文/張繼業(yè) 胡福良 鄭琴 馮燕 付斌

一種水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

文/張繼業(yè)1胡福良1鄭琴1馮燕1付斌2

自動(dòng)投餌機(jī)是提高飼料利用率，降低養(yǎng)殖成本的重要設(shè)施。為解決小型池塘的投飼浪費(fèi)，提高工廠化養(yǎng)殖水平，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新型的水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)。根據(jù)其工作原理，對(duì)投餌機(jī)的供料裝置、高壓流體裝置、餌料釋放裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，采用高壓流體作為供料能源，管道作為輸送機(jī)構(gòu)，混料釋放倉(cāng)作為撒料裝置，PLC3系統(tǒng)作為控制器，并按要求制作了樣機(jī)進(jìn)行投喂試驗(yàn)。結(jié)果表明，該投餌機(jī)可以實(shí)現(xiàn)底部投喂，投飼深度和投飼距離具有可調(diào)性，可以滿足不同池塘的需求；投飼的同時(shí)還具有增氧的作用。較傳統(tǒng)投餌機(jī)，該投餌機(jī)具有減少飼料浪費(fèi)，優(yōu)化魚類攝食環(huán)境，減少局部缺氧的優(yōu)點(diǎn)，適合現(xiàn)代化漁業(yè)養(yǎng)殖的推廣和應(yīng)用。

近年來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)有了很大的發(fā)展。隨著對(duì)水庫(kù)、湖泊等大水域環(huán)境的重視，池塘和工廠化養(yǎng)殖占據(jù)了主導(dǎo)地位。飼料是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最重要的投入品，因此，投飼是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最重要的步驟，且飼料投喂技術(shù)是否合理直接影響到養(yǎng)殖效果和環(huán)境生態(tài)。在我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中普遍使用傳統(tǒng)單片機(jī)控制的小型自動(dòng)投餌機(jī)。該投餌機(jī)價(jià)格便宜，適合一般的池塘，但因其投餌量小、人工成本高等不利條件，難以滿足高密度水體養(yǎng)殖的大量投喂和自動(dòng)化投喂。因此，有必要開發(fā)適合不同水體的自動(dòng)投餌設(shè)備，進(jìn)一步提升水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化、自動(dòng)化水平。

1986年挪威開始使用自動(dòng)投餌系統(tǒng)結(jié)合音響集魚系統(tǒng)養(yǎng)殖鱈魚幼魚。隨著自動(dòng)化技術(shù)的推進(jìn)，國(guó)外研究者研發(fā)出一種將圖像、視頻處理和嵌入式技術(shù)相結(jié)合的投飼檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)判斷殘餌量和自動(dòng)投餌一體化，大大降低人工勞動(dòng)量；計(jì)算機(jī)與投餌機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了飼料投喂的自動(dòng)化、智能化及遠(yuǎn)程遙控。在小型水體養(yǎng)殖中，英國(guó)根據(jù)不同的餌料生產(chǎn)了一款螺旋軸可更換的螺旋給料小型投餌機(jī)，通過(guò)控制螺旋進(jìn)給時(shí)間進(jìn)行定量。澳洲生產(chǎn)的小型投餌機(jī)則通過(guò)有線網(wǎng)控制電磁鐵拉動(dòng)方式進(jìn)行飼料的投喂。

借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)也針對(duì)自動(dòng)投餌機(jī)開展了大量的研發(fā)工作，目前主要的研究成果包括工廠化養(yǎng)殖自動(dòng)投餌系統(tǒng)，深水網(wǎng)箱自動(dòng)投餌系統(tǒng)，基于PLC或MCGS的網(wǎng)箱自動(dòng)投餌系統(tǒng)、氣力投飼系統(tǒng)、海洋牧場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控投餌系統(tǒng)和基于視覺技術(shù)的智能投餌系統(tǒng)。這些自動(dòng)投飼機(jī)在一定程度上提高了飼料的利用率，降低了人工投入。但未投入批量生產(chǎn)且普遍價(jià)格偏高。綜合國(guó)內(nèi)對(duì)投餌機(jī)的研究，相比國(guó)外，還存在一些不足：（1）針對(duì)特定養(yǎng)殖模式和對(duì)象的自動(dòng)投餌機(jī)的研發(fā)少（2）投餌系統(tǒng)軟件開發(fā)較為落后（3）投餌機(jī)智能化程度較低。

