目前中国深水网箱养殖使用颗粒饲料愈来愈多，基本上靠人工搬运和投喂，加大了劳动强度，同时也降低了工作效率^[1]。中国水产科学研究院南海水产研究所研制出深水网箱养殖远程自动投饵系统装备，此装备计量系统主要由定容旋转下料器构成。由于计量系统以饲料体积流量为计量结果，而不同型号的饲料颗粒密度与体积存在差异，投饵进程中旋转下料器内饲料密实度不同，饲料输送量也同步变化，导致投饵系统存在饲料计量不准、误差较大的缺点^[2-5]。经试验测量，其饲料投喂误差度约为±10%。计量不准不仅影响投喂的精度与效率，更重要的是影响鱼类生长和养殖效益的最大化。

国外如挪威、美国、加拿大等国，网箱养殖普遍使用自动投饵装备，其装备智能化水平较高，从饵料的运输、储存、输送以及投放都有精确的数量控制^[6-7]。挪威AKVA集团公司的Akvasmart CCS投饵系统，采用饲料定量加料器将饲料传送到空气流中，速度高达192 kg·min^-1，投喂精度较高，能准时地以最佳速度来投喂设定质量的饲料; 美国ETI公司生产的FEEDMASTER自动投饵系统，其计量装置为气密性较好的旋转下料器，该旋转下料器采用等容定量下料式原理，装置内有若干个工作腔，每个工作腔存储等容积的饲料，旋转下料器由电机驱动，根据深水网箱规格大小和网箱内鱼类数量调整下料器转速，从而控制每个网箱的饲料投喂量，投饵能力最高可达250 kg·min^-1[8]；中国投饵机的供料计量装置主要分为螺旋输送式、机械振动式、电磁振动式、电磁铁翻板式、转盘定量式、抽屉式定量下料式等^[9]，此类装置计量原理大体为称重式与定容式，使用中会受到饲料特性、机械振动、重力场变化等因素的影响，故在自动投喂时也存在饲料计量不精确的问题。

文章提出一种新型的投饵供料计量装置，采用电机带动装置中的旋转轮，通过测量饲料经过装置旋转轮时所产生的扭矩与瞬时转速，获得颗粒饲料的实时质量流量，实现自动投饵的精确计量。

1.   工作原理

该计量装置中有一旋转轮，旋转轮由一些导向分隔叶片组成，旋转轮上有径向均匀分布的叶片。颗粒饲料从旋转轮上方进入旋转容器内，通过垂直的导流装置后，分散流入旋转容器的分隔槽中。饲料由旋转轮带动旋转，在离心力作用下向旋转轮外侧运动，最后离开旋转轮。在这个过程中，饲料受到科氏力的作用，此力引起一个反方向的作用力矩。通过测量旋转轮所受的扭矩，得出饲料所受的科氏力矩。通过DSP的测量与反馈，调节驱动电机的转速，获得旋转轮的瞬时转速，便可得到颗粒饲料的质量流量^[10]，从而实现系统的准确计量和定量给料。装置工作原理见图 1。

图  1  计量装置工作原理ω.转动角速度；v.径向速度；F.力矩

Figure  1.  Working principle of metering device ω.angular speed of rotating wheel; v.radial speed of granule; F.force moment

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以旋转轮为中心轴转动，其转动角速度为ω。设单位物料质量m_i由旋转轮中心沿旋转轮径向以速度v相对于旋转轮作直线运动。测量力矩取决于旋转轮的角速度ω和颗粒料的径向速度v。在t时间内有i个颗粒饲料通过旋转轮，其单个颗粒质量为m_i，q_m为单位时间内的质量流量，M_i为旋转轮在实际工作时所受的瞬时扭矩，其计算推导公式如下：

对两边求导得$ M=\frac{d m}{d t} \omega R^2=q_m \omega R^2$

最后所得公式M=m×ω×R²。式中M为旋转向心力对测轮转动中心产生的力矩；m为单位时间内通过旋转轮的质量；ω为旋转轮的旋转角速度；R为旋转轮的半径。从上式中可以看出，在角速度ω保持不变时，扭矩M与颗粒饲料单位时间质量流量m成正比，通过精确地测定扭矩M和角速度ω，则可准确获得饲料的质量流量^[11-14]。

2.   系统结构框架

2.1   自动投饵系统结构框架

自动投饵系统由供气系统、输送系统、计量系统构成。罗茨风机产生稳定的低压压送空气流进入输送管道。颗粒饲料从大料仓输送到计量装置中，通过装置的准确计量后进入输送管道。饲料与供气系统产生的空气流混合后，将饲料输送到深水网箱中。系统结构框架见图 2。

