水产养殖复合式自动增氧系统设计与试验

2020-10-29蒋建明乔增伟朱正伟

农业机械学报 2020年10期

蒋建明乔增伟朱正伟宦娟史兵郇战

(1.常州大学微电子与控制工程学院，常州 213164； 2.常州大学怀德学院，靖江 214500)

0 引言

水体溶解氧含量指溶解于每升水体中氧气的质量，是高密度水产养殖中最重要的水质参数之一[1-2]。当水体溶解氧含量低于正常值时，鱼类对饵料摄取减少，饵料系数增加[3-5]。当水体溶解量含量低于下限值时，会造成鱼类“浮头”，甚至大面积窒息死亡。目前，我国水产养殖密度普遍高，仅靠自然界溶入水体的氧气无法满足鱼类生长需求。

电力驱动叶轮式增氧(功率一般为0.75、1.5、3 kW)是当前水产养殖增氧的主要方式[6-10]。耕水机(40、60 W)是一种白天以低功率驱动水体上下循环、通过水体中藻类的光合作用大幅增加水体溶解氧浓度的间接增氧机械，但耕水机在阴雨天或夜晚难以收到增氧效果[11-14]。文献[15-17]对微孔曝气增氧机与叶轮增氧机的增氧能力进行了对比研究，指出叶轮增氧机比同等功率微孔曝气增氧机增氧效果更佳。文献[18-20]在矩形养殖池对曝气增氧机与水车式增氧机的增氧效率进行了对比试验，发现曝气式增氧机耗费更多电能。文献[21]提出，为了提高水车式增氧机的增氧效率，必须实时获取水体溶解氧含量，以便在溶解氧含量低于下限值时进行增氧。文献[22-26]提出，水车式增氧机有利于改善养殖池水质参数，降低鱼类死亡率。

本文将叶轮增氧机和耕水机复合使用，分析采用可变因子模糊控制变频应急增氧效果，通过对养殖池水体不同区域、不同位置的溶解氧含量均匀度分析，探索高效节能的增氧方式。

1 系统结构

复合式增氧系统结构如图1所示，养殖池中水体溶解氧质量浓度由溶解氧传感器测量后传输给基站，近距离节点直接无线发送给基站，远距离节点由附近几个节点形成一个簇，由簇首汇总数据，打包发送给基站，为使各节点能耗均衡，簇首由各节点轮流担任。基站收集各节点测量数据，通过RS-485串行通信传送到控制器，控制器处理各节点测量数据，比较系统设定的应急增氧上限值(停止应急增氧)和下限值(启动应急增氧)停止和启动叶轮增氧机应急增氧，同时每天定时控制耕水机耕动水体。

图1 复合式增氧系统结构示意图Fig.1 System structure diagram of compound aeration system

1.1 溶解氧含量测量

1.1.1测量节点

水体溶解氧含量测量节点结构如图2所示，由测量探头和信号处理两部分组成。

图2 测量节点结构图Fig.2 Structure of measurement node

测量探头一般采用克拉克型传感器，该传感器由一个选择性薄膜封闭的充满电解液的腔室组成。腔室由阴极、阳极组成，二者之间充满氯化钾电解液，当阴阳两极之间由外接电池施加0.8 V电压时释放电子，电子在电解液中的定向流动形成电流，该电流与水体溶解氧质量浓度呈近似比例关系。

信号处理主要完成传感器信号的放大、A/D转换，数据处理以及信号发射。普通节点采用锂电池供电；用作基站的节点，数据运算工作量大，能耗相应增加，所以固定在养殖池岸边采用电源供电。

1.1.2测量误差的修正

各节点获取测量数据后，需要修正各组测量数据，计算出各测量点溶解氧质量浓度。

水体溶解氧传感误差修正的关键是建立误差模型。水体溶解氧质量浓度Vi与传感器输出电流Ii无确定误差模型，需要系统通过初始化现场测量建立模型。高次多项式模型可以精确模拟变化曲线。

