远洋围网捕捞装备的自动化集成控制

徐志强，刘 平，纪毓昭，王志勇，谌志新

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

目前中国远洋围网渔船成套的自动化控制捕捞设备以进口为主，有关围网作业成套设备集成的研究文献比较少。围网机械装备配合围网作业需求安装于围网渔船上，用来起、放围网渔具和捞取渔获物[1]。一套围网机械少则几台，多则30台以上，其选用及配置需由渔船大小、网具规格、作业对象、渔场条件以及用户对作业机械化和自动化要求的程度等因素来决定[2-4]。围捕作业要求尽可能机械化和自动化，以提高围捕成功率，减轻劳动强度，保障作业安全。围网机械的先进性、经济性、合理性是衡量渔船作业性能的重要标志[5-6]，也是改善渔工劳动条件，增强大风浪海况作业安全性，提高渔船生产率的重要途径，因此国内外渔业界十分注重其发展[7-8]。

挪威、日本、秘鲁、美国、俄罗斯、智利、丹麦、冰岛等国的围网渔业比较发达，在捕捞技术上以日本、美国、挪威较为先进[9-11]。美国为了在太平洋、大西洋、印度洋等水域适应捕捞鲣鱼和金枪鱼的围网作业，安装了先进的渔捞设备，1 100 吨级船上备有各种渔捞机械16 种 21 台， 均采用液压传动和集中控制，整个渔捞过程只需6人[12]。日本 116吨级围网船上有各种机械21～24台，达到高度机械化。挪威20世纪70年代开始建造大船代替旧船和小船，大型网船达300多艘，船大且有加工设备，大部分渔船装有横向推进器，先进、安全、可靠的三滚筒式起网机，在7～8级风浪时仍可作业，捞取 250 t渔获物只需30 min左右[13]。尽管在过去的50多年间，中国的围网渔业无论从捕捞设备还是从技术管理水平上均取得了长足的进步，但与渔业先进国家相比，围网作业自动化仍处于较低水平，渔场调查、鱼群侦察、渔船性能和捕捞操作机械化水平都急需得到进一步提升[14]。

本文基于市场推广项目，针对沙丁鱼等中上层鱼种开展成套围网装备研制，重点研究成套装备系统集成与自动化控制，开展液压动力配置、自动化多路阀控制设计、多设备集成协作等技术研究，为相关成套围网装备系统设计开发提供成套解决方案。

1 围网渔船布局及关键装备技术参数

1.1 技术简介与需求分析

围网作业是根据捕捞对象集群的特性，利用长带形或一囊两翼的网具，采用围捕或结合围张、围拖等方式，迫使鱼群集中于取鱼部或网囊，完成鱼群围捕的一种作业方式[15-17]。图1为围网作业示意图。利用围网渔船良好的快速性和回转性，以适时速度追捕鱼群，同时在围捕过程中要求多个机械装备协调操作，在短时间内利用有限长度和高度的网具把运动状态下的鱼群包围。因此，提升围网渔船的机械化和自动化水平是提高围捕效率、降低空网率和逃鱼率的必要保障，同时也是保障作业安全、减轻劳动强度的重要手段。

