深海网箱自动投料装置的设计与研究

张益鹏，史晓敏，董帅喜

（浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022）

1 前言

我国沿海地区拥有较多的海产资源，但是由于对海产的过度捕捞，导致海产资源严重短缺，海产的供给日益依赖海水养殖。但目前，我国近海海域的资源开发利用已经接近饱和，养殖方式的粗放导致了环境恶化、污染加剧、疾病增加、养殖生物品质降低等一系列问题，预示着近海海水养殖已经走到了发展的极限。挪威是国外深水网养鱼的典范，我国自“十五”以来，国家及各级政府都大力引进、吸收、发展深水网养鱼，山东、浙江、广东、海南都有较多的成功案例，这使得深水网养鱼技术已成为水产养殖的发展方向。

与传统的网箱养殖业相比，该产业具有显著的经济和生态效益，并可在沿海地区开辟出一片可供临海工业、仓储物流和沿海旅游的区域。而深水网箱产业又是一个庞大的系统工程，其所承载的产业集群也是一个庞大的系统工程。深水网箱设备覆盖了网箱材料、加工制造、机电设备等行业，深水网箱养殖将对水产品加工流通、苗种培育、饵料生产、病害防治以及休闲旅游等各个领域产生辐射效应。全面发展深水网箱，是转变渔业经济发展方式的重要途径，它是提高我国渔业工业的核心竞争力、引导渔民增加收入的一条重要途径，也是改善海洋生态环境的一条重要措施。

2 装置总体结构设计

2.1 总体结构

本装置由自动放料装置和储料底盘两大部分构成，储料底盘是由浮力底盘支撑，自动放料装置通过四周调节杆和支架与储料底盘连接。储料筒存储需要投喂的饲料，储料筒顶部固定有筒盖，筒盖顶部通过电机罩固定有电机，内腔连通的排料管上安装有料口控制器，出料结构中下料管扩散并倾斜向下设置能够将排除的饲料均匀地扩散到养殖水面上，增加饲料分布的面积，避免养殖的鱼类处于较为拥挤的环境中进食，料口控制器通过内置电机从下料管出料，与此同时，饲料残渣收集结构开始工作，气泵向浮力橡胶球囊通入空气，使得支撑杆向上浮起，从而带动支撑杆的拦截网向上倾斜，使得在喂食时产生的饲料残渣和鱼类产生的粪便能够在拦截网的作用下限制在一定范围内，避免饲料大范围扩散造成海水的污染，并在残渣过滤结构的作用下抽离海水，经过过滤处理后便于集中处理，降低对海水的污染，提高环保效果。

深水网箱自动投料装置整体结构如图1 所示。

图1 总体结构设计

2.2 投料原理

当前，市场上出售的装置鱼饵投放模式主要有三种：电磁振动投放模式、机械振动投放模式和涡轮蜗杆投放模式。但是，电磁型的稳定性较差，精度较低，而且由于受深海养殖环境的制约，经常变换也不方便；蜗杆驱动的蜗轮型结构比较复杂，造价比较昂贵，而且很难维修。

因此，本装置采用下料方式选择电机气泵气压式出料，使气压远大于水压的阻力，从而使饵料精准压进网箱，减少饵料因为水压而浪费，提高饵料的利用率，并且能够在水箱里储存多余饵料以便回收，减少饵料污染水质。

2.2.1 饲料数量估算

深海网箱养殖由于养殖区域在远离海岸的海中，增加了饲养难度。利用自动投料控制系统，可以对远离海岸的网箱进行投料，促进远海网箱养殖的发展。在大规模网箱养殖中，采用自动投料设备优化投料方式，解决人工投料劳动强度大、效率低、成本高、精度低、可靠性低等问题。因此，自动投料技术在开阔海网箱养殖收益中起着关键作用。饲料是水产养殖中最重要的可变成本，一般占水产养殖总成本的50%～80%。养殖管理的一个重要方面是通过减少饲料浪费和节约成本，将饲料成本降至最低。

以大黄鱼为试验对象，试验采用了70m 的围网、水深15m 的网箱。设置投饵密度70g/30 尾/m2，由于幼苗期是黄鱼采食量最大的时期，所以一天应投喂4 次左右的人工配合饲料，并且投饵量应按大黄鱼的体重而定，通常鱼苗期的投饵率为1.0%～1.3%，每网箱设置2 台投饵机。

查阅相关数据知，市面上最常见的鱼饲料的比重约为394kg/m3，设料箱半径为r，高为h，则由公式：

可以算出，一个网箱每周的投料量应该在这个数量左右：

2.2.2 气泵风机选择

性能要求：试验投料距离定为，其最大投料量定为。输送物料量Gb是输料管单位时间内通过的最大输送量，所以输料量Gb需要在平均输送量的基础上加上一定余量。如下：

输送气流速度的选择上，相对粒度均匀的物料，一般取悬浮速度的1.5 ～2.5 倍。

输送浓度为单位时间内通过输料管某一截面物料的重量Gs 和空气重量（Ga=γaG）的比值。

式中，Gs为物料重量（kg/h）；Ga为空气重量（kg/h）；γa为空气重度（kg/m3）；Q 为空气流量（m3/h）。

管道总压损主要包括水平管沿程静压损、加速压损和局部压缩，计算如下：

送料水平沿程静压损，由达西公式：

在流体力学理想流体微分形式的伯努利方程式中，加入能量损失一项就得出气体在管道内流动的微分形式的伯努利方程，即为：

鼓风机的类型一般有罗茨风机和高压漩涡风机两种，其中罗茨风机虽然可以固定输出风量不随负载变化而变化，但其缺点是笨重不易挪动。而高压漩涡风机可以满足要求且其轻便易于搬运与使用，缺点是风量会随着负载变化而变化。而本装置平台未来是搭建在投饵装置上，重量过大不利于装置运行，所以选用轻巧的高压漩涡风机。根据设计参数，选用亚士霸电机，型号HG-3800S，额定电压380V，最大风压42kPa，最大吸压38kPa，最大风量400m3/h,噪音70 分贝，风管口径60mm。