假设有n组测量数据：(I1,V1)，(I2,V2)，…，(In,Vn),函数Vi=f(Ii)满足系统要求，输出曲线可以近似用n-1次多项式表示

(1)

则把n组测量数据代入式(1)得到

(2)

由式(2)可求得a0,a1,…,an-1。

理论上n越大，测量精度越高，但系统运算量随之几何上升。受到测量节点CPU运算能力限制，系统采用二次抛物线插值法。在系统初始化阶段，选取(I1,V1)、(I2,V2)、(I3,V3) 3组数据代入式(2)得到

(3)

由此求得a0、a1、a2，当测量过程中获取溶解氧传感器测量参数Ii时，则可求得

(4)

1.2 增氧机械

1.2.1叶轮增氧机

叶轮增氧机主要由叶轮、撑杆、浮筒、电动机、减速箱等组成。其增氧原理是水跃、水面更新、负压进气等联合作用。

(1)水跃增氧。叶轮在水中旋转而产生离心力，中央产生负压区，将底层水提上来促使水从叶轮中央向四周甩出，产生水跃与水平流。

(2)水面更新增氧。由于叶轮的提水及甩水作用，使气水界面不断更新，将底层缺氧的水提至水体表面，使缺氧水与空气接触。

(3)负压进气增氧。叶轮旋转能在某些部位形成负压区，在每只叶片后部钻有一排小气孔利于负压进气，增加了溶氧效果。

1.2.2耕水机

耕水机结构及工作图如图3所示，工作时以几十瓦的功率缓慢搅动水体，使水体上下层循环，促使空气中的氧气加快溶入水体，更重要的是循环到上层的溶解氧含量较低，水体中的藻类通过光合作用产生大量氧气溶入水体。在无耕水机工作情况下，上层水体溶解氧过饱和，光合作用产生的氧气只能溢出到空气中。

图3 耕水机结构及工作图Fig.3 Schematic diagram of biofan

1.3 模糊变频增氧控制

各测量节点把测量的有效参数传输给基站，基站把测量数据传送给控制器，当测量数据低于下限值(设定应急增氧启动值)时,控制器启动叶轮增氧机变频应急增氧。在应急增氧状态下,测量数据高于上限值(设定应急增氧停止值)时停止应急增氧,避免低效工作(水体溶解氧含量越高，应急增氧效率越低)。

控制器每次采样后获取的溶解氧含量误差e和误差变化率Δe首先按照隶属函数归类为{4,3,2,1,0,-1,-2,-3,-4}。

在固定因子模糊变频控制中，误差e和误差变化率Δe的加权系数均为0.5。即

u=-(e+Δe)/2

(5)

式中u为控制器输出量化值控制系数，如表1所示。

表1 固定因子模糊变频控制系数Tab.1 Fixed factor fuzzy frequency conversion control

增氧控制中当溶解氧质量浓度低于下限值时，要求迅速提高溶解氧质量浓度到额定值，所以对误差加权偏大；当接近额定值时，要求控制稳定，对误差变化率加权偏大。

(6)

式中加权系数α1、α2∈(0，1)。系统中取α1=0.4，α2=0.6，由此得到的实际控制系数u如表2所示。

表2 可变因子模糊变频控制系数Tab.2 Variable factor fuzzy frequency conversion control

由于u的值域是[-4,4],变频控制器的输入信号是[0 V,5 V],则变频器输入信号为

U=5u/8+2.5

(7)

2 试验分析

2.1 模糊变频控制试验

在江苏省丹阳市横塘水产养殖基地分别选取4个100 m×50 m×2 m的养殖池，通过无线传感网络实时监测水面下0.5 m处水体溶解氧质量浓度，采用单一叶轮式增氧机(3 kW)变频增氧；其中2个养殖池采用固定因子模糊变频控制，另外2个养殖池采用可变因子模糊变频控制。应急增氧启动的下限值为3.5 mg/L,增氧控制额定值为5.5 mg/L,停止应急增氧的上限值为6.5 mg/L。