图1 围网作业整体示意图

主要围网装备布置图如图2所示。理网机[18]安装于船尾，用于待三滚筒起网机将网具绞收至船尾后配合3～4名渔民将网具整理整齐，因此理网机需要安装在船尾高处，并配有变幅和转向装置；双滚筒绞机是围网船的关键设备之一，采用双滚筒结构，其中一个滚筒用于快速起放沉子纲，另一个滚筒用于起放连接在浮子纲上的跑纲，配合完成整个围网作业；辅助绞机与吊机配合完成起网过程中的网具拖曳工作；A架导向沉子纲与跑纲，配合双滚筒绞机保证顺利完成起放网工作；吸鱼泵与分级机多为成套装置，两者以橡胶软管连接，用于将集群于围网中的渔获物吸捕、分级至船舱中，采用吸鱼泵取鱼可提高捕捞效率13.5%左右，同时也大大减少船员人数，已成为现代围网生产中的重要环节。目前，主流吸鱼泵分为离心式与真空式两种[19]，典型的离心式吸鱼泵以挪威进口为主，扬程可达15 m以上，要求鱼水混合密度33%以上，12英寸口径的吸水能力每小时可达600 t，对30～ 50 cm长的鱼类损伤率不超过3%；真空式吸鱼泵国内也有不少厂家生产，由于在管道中没有叶片或其他转动部分与鱼体接触，所以不损伤鱼体，但耗能大[20-21]。现代围网渔船不但配备传统的探鱼仪等助渔设备，还利用卫星遥感技术判断鱼群的可能位置，甚至在金枪鱼围网中直升机观察手段也已获得较广泛的应用。尽管如此，围网生产在探鱼方面仍要花费大量的时间，渔场调查、鱼群侦察技术等问题还没有根本解决。

图2 主要围捕装备布置图

1.2 主要设备技术参数与协调作业

根据围网作业流程，参照网具规格及作业需求，确定主要设备的技术参数(表1)。

双滚筒绞机是围网渔船的关键装备之一，其结构形式设计为前主滚筒与后高速滚筒，其中，主滚筒用于起放沉子纲，高速滚筒用于起放跑纲，其结构形式详见图3所示。

表1 主要设备技术参数

图3 双滚筒绞机结构示意图

双滚筒绞机的长宽高尺寸大致为3 500 mm×2 500 mm×2 300 mm，两个滚筒独立工作，放缆时脱开离合器，依靠水流力量快速放出缆绳，同时通过控制手动刹车装置的松紧力度来控制放缆速度。收揽前，先操作闭合离合器，依靠液压马达绞收缆绳。

艏、艉侧推是起网过程中的主要装备之一，用于克服起网过程中双滚筒绞机、三滚筒起网机以及水流、风流的作用力，将船舶从网具中推开[22]，因此，艏、艉侧推产生的推力之和要大于绞收时绞机的拉力。通过航行试验证明，对于工作负荷50 kN的围网船，艏、艉侧推各25 kN的设计载荷完全能满足起网需求，在实际使用过程中，可利用水流、风流辅助起网。由于起网负载偏向船尾，因此在动力分配设计中应当优先将富余供给艉侧推。侧推的推力按照1 kW功率输出0.11～0.12 kN核算[23-24]。根据不同工况下设备的工作周期(表2)，可以找到系统功率最大的工况是起网作业工况，此时艏侧推、艉侧推、高速滚筒、主滚筒、三滚筒起网机、理网机与辅助绞机同时工作，以此作为设计液压系统功率的依据，不同时工作的设备共用油源，最大程度地降低系统总功率。

表2 主要设备工作周期

2 液压系统工作原理

液压系统包括有泵源组件、操作阀组件、执行组件三大模块(图4)。泵源组件是动力输出模块，是驱动整条船起捕装备的动力来源；操作阀组件根据设备功率需求将泵源合理分配，通过操作阀可实现油量的分流和集流，同时分别控制各设备正向、反向、停止等动作；执行组件即集成在作业装备上的马达、油缸等液压元器件。

泵源组件包括液压泵、动力输出机构、油源阀组、油箱等。动力输出机构由柴油机动力输出机构(PTO)的飞轮端外加55 kW电机组成，其与液压泵的布置形式为：柴油机飞轮端—齿形块联轴器—离合增速分动箱—液压泵(图5)。

此布置形式可综合利用主机功率，合理分配主机动力输出，能提高设备操纵性、可靠性，也达到节能的目的。PTO驱动多台液压泵，可做到互为备用，提高系统的冗余性。油源阀组用于油路的合并与分流，可根据工况需求灵活布置。

