随着中国深水网箱的快速发展，深水网箱养殖向-15 m以下深水水域拓展，单个网箱养殖水体也进一步扩大，深水网箱养殖向大型化、深水化及规模化发展^[1-5]。目前，中国深水网箱养殖主要采用人工投饵，而人工投饵存在劳动强度大、喂料不均匀、投饵量难控制以及适应环境能力差等缺点。虽然国内水产养殖有使用一些小型简易自动投饵机，但主要适合小型池塘养殖使用，无法适应深水网箱集约化精准化养殖的使用要求。中国海洋大学水产学院研制出适合于深水网箱养殖使用的投饵机，但该机并没有配备自动控制系统，没有定时定量投喂等自动控制功能^[6-17]。因此，开展深水网箱养殖自动投饵料技术与装备研究，对解决深水网箱集约化养殖技术、提升养殖效率有重大意义。

通常所说的深水网箱养殖自动投饵，是指利用自动控制、机电工程、环境技术、养殖技术和空气动力学等技术，根据网箱内鱼类生长阶段数据准确分配养殖容量，通过采用计算机自动监控系统监测水质及水下监视设备观察鱼类行为，从生长状态和海况环境因子准确给定投饵时间与数量，实现深水网箱养殖精准化。目前自动投饵系统主要采用压送式原理进行投饵，饵料与供气系统产生的空气流混合后通过输料管道输送到网箱中。自动投饵系统对多个目标水体进行定时定量投饵，自动切换不同的输料管道，从而实现深水网箱投饵系统自动化与智能化。

该系统通过分析深水网箱自动投饵工作流程，制定出系统硬件与软件设计方案，通过逻辑设计法设计出系统供电电路与控制电路，采用PLC为控制核心，继电接触器控制各个设备的启动停止，实现精确投饵。该系统应用于深水网箱集群养殖投饵，可实现动态和固态的定时、定点和定量投喂饲料。

1.   系统工作原理

系统主要由供气、供料和传输系统组成，系统原理见图 1。供气系统主要由罗茨风机与球阀构成。罗茨风机1工作，产生低压高速空气流，空气流进入管道，球阀2控制整个系统的压力。供料系统主要由旋转下料器、小料仓和吸料器构成。吸料器5将饲料吸送到小料仓4内，仓内的饲料通过旋转下料器3流入管道中。传输系统主要由分配器与输料管道构成。饲料与供气系统产生的空气流混合后，通过分配器6切换不同的输料管道，将饲料输送到深水网箱7中。

图  1  深水网箱自动投饵系统工作原理图

1. 罗茨风机；2. 球阀；3. 旋转下料器；4. 料仓；5. 吸料器；6. 分配器；7. 深水网箱

Figure  1.  Working principle of auto-feeding system for deep-water net cage

1. roots blower; 2. ball valve; 3. rotation feeder; 4. silo; 5. sunction machine; 6. distributor; 7. deep-water net cage

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2.   PLC控制系统设计

2.1   PLC控制系统电路设计

PLC控制系统主要由西门子S7-200系列PLC、继电器、断路器、熔断器、变频器和接近开关等组成，系统电路采用逻辑设计法设计。系统接入电路为380 V交流电，交流电路主要为罗茨风机、电动球阀、下料器和吸料器等。通过变压器变压后，可得到系统各个部件所需的接入电源。PLC控制器所需电源为24 V DC，步进电机驱动器所需电源为24~70 V DC。罗茨风机由断路器，继电器和熔断器连接，电动球阀由2组主触点构成电动机的正反转接线继电器，下料器由变频器与下料器电机，继电器KM2连接，下料器电机的风扇，吸料器与断路器连接，变频器与PLC的EM231扩展模块连接。系统电路图见图 2。

图  2  系统电路图

Figure  2.  Circuit diagram of system

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2.2   PLC控制系统工作流程

PLC控制系统工作流程见图 3。启动系统，校准步进电机和系统运行情况。校准不通过，系统退出；校准通过，即可进入系统。进入系统后，将同时进行2个动作：开启吸料器和开启罗茨风机。吸料时吸料器将料仓内饲料吸入小料仓。吸料器吸料为间歇式吸料，吸料T3时间，暂停吸料T4时间。当小料仓满后则停止吸料。当小料仓即将为空时，料位控制仪产生信号让吸料器吸料。同时启动罗茨风机，排空T1时间，将管道内的残余饵料和水分排空，并使管道内的气流趋于稳定。打开电动阀门，选择所需的投喂网箱。此时，分配器的旋转管转到指定的投喂网箱位置。关闭电动阀门，下料器启动，其转速可通过控制单元调节。饲料从小料仓输送到供气系统中，通过管道输送到指定的深水网箱。当下料器工作T2时间后，一个目标网箱投饵完成。此时关闭下料器，打开电动阀门，步进启动，分配器的旋转管道旋转至所需投饵网箱，重复上面的过程。当所有网箱投饵完成后，罗茨风机运行一段时间，清空管道中饲料并关闭系统。

