力，Pa；Q—齒輪泵流量，m3·s-1；η—齒輪泵效率。

由于顆粒飼料密度一般為1.0～1.3 g·cm-3，齒輪泵效率約為0.7～0.9，管道壓力約為1.6×105Pa，按照投料能力及齒輪泵效率取0.9代入進(jìn)行計(jì)算，并考慮余量，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率取150 W。本系統(tǒng)齒輪泵電機(jī)采用直流電機(jī)，選擇電機(jī)功率為150 W，電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1。需要說(shuō)明的是，實(shí)際系統(tǒng)可以根據(jù)投料能力的不同要求，選擇相適應(yīng)的齒輪泵及配套電機(jī)。

齒輪泵直流電機(jī)的速度調(diào)控通過(guò)控制電機(jī)的工作電壓實(shí)現(xiàn)。電機(jī)工作電壓通過(guò)PLC的脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)方法，可方便地控制負(fù)載端的平均電壓，在脈沖的低電壓趨近于0時(shí)，負(fù)載的平均電壓與PWM的占空比成正比[11]。本系統(tǒng)使用S7-200PLC的PWM脈寬調(diào)制功能，通過(guò)PWM配置向?qū)нM(jìn)行配置，周期為500 ms。電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)實(shí)際需要在觸摸屏上設(shè)置不同的擋位進(jìn)行控制。本項(xiàng)目設(shè)置為3個(gè)擋位，對(duì)應(yīng)PLC地址分別為M10.0、M10.1、M10.2，對(duì)應(yīng)的占空比分別為0.3、0.5、1.0，通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)。

2.2 飼料風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)選型

鑒于壓送式氣力輸送裝置具有輸送距離較遠(yuǎn)及可同時(shí)把物料輸送到多處的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)養(yǎng)殖業(yè)的投料特點(diǎn)，本送料系統(tǒng)選擇離心式送料風(fēng)機(jī)[12]。本系統(tǒng)由送料風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管組成。由于聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)具有耐壓、耐磨和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，通常選擇PVC管作為送風(fēng)管，直徑為50 mm。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式[13]：

N2= 1.15×1.2Q1Pm

(2)

式(2)中：N2—電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，W；Q1—系統(tǒng)工作風(fēng)量，m3·min-1；Pm—管道總壓力降，kPa。

為滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的投料能力，根據(jù)式(2)，并結(jié)合市場(chǎng)上常用的風(fēng)機(jī)參數(shù)性能，本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)為：風(fēng)機(jī)功率為7.5 kW，線電壓為380 V，額定電流為15.5 A，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1。

2.3 集中供料飼料分配系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

飼料分配系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)分配器。飼料風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)輸送過(guò)來(lái)的飼料進(jìn)入旋轉(zhuǎn)分配器上方的進(jìn)料口，下部有多個(gè)出料口，每個(gè)出料口對(duì)應(yīng)一個(gè)池塘，出料口可以根據(jù)需要進(jìn)行定制，出于成本考慮，分配器結(jié)構(gòu)采用如圖3所示。為滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的投料能力，該旋轉(zhuǎn)分配器的動(dòng)力使用單相交流電機(jī)，交流電機(jī)額定功率為550 W，額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r·min-1。交流電機(jī)的啟動(dòng)和停止由PLC進(jìn)行控制。通過(guò)鍵套聯(lián)接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)管，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)管進(jìn)料口與下座出料口的匹配對(duì)接，分配器旋轉(zhuǎn)對(duì)接定位由行程開(kāi)關(guān)提供信號(hào)，發(fā)送給S7-200PLC，PLC發(fā)出信號(hào)對(duì)動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行啟?？刂疲瑥亩鴮?shí)現(xiàn)定位對(duì)接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置在分配器的下方，將分配器裝置外殼上部的進(jìn)料管作為旋轉(zhuǎn)軸心，導(dǎo)套套進(jìn)進(jìn)料管，聯(lián)結(jié)裝置的支座設(shè)計(jì)成圓臺(tái)型，其斜邊與水平面成一定夾角，該夾角與旋轉(zhuǎn)管的傾角一致。該旋轉(zhuǎn)分配器制造工藝及結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。若對(duì)管道密封性要求高，可以采用成本更高的帶有風(fēng)網(wǎng)和吸風(fēng)裝置的旋轉(zhuǎn)分配器[14]。集中供應(yīng)分配系統(tǒng)的電機(jī)，也可以使用步進(jìn)電機(jī)，從而使分配器機(jī)械機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，定位更加精準(zhǔn)。

2.4 飼料拋料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每個(gè)池塘的飼料拋料系統(tǒng)由3個(gè)浮球、輸送管道、拋料電動(dòng)機(jī)、支架、拋料裝置等組成，如圖4所示。浮球的主要作用是確保拋料裝置處于水面之上一定的距離，綜合考慮成本及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用3浮球結(jié)構(gòu)?？紤]到腐蝕等因素，支架和拋料裝置上的拋料金屬管采用不銹鋼材料制作。