图  2  自动投饵系统结构框架

1. 料仓；2. 计量装置；3. 罗茨风机；4. 深水网箱

Figure  2.  Framework of auto feeding system

1. silo; 2. metering device; 3. Root′s blower; 4. deep-sea cage

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2.2   计量装置结构设计

计量装置由给料系统、测量系统、动力系统构成，其结构见图 3。计量装置给料系统主要由外壳、进料器、旋转轮和出料口组成。外壳上部为圆筒形壳体，下部为圆锥形壳体，两部分构成装置的外壳。外壳顶部有一圆形盖板，盖板上开有一方形口，安装一上大下小的四方台形进料器，便于饲料的流入装置内。旋转轮通过键联接安装在中心轴，由导流柱与旋转叶片构成。导流柱为前小后大的圆柱形，用于导送颗粒饲料到旋转轮。旋转叶片为若干片向外发散的片状体，便于颗粒饲料向外流动。

图  3  计量装置结构图

1. 进料器；2. 旋转轮；3. 联轴器；4. 扭矩传感器；5. 增量式编码器；6. 电机；7. 减速器；8. 出料口

Figure  3.  Structure of metering device

1. feed inlet; 2. rotating wheel; 3. coupling; 4. torque sensor; 5. incremental encoder; 6. motor; 7. reducer; 8. feed outlet

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测量系统主要由扭矩传感器与转速传感器组成。扭矩传感器安装于旋转轮下方，传感器的两端轴通过弹性柱销联轴器与旋转轮的中心轴联接，扭矩传感器用于测量旋转轴的扭矩。转速传感器固定在减速器的输出主轴上，通过获取检测到的脉冲数计算出旋转速度。

动力系统由电动机与减速器组成。驱动电机安装在计量装置底板下方。该电机为三相交流异步电动机，电机与减速器相连，减速器的输出轴与中心轴通过联轴器联接。

饲料从进料口进入，经导流柱导流后分散到旋转轮上的各个导流槽内。饲料由旋转轮旋转时的离心作用力甩离旋转轮，沿着装置内壁自由滑落，最后进入到出料口，随着罗茨风机产生的低压压送气流输送到深水网箱。

为达到设计的要求，选取的风机功率为11 kW，最大流量可达12 m³·min^-1。计量装置的电机经过减速器后转速为90 r·min^-1，输送量25 m³·h^-1。根据饲料的容重比，计量范围为0~15 t·h^-1。

3.   关键技术的实现

3.1   扭矩测量

计量装置中心轴的扭矩M可由扭矩传感器测得。当三相交流异步电机与减速器驱动旋转轮时，施加给旋转中心轴一个作用力矩，此力矩使旋转轮以中心轴为转轴转动。根据力学原理，该力矩与电机输出轴转轴力矩大小相等、方向相反，即所需的扭矩^[15]。扭矩传感器的输出电压正比于该旋转力矩，并通过模数转换将模拟量转换为数字量输出。扭矩传感器采用电阻应变式原理，通过电刷实现信号输出。测量范围为0~500 Nm，输出灵敏度1~2 mV·V^-1，测量误差精度±0.3%。在标定传感器系数的相同环境温度下，静标定误差应不超过±0.2%。传感器转轴转动，中间套筒在不同位置时读数误差应不超过±0.2%。启动驱动电机，轴固定在任意位置时转矩扭矩读数变化应不超过±0.2%。在额定转速范围内，联轴器固定在任意位置时不同转速下扭矩测量读数精度±0.2%。由误差合成公式$u = \sum\limits_{i - 1}^5 {u_i^2} = {\rm{ }}0.{\rm{ }}{3^2} + {\rm{ }}0.{\rm{ }}{2^2} + {\rm{ }}0.{\rm{ }}{2^2} + {\rm{ }}0.{\rm{ }}{2^2} + {\rm{ }}0.{\rm{ }}{2^2} = 0.{\rm{ }}5 $。因此，扭矩传感器的误差精度可达±0.5%。

3.2   转速测量与控制

为了实现矢量控制，采用增量式光电编码器对转速进行测量与控制。由于计量装置中的电机输出时经过减速器减速，输出转速属于低速场合，故采用“T法”的测量方法^[16]。增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，可实现多圈无限累加和测量，编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，通过对编码器输出信号进行计算处理得到转速^[17]。TMS320F2812处理器有2个事件管理器(EVA、EVB)，每个事件管理器(EV)模块都有一个正交编码器脉冲(QEP)电路，它们可以直接与编码器相连，用来检测转速。选用意大利LIKA公司的CK59-Y-4096ZCP214K增量式光电编码器为圈数12位(4096)的多圈高精度编码器，其精度可达0.001 5%。

3.3   计量装置控制系统

计量装置控制系统与提供饲料的储料装置和输送饲料的气压压送装置结合使用。利用装置的计量结果控制饲料输送速度与投喂量，从而精确控制计量给料。该控制系统负责整个装置的测量数据采集、动态误差校正、逻辑行为判断、系统实时通讯和人机界面显示等。