图  3  PLC控制系统程序流程图

Figure  3.  Flow chart of PLC control system

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2.3   PLC控制系统硬件结构

考虑到现场恶劣的工作环境，PLC的输入输出点数、深水网箱养殖分布情况以及投饵终端数量，系统采用具有较高可靠性的工控机PLC二级计算机控制结构，其硬件结构见图 4。PLC中央处理器模块选用西门子S7-200系列CPU224XP，数字量输入模块和输出模块分别选用EM223(16个开关量输入，16个开关量输出)和EM231扩展模块(2个模拟量输入，1个模拟量输出)^[18-20]。

图  4  PLC输入输出端口图

Figure  4.  Input and output ports of PLC

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3.   关键设备的控制实现与程序设计

该系统控制核心为PLC，使各被控制设备实现如下基本功能：1)罗茨风机定时自动运行；2)电动阀门在特定时间点自动打开或关闭，保证系统压力保持在安全范围；3)旋转供料器将小料仓的饲料输送到管道内，且能在开始投饵与投饵结束时自动运行与停止；4)吸料器通过料位控制仪发出信号给小料仓补充饲料，以保证小料仓内有一定的饲料量；5)分配器输送管在不同管道之间切换，使饲料通过不同的管道到达指定的投饵水域。

系统程序利用Siemens专门的编程软件STEP 7 Micro/Win 4.0进行编写。根据自动投饵装置操作控制要求，对系统各部件的控制方案进行了设计。

3.1   分配器切换控制

高压空气流混和饵料进入分配器，利用步进电机带动S形输料管转动，实现在不同支管之间的切换输送，分配器结构见图 5。步进电机带动旋转支撑架旋转，从而带动S形输料管旋转，并使S形输料管与其中一个出料口相连通。为保证饲料的安全无损耗输送以及输送系统整体气密性，输料管与出料口要无缝连接。要实现两者无缝连接，输料管的旋转运动需相当精确。为了获得更高的精度，该系统选取DCH30806驱动器。步进驱动器接收到一个脉冲信号，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，其旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。驱动方式为30 000步·r^-1，步距角0.012°。通过蜗轮蜗杆减速装置，该装置减速比为1/60，因此，步进驱动器每发一个脉冲，旋转管道转动0.000 2°，可获得很高的运动控制精度。

图  5  分配器结构图

Figure  5.  Structure diagram of distributor

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通过以上设定脉冲数、脉冲频率等数据处理程序的运行，PLC根据转动角度设定值计算出脉冲数后，向步进电机驱动器发送，控制步进电机转动，从而实现精确的定位控制。程序如下：

LD  步进到位: M0.3

MOVW  目标位置: VW822, AC0

LD  步进到位: M0.3

AW <   目标位置: VW822, 当前位置: VW820

+I  12, AC0

LD  步进到位: M0.3

-I  当前位置: VW820, AC0

LD  步进到位: M0.3

ITB  AC0, 步进距离: VB800

3.2   投饵量的控制

系统投饵量通过旋转下料器的旋转速度调节，该参数由旋转下料器的性能决定。该系统选取的旋转下料器型号为YJD-DX4L-0.75，其投饵量按下式计算：

G＝0.06V×N×Y×R×K(t·h ^-1)

其中V为旋转下料器容积(L·r^-1)；N为旋转下料器转速(r·min^-1)；Y为旋转下料器容积效率。颗粒状物料取Y=0.8，粉状物料取Y=0.5~0.6；R为物料容量(t·m^-3)；K为修正系数，一般取0.7~0.8。

旋转下料器的旋转速度由西门子SINAMICS V10变频器控制，变频器为三相交流进线380 V，高精度的模拟输入和输出接口，通过开关可以选择电压或者电流模式。采用线性V/f特性控制方式，通过改变变频器的频率，从而调整旋转下料器电机的转动速度，电路见图 6。

图  6  旋转下料电路图

Figure  6.  Circuit diagram of rotation feeding

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3.3   系统风压控制

系统风压的控制是由电动阀门的开启来实现。电动阀门型号为Q20-0.75，输入电源为380 V，功率0.75 kW，输出转矩为200 N·M。当系统风压过大时，开启电动阀门，降低系统风压；当系统进行投饵时，关闭电动阀门，防止系统压力泄漏。阀门开关通过PLC控制，控制程序如下：