2.3 自动放料结构

自动放料系统就是送料轴和控制器相结合的系统。首先，使饲料进入储料筒的底部，由电机罩下的电机转动带动送料轴外圆的螺旋输送扇叶机械的转动，来控制行程，这种传动结构简单，维护方便，且在储料筒应用中状态稳定，同时自动控制箱控制料口控制器，使料从排料管与支撑盘顶部轴心处开设的通孔有序地自动流入支撑盘底部，从而能够定时定量地输送所需要的饲料，降低人工劳动强度，提高饲料投喂效率。

3 传感器系统设计

水环境监测主要是指利用现代监测手段(在线远程监测设备、浮标、水下机器人、无人机等)获取公海网箱所在区域的水文、水质信息，包括近海风速和风向、浪高、洋流速度等。水文参数、水温、pH 值、溶解氧、亚硝酸盐、氨氮、叶绿素等水质参数进行实时监测，并从实时获取的数据中分析水质参数的变化，解决了传统的开阔海网箱养殖水质监测方法无法动态反映水质变化的问题，实现了开阔海网箱养殖区域无人值守作业的目标，使渔民可以在远程监控室中随时获取明海网箱养殖区域的水文和水质参数。

传感器系统是本装置的关键部分之一，主要由水质传感器、温度传感器和鱼类生长传感器组成。

3.1 水质传感器

水质传感器装在浮力底座的前端，并固定在靠近水面的位置，它使用了光学传感器和电化学传感器的组合，其中光学传感器是通过测定水体中的光强来测定溶解氧和浊度，而电化学传感器是通过电极对水体中的离子浓度来测定pH。该系统可为水产养殖系统的智能化控制提供依据，确保水产养殖系统的稳定性与安全性。

3.2 温度传感器

在温度传感器方面，将热敏电阻器与温度传感器芯片结合在一起，可以对水温进行实时监控。安装在网箱的四壁上，可以方便地获取更加精确的水温数据，这些传感器可以提供精确的水温数据，为装置的智能控制奠定了基础，确保鱼类获得了一个良好的生长环境。

3.3 鱼类生长传感器

在网箱底部设置了一个鱼体长径仪，该仪器利用水压和感光两种传感器，实现了对鱼体长和鱼体宽的监测。在喂鱼装置中，鱼儿在网箱中来回穿梭，通过水压和感光传感器，监测鱼儿的个数、群数等信息。该系统可为装置的智能化控制提供可靠的依据，以确保鱼体在合适的饲养环境中获得足够的营养。

4 自动化控制系统的设计

4.1 PLC 与单片机的选择

PLC 等同于一种控制设备，主要是通过控制控制领域的梯形图编程，例如数控制机床、电梯等。单片机在工业过程控制，过程监测，工业控制器和机电整合控制系统中被广泛使用。从工程的角度来看，对于少数重复或单个项目，环境要求不高，可以使用可编程控制器，方便且快速，成功率很高，具有可靠性，但成本相对较高。如果它是相对较大的支持项目或大型项目，则施工单元可以考虑使用单片机，不仅降低成本，而且还可以使用高效率。

4.2 单片机控制

4.2.1 硬件选择

AVR 单片机是在最近十几年发展起来的一种新型单片机。从运行速度、存储空间、内部功能模块的整合、以串行接口为基础的外部扩展等各方面来看，AVR 单片机都要优于51 单片机。

4.2.2 控制面板设计

为了方便用户对深海网箱自动投饵装置进行控制和监测，我们设计了一块控制面板（图2）。该面板包括液晶显示屏、按键、LED 指示灯等元件，用户可以通过按键设置投饵时间、投饵量等参数，并实时监测系统状态。

图2 控制面板设计

（1）按钮。打开后液晶显示屏启动，会将整套系统的信息显示在屏幕上，再按则关闭。“LED0”亮灭分别对应打开与关闭。

（2）参数设置。按下，系统依次进入设置状态，此时，整套系统的参数都在等待使用人修改。

（3）单次喂养。按下后，可以根据参数设置中设置每次投饵的量进行单次的投喂。

（4）定时喂养。按下后系统将按照参数设置中设置的参数进行自动投料，可以在无人的情况下进行作业。

（5）主页。在其他页面按下主页键后可以返回本页面。

4.2.3 控制逻辑

（1）系统初始化，读取用户设置的参数。

（2）检测水温、水质等环境参数，判断是否需要投饵。

（3）根据用户设置的投饵时间和投饵量，控制继电器开关，实现自动投饵。

（4）投饵完成后，等待下一次投饵的触发。

5 结语

通过深海网箱养殖自动投料设备的研究，本文研究设计了一种适用于深海网箱养殖的自动投料装置，利用单片机、传感器等技术手段实现了水文环境以及对鱼群的检测并可以自动化投料的功能。理论上，该系统表现出了优良的可靠性和实用性，可以适用于不同深海网箱养殖的工作要求。未来的工作，可以进一步对该设备进行优化，从而更好地满足深海网箱养殖的需求，进而能够最大化地提高养殖户的收入，大大保障了饲养人员的人身安全。