图4 液压系统图

操作阀组件由5组多路阀组成，根据需要选择每组阀的工作片，实现油路的集成与动作控制。由于所有阀组均选用手动、液动一体驱动方式，因此可将液动控制油路集成到一个操作平台上，在实现各设备集成控制的同时，也可保证各设备协调配合的安全性。由于工作片间选型有压力补偿单元与负载敏感控制组件[25-26]，因此能保证各设备既可单独动作，也可同时动作，可极大提高工作效率。执行组件包括艏、艉侧推在内的10台设备，合计18个执行机构，通过操作阀组件的手柄动作，做到各设备协调动作，相互配合完成围网作业。

图5 PTO动力输出连接形式

3 艏艉侧推电气系统

艏、艉侧推是围网作业的关键设备，能显著提高围网渔船的机动性能。艏艉侧推控制器用于控制艏侧推与艉侧推的转速及方向，电气原理见图6。

侧推操作一用一备，既可在驾驶室里操作，也可在机侧操作台上操作，两者通过使能按钮进行切换。操作人员操纵电控手柄，改变手柄偏向及角度发出正转或反转命令，手柄倾斜角度越大，转速越快，船体侧推动作越明显。CAN-IO14控制器接收电控手柄信号后，经过比例放大模块，驱动操作阀组件的阀芯开启方向与开启程度，从而改变侧推的方向与转速。

推动电控手柄，相应的动作指示灯通电，灯亮，侧推动作，手柄恢复中位，驾驶台动作指示灯断电，灯灭。同时也可将报警动作集成在控制器中，此时动作指示灯兼作故障指示灯，监控电控阀接线，如果有错误及短路、断路、电流超负荷等，指示灯闪亮。控制器首次通电或者断电再次通电时，如果驾驶台及液压操作台某一电控手柄不在中位，控制器保护，所有手柄操作失效，需要先将所有手柄恢复中位后再进行操作才有效，所以要求艏艉侧推控制手柄操作完成后及时恢复中位，以免影响下次操作。CAN-IO14控制器正常工作电压为(24±4)V，电压波动引起电压超过此范围，将导致液控阀不驱动或驱动不到位。

图6 艏艉侧推电气系统图

4 实船验证

2015年12月—2016年2月期间，交付完成的8条远洋围网渔船先后于山东荣成附近海域开展船舶航行和设备试验，累计试验次数12次。通过在集中控制台上操纵比例减压阀的控制手柄，控制绞纲机实现正、反转及停车，当绞纲负载较小或处于底径，需要滚筒较大转速时，可操纵集控台手柄实现绞纲机无级变速。整个试验过程中，所有设备运行动作平稳、准确，无异常振动和怪声，双滚筒绞机、辅助绞机等起网设备刹车制动可靠，限位装置动作准确、无误，设备各部件在试验过程中均无变形、无裂缝，液压系统无异常发热现象，船、机、网匹配效果良好，网具起放流畅，网具打开充分，达到预期目标。整个起放网作业时间不超过30 min，整个渔捞作业过程由原先10～14人缩减为6人，机械化程度显著提高，验证了整套系统的可靠性与高效性。目前8条远洋围网渔船在毛里塔尼亚、安哥拉等地进行渔业捕捞生产，从事沙丁鱼等小型中上层鱼种的捕捞作业，网次产量可达10万t。

5 结论

通过机械化装备研制与自动化系统集成，围网捕捞装备实现了国产化，试验与实际生产均验证了系统设备工作稳定、操作灵活、工况适应型强，能够满足渔业生产要求。捕捞装备包括双滚筒绞机、三滚筒起网机、理网机、吸鱼泵、回转折臂吊、鱼水分离器等10台套设备，多台设备协调作业、集成操作，高效传动与自动化技术显著提高了远洋围网渔船的捕捞效率。围网作业的聚而围之、吸捕转运等技术装备研发将对深远海平台养殖模式的开发提供重要的技术与装备支撑。

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