LD  阀关限位: I0.5

O  阀开: Q2.0

R  阀关: Q2.1, 1

LD  阀开限位: I0.4

O  阀关: Q2.1

R  阀开: Q2.0, 1

LD  投饵状态: M0.2

A  风机: Q0.3

AN  阀关限位: I0.5

AN  阀开: Q2.0

S  阀关: Q2.1, 1

3.4   供料控制

输送饲料选用小型吸送式气力输送装置为NASER-800G5分体吸料器，其技术参数为3相1.49 kW电机，800 kg·h^-1输送能力，储料容量12 L。2个吸料器同时工作，可满足整个投饵系统的最大投饵量达到1 200 kg·h^-1。分体吸料器的2个吸料器贮料斗安装在小料仓的顶部，用于贮存与释放吸入的饲料。

料位控制仪选择的是阻旋式料位控制仪，安装于小料仓的上下2个位置，分别控制小料仓的最大存料量与最小存料量(图 7)。阻旋式料位控制仪的控制原理是当小料仓饲料已满时检测板接触饲料受阻，主阻受阻力而静止，电机受反作用力而产生扭动，致使开头动作发出料面信号并切断电机电源。当饲料面下降，阻力消失，电机受弹簧力作用而复位，仪表又进入检测状态。料位控制仪的信号控制线通过中间继电器与PLC连接。当小料仓的饲料满后料位控制仪会发出信号给PLC，PLC控制吸料器停止吸料。小料仓的饲料为最小存料量时料位控制仪发出信号让吸料器开始吸料，供料控制程序如下：

//吸料程序

LD  I0.3

A  I0.2

AN  M0.6

S  M0.5, 1

LD  M0.5

AN  M8.1

TON  T45, VW1008

LD  M0.5

AW < =  T45, VW1010

S  Q2.2, 1

S  Q2.4, 1

NOT

R  Q2.2, 1

R  Q2.4, 1

LD  T45

=   M8.1

LDN  I0.2

R  M0.5, 1

LDN  M0.5

A  M0.6

S  Q2.3, 1

S  Q2.5, 1

NOT

R  Q2.3, 1

R  Q2.5, 1

图  7  供料装置结构图

Figure  7.  Structure diagram of feeding device

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通过以上各个关键设备控制方案的设计，实现了系统分配器输送管道任意切换、电动阀的自动开启关闭、旋转下料器下料速度的自动调节和吸料启动与停止等功能。

4.   讨论

深水网箱养殖自动投饵系统具有如下特点：

1) 经国家渔业机械仪器质量监督检验中心测定，该自动投饵系统运行稳定可靠，在投饵输送距离为300 m时，投饵量为1 200 kg·h^-1，系统风量为5.56 m³·min^-1，系统风压为49 kPa。吨料能耗最大为8.4 kW·h·t^-1(平均5.0 kW·h·t^-1)，投饵破碎率小于0.7%，喷投距离达11.3 m，完全满足深水网箱集群养殖的要求。

2) 该系统已在深水网箱养殖基地运行了一年多，总共12个深水网箱养殖应用于该系统，养殖品种为卵形鲳鲹( Trachinotus ovatus)，投喂饲料为浮性颗粒饲料，每天投饵3次，可通过系统设置投饵时间、投饵速度以及投饵量。

3) 该系统可进一步升级，结合深水网箱养殖海域环境，综合考虑流速、水温、溶解氧、pH、电导率和盐度等关键环境参数，开发出深水网箱养殖管理系统、养殖决策系统数字化管理模块及自动投饵数字化控制技术，实现深水网箱养殖数字化管理。

深水网箱养殖自动投饵系统较好地解决了养殖自动投饵策略、养殖全过程数据管理等难题，为实现深水网箱养殖自动化生产提供了解决方案，但养殖过程智能化管理及装备一体化控制技术与发达国家水平相比，仍有一定差距。国外深水网箱的持续发展，除网箱本身具有的先进性能外，还依赖于精湛的养殖管理和先进的自动控制技术，以及精良、齐全的配套设施和完善的深水网箱服务体系。国外如挪威、美国和加拿大等国深水网箱养殖普遍使用自动投饵装备，从饵料的运输、储存、输送以及投放都有精确的数量控制。加拿大Feeding Systems公司为各种不同的养殖对象分别开发了不同的投饵控制软件，软件均是以养殖对象的生活、摄食习性为依据，具有很强的专业性。挪威AKVA GROUP集团的自动投饵系统融入了生物学、工学、电学和计算机等技术，将复杂的养殖过程控制变得异常简单和准确。投饵系统采用电脑控制，电脑的投饵决策由温度、潮流、溶氧、饲料传感器(水中饲料余量)、摄像机系统(鱼类行为)和喷料状态等信息经养殖管理软件综合分析决定并发出各项指令，养殖管理软件是投饵系统的决策中心。

深水网箱养殖自动投饵系统的应用将传统个体化的养殖方式转化为集约产业化养殖，拓展了养殖范围和空间，减轻了养殖劳动强度，提高了养殖效率，降低了养殖成本，将进一步提高养殖产品的质量。此外，随着自动投饵系统进一步的完善，针对不同的养殖模式特点，亦可拓展应用到池塘、网箱和工厂化养殖中。