由图4可知，采用可变因子模糊变频控制在20:00左右启动应急增氧时相比固定因子控制能快速增氧质量浓度至额定值，在额定值区域溶解氧质量浓度更稳定。

图4 晴天模糊变频控制图Fig.4 Fuzzy variable frequency control chart on sunny days

由图5可知，阴雨天自然界产生的溶解氧无法满足高密度水产养殖鱼类需求，需要24 h通过变频控制增氧，采用可变因子模糊控制的溶解氧误差小于采用固定因子的变频控制。

图5 阴雨天模糊变频控制图Fig.5 Fuzzy variable frequency control chart on rainy days

2.2 无应急增氧与应急增氧对比试验

分别选取2个100 m×50 m×2 m的养殖池，均选用多点实时无线监测水体溶解氧质量浓度，一个采用单一叶轮式机械增氧模式；另一个采用耕水机定时工作(00:00—17:00)和叶轮增氧机复合增氧模式。二者应急增氧启动的下限值为3.5 mg/L, 控制额定值为5.5 mg/L,停止应急增氧的上限值为6.5 mg/L。

(1)无应急增氧溶解氧含量分布

在晴朗白天，养殖池一般无需应急增氧，水体溶解氧主要由藻类光合作用产生的氧气和大气中溶入水体中的氧气补给。在水体上下层不循环情况下，上层水体溶解氧一般处于过饱和状态。在复合增氧模式中，耕水机不断驱动水体上下循环，保证上下层水体都能达到富氧状态，整体提升了水体溶解氧含量。在14:00左右通过测量获取养殖池水体溶解氧分布如图6所示，在耕水机工作中整个水体溶解氧分布相对均衡，底层水体(水面下1.8 m)溶解氧质量浓度约为4.6 mg/L，上层水体(水面下0.2 m)约为6.1 mg/L，阶层差约为1.5 mg/L。在无耕水机工作的单一增氧机模式中，底层水体溶解氧质量浓度约为3.0 mg/L，中层水体(水面下1.0 m)溶解氧质量浓度约为4.5 mg/L，上层水体约为7.5 mg/L，部分表层水体(水面下0.1 m)甚至超过10.0 mg/L，上下阶层差约为4.5 mg/L。

图6 无应急增氧模式下水体溶解氧分布Fig.6 Dissolved oxygen distributions in water without emergency aeration

(2)应急增氧时溶解氧含量分布

在晴朗白天，养殖池水体溶解氧补给大于消耗，但在夜晚仅通过空气溶入水体得到少量补充，消耗大于补给。当水体溶解氧质量浓度低于下限值时自动启动叶轮增氧机应急增氧。07:30测量获取溶解氧质量浓度分布如图7所示。

图7 应急增氧模式水体溶解氧分布Fig.7 Distributions of dissolved oxygen in water during emergency aeration

在耕水机和叶轮增氧机同时工作的养殖池水体溶解氧分布中，各点质量浓度分布均匀。底层约为5.5 mg/L，中层约为6.0 mg/L，上层约为6.5 mg/L。在叶轮增氧机单独工作的水体溶解氧分布中，增氧机工作区域上下层分布均匀，但远离增氧机区域中下层水体溶解氧质量浓度较低，部分区域质量浓度约为4.0 mg/L，说明叶轮增氧机增氧难以搅动远距离区域。中心区域部分溶解氧质量浓度偏高，降低了增氧效率。

(3)效果分析

晴朗天气单一机械增氧和复合增氧模式中叶轮增氧机工作时间如图8所示。单一机械增氧模式中叶轮增氧机启动时间约为20:00，复合增氧模式中启动时间约为23:00，停止时间都约为08:00。复合增氧模式中叶轮增氧机工作时间减少了3 h,功耗减少9 kW·h，减去耕水机每天功耗约1.2 kW·h,每天节约电能7.80 kW·h。阴雨天试验发现单一机械增氧模式和复合增氧模式耗电量基本相等。经过第3季度试验发现，复合增氧模式比单一增氧模式节约电能587.34 kW·h。