根據(jù)本項(xiàng)目的投料能力要求，參考行業(yè)的配置經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)采用單相交流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)額定功率為2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1，額定電壓為220 V，額定電流為8.0 A。浮球直徑約44 cm。該拋料電機(jī)只能按固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行，對(duì)同一種飼料的拋料半徑相對(duì)固定。如果拋料的范圍固定，養(yǎng)殖生物覓食的空間也相應(yīng)很小，而且擁擠覓食會(huì)造成局部嚴(yán)重缺氧，當(dāng)溶解氧不足以維持生命之需時(shí)，養(yǎng)殖生物群會(huì)本能地逃離，造成飼料浪費(fèi)和水質(zhì)污染以及影響?zhàn)B殖生物的生長(zhǎng)。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象的需求，通過(guò)增加1個(gè)變頻器，借助變頻器良好的調(diào)速性能，以很好地控制拋料電機(jī)的轉(zhuǎn)速[15]，從而更加靈活地控制拋料范圍，但會(huì)增加購(gòu)買變頻器的成本。

2.5 飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)及人機(jī)界面(Human machine interface，HMI)組成。信息采集系統(tǒng)主要由各類傳感器組成，本項(xiàng)目?jī)H設(shè)有水溫傳感器，考慮到使用成本，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)有線方式傳送到控制器。基于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境比較惡劣[16]，出于可靠性的考慮，控制器選擇西門子S7-200PLC(CPU226 DC/DC/DC型)，變頻器采用西門子MM420型。HMI采用北京昆侖通態(tài)公司的TPC7062KX觸摸屏，組態(tài)軟件采用MCGS7.7嵌入版。

飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制處理程序流程圖，以1#池塘控制為例，如圖5所示。根據(jù)實(shí)際投料情況，先將飼料放于料箱。PLC控制系統(tǒng)先判斷集中投料系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài)，即料箱有料、各類傳感器發(fā)回?cái)?shù)據(jù)正常，然后在觸摸屏上按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕。根據(jù)實(shí)際需要，選擇需要投料的池塘。以選擇1#池塘為例，1#池塘如果準(zhǔn)備好，即水溫等各類傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)正常，則先選擇供料擋位，然后啟動(dòng)1#池塘供料。投料完畢，則按下停止按鈕，使得1#池塘投料參數(shù)復(fù)位。若所有池塘均投料完畢，則按下系統(tǒng)停止按鈕，所有系統(tǒng)參數(shù)復(fù)位。在投料期間，任何時(shí)候出現(xiàn)緊急情況，都可以按下急停按鈕，停止投料。飼料集中供應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控主界面如圖6所示，以1#池塘為例，子系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示。啟動(dòng)屏幕前，需要進(jìn)行登錄認(rèn)證。HMI監(jiān)控界面可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行功能增減。

3 測(cè)試

受經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地條件不足等影響，飼料集中供應(yīng)的機(jī)電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試是分開(kāi)的。首先，在廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院的池塘進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)試，將以上供料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、拋料系統(tǒng)等安裝好，利用原有的簡(jiǎn)單的繼電器電控系統(tǒng)對(duì)以上選擇的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選用的是普通的顆粒狀飼料，測(cè)試結(jié)果為：在輸送飼料管道直徑為50 mm條件下，本項(xiàng)目投料最大輸送距離可達(dá)200 m以上，投料區(qū)域圓形直徑60～80 m(投料面積可達(dá)4 000 m2以上)，投料能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的2 500 kg·h-1。鑒于監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試的主要是PLC的編程和觸摸屏的通信，本項(xiàng)目監(jiān)控系統(tǒng)安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。利用4個(gè)同類型但功率更小的電機(jī)對(duì)以上供料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、分配系統(tǒng)和拋料系統(tǒng)4個(gè)電機(jī)進(jìn)行模擬測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。需要說(shuō)明的是，以上測(cè)試雖然沒(méi)有完全和真實(shí)場(chǎng)景一致，但由于監(jiān)控系統(tǒng)和控制的機(jī)電系統(tǒng)主要是受電機(jī)的控制，因此測(cè)試結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的整體設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)在池塘和實(shí)驗(yàn)室的成功調(diào)試表明，該飼料集中供應(yīng)系統(tǒng)可以滿足中小養(yǎng)殖戶對(duì)多池塘養(yǎng)殖無(wú)人值守和智能化自動(dòng)投料控制的要求，具有較廣闊的應(yīng)用前景。但整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)受成本限制，因而功能上不夠全面。本項(xiàng)目作為智慧養(yǎng)殖業(yè)的一個(gè)子系統(tǒng)，未來(lái)可以通過(guò)增加各類水質(zhì)檢測(cè)及視覺(jué)傳感器，比如pH值檢測(cè)、含氧量檢測(cè)等，通過(guò)智能無(wú)線傳輸設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC通過(guò)智能無(wú)線傳輸設(shè)備，將信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信設(shè)備，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)終端，用戶可以在手機(jī)終端實(shí)時(shí)查看相關(guān)信息，并發(fā)出命令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這將極大地提高系統(tǒng)智能化水平及效率。