1) 硬件设计。硬件采用DSP数字信号处理器作为开发芯片，芯片型号为TMS320F2812。是美国TI公司开发的一款数字信号处理器，具有信号高速处理能力、高性能、重复性、数据运算的实时处理能力，特别是应用于处理速度、处理精度方面要求比较高的领域，十分适合于该系统的高精度控制，为电机转速控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案^[18]。芯片有一通讯接口与输入设备连接。IPM为智能功率模块，其主要功能将整流后的直流电变成可控的交流电，集成了逻辑、控制、检测和保护电路，用于控制电机的转动。由DSP控制电机转速，从而驱动旋转轮转动，通过反馈控制旋转轮的转速来精确控制饲料的质量流量。控制系统输入电平为3.3 V的CMOS电平，输入端不允许5 V的电压输入。以TMS320F2812为处理核心，在一定的频率范围内调整采样频率，实现整周期采样，实现各种信号的采样处理，保证数字信号处理的精度。各种参数的测量精度为传感器扭矩≤0.5%，转动频率≤0.3%。计量装置控制系统硬件设计图见图 4。

图  4  计量装置控制系统硬件设计图

Figure  4.  Hardware design of controlling system in metering device

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2) 软件设计。控制系统设计主要分为主程序模块、PID算法控制模块和中断服务程序模块。主程序提供系统初始化工作，PID算法控制通过定时器中断时间进行PID控制计算，在控制过程中实时调整转速参数，从而完成对系统实时质量的控制^[19]。主程序对系统硬件与变量进行初始化，对运算过程中的各种变量分配地址。设定好饲料输送质量，通过计算可得到理论质量流量。TMS320F2812数字处理器开始对增量式光电编码器与扭矩传感器的信号进行测量与采集，运算后得到实际的质量流量。将饲料的瞬时质量流量和累计量进行显示，同时判断出系统的状态以及实际流量偏差。将偏差送入PID调节器，PID调节器输出来设定驱动电机的转速以调节旋转速率，使系统的实际质量流量与设定质量流量一致，从而实现系统的准确计量和定量给料。控制系统程序流程图见图 5。

图  5  控制系统程序流程图

Figure  5.  Flow chart of controlling system

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4.   结论与讨论

该计量装置能直接测量在自动投饵时颗粒饲料的实时质量流量，计量精确度高，由扭矩传感器误差精度、光电编码器误差精度与数字处理控制误差精度合成，其准确度可达±1%，量程范围为0~15 t·h^-1，输送能力可达25 m³·h^-1，能满足深水网箱养殖精准投饵的要求。与其他计量装置相比，具有如下的几个优势：1)结构优势。一般气力输送装置需要在出料口处加装阻流装置(如关风机)，防止气流向上扰动，使输送的颗粒饲料顺利进入输料系统内^[20-24]。该计量装置中的颗粒饲料进入旋转轮后，罗茨风机产生的气流从进入计量装置后不会影响测量的准确度，且可封锁向上的空气流。因此即使在计量装置内存在反方向的气流，也不用特别的阻流装置，能大大简化系统。2)原理优势。a)该装置的测量精度对饲料的特性、下料角度和下落速度等因素不相关，推导公式中只对扭矩和转速相关。b)颗粒饲料测量值为动态变化值，代表所测量的值为瞬时值，能实现信号实时反馈对投饵过程的精确控制。c)该装置在颗粒饲料输送过程中不涉及机械振动等重力变化的影响，避免了称重等静力学测量带来的误差影响。由于装置对饲料质量进行直接的测量，无需密度和体积的乘积来计算，因此与饲料的容重、密实度无关。

4.1   不足之处

虽然该计量装置与其他固体质量流量测量装置相比具有明显的原理优势，但在原理结构上仍然存在一些影响测量精度的因素：1)与物料本身影响因素。如饲料的破碎率过高，饲料粒径过大，饲料含水量过高。2)传感器及测量结构影响因素。如传感器的安装精度。3)测量环境因素。如温度、空气相对湿度。这些因素都会影响正常下料与最终的测量结果，使其应用受到一定程度的限制。

4.2   展望

随着深水网箱向大型化、深远海发展，大容量、高精度、高效率、抗风浪能力强的自动投饵装备是今后的发展方向。该计量装置结构简单，计量精确，可靠性好，不受饲料特性与重力场变化的影响，在深水网箱养殖固定式中央集中管控投饵系统、船载移动式自动投饵系统、漂浮式大容量投饵系统等方面均有很大的应用空间。特别在离岸较远的深远海，由于船载移动式自动投饵操作方便，投饵能力高，抗风浪能力强的特点，将是深远海深水网箱养殖自动投饵装备的重要方式。该计量装置的推广与使用，对提高深水网箱集约化养殖精确投饵操作和管理水平，促进深水网箱养殖产业工业化现代化发展将起到积极的作用。