中國(guó)市面上的自動(dòng)投餌機(jī)，根據(jù)投餌裝置大致可以分為3類：（1）不使用動(dòng)力的拋撒裝置，其工作原理是利用餌料自然下落遇障礙物碰散開進(jìn)行投飼。這種裝置一般應(yīng)用于投餌面積較小的大水面養(yǎng)殖中。（2）使用空氣動(dòng)力的裝置，使用管道和高速流動(dòng)的空氣把餌料輸送到投餌點(diǎn)，遇障礙物碰散開進(jìn)行遠(yuǎn)距離投餌。這種裝置應(yīng)用于環(huán)境較特殊的網(wǎng)箱養(yǎng)殖或工廠化養(yǎng)殖中。（3）使用電機(jī)和圓盤為動(dòng)力的裝置，餌料接觸電機(jī)帶動(dòng)的圓盤時(shí)進(jìn)行拋灑，這類自動(dòng)投餌機(jī)主要用于池塘養(yǎng)殖中。這些投餌機(jī)都是從空中進(jìn)行餌料拋灑，且目前投喂的大都是浮性料，魚類需到水面進(jìn)行攝食，不利于特殊魚類和環(huán)境條件下的養(yǎng)殖。為了克服特殊魚類和特殊環(huán)境的投喂方式的不足，作者在普通自動(dòng)投餌機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的水陸兩用自動(dòng)投耳機(jī)，可用于深水、淺水和陸地投放餌料，滿足多樣化、生態(tài)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌需求。

一、投飼機(jī)的組成及其工作原理

該自動(dòng)投餌機(jī)主要由送料倉(cāng)、高壓流體生成器、高壓流體噴倉(cāng)、負(fù)壓倉(cāng)、混料倉(cāng)和混合料釋放倉(cāng)等結(jié)構(gòu)組成。送料機(jī)構(gòu)位于負(fù)壓倉(cāng)的上面，通過(guò)導(dǎo)料管與負(fù)壓倉(cāng)相通；高壓流體噴倉(cāng)位于負(fù)壓倉(cāng)一側(cè)，混料倉(cāng)位于另一側(cè)（圖1）。投餌機(jī)長(zhǎng)52cm，寬52cm，高78cm，功率120W，可承載50kg～80kg飼料。

投餌原理：高壓流體生成器提供流體動(dòng)力，輸出的高壓流體由高壓流體噴倉(cāng)噴出，經(jīng)負(fù)壓倉(cāng)進(jìn)入混料倉(cāng)，此時(shí)負(fù)壓倉(cāng)內(nèi)為負(fù)壓，同時(shí)餌料在吸引力作用下從餌料倉(cāng)經(jīng)導(dǎo)管送入負(fù)壓倉(cāng)，餌料在負(fù)壓作用之下跟隨高壓流體進(jìn)入混料倉(cāng)，餌料與高速、高壓的流體在混料倉(cāng)中混合，然后由混合料釋放倉(cāng)釋放飼料進(jìn)入

圖1.水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

二、投飼機(jī)的設(shè)計(jì)

1.供料裝置

該投餌機(jī)的供料裝置包括餌料倉(cāng)和設(shè)置于餌料倉(cāng)下方的分料倉(cāng)。分料倉(cāng)的出料口與導(dǎo)料管連通。餌料倉(cāng)主要用于儲(chǔ)存餌料，分料倉(cāng)的作用在于控制投餌量。餌料倉(cāng)與分料倉(cāng)之間設(shè)置有一個(gè)隔板，隔板上設(shè)置有一個(gè)振動(dòng)器，振動(dòng)器通過(guò)一個(gè)控制器控制其間隔時(shí)間和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)投餌量的控制。此外，控制器還用于控制高壓流體生成器的運(yùn)行和停機(jī)?？刂破髟O(shè)置于餌料倉(cāng)頂部?jī)?nèi)側(cè)，當(dāng)然也可以設(shè)置于室內(nèi)其它便于操作的地方。導(dǎo)料管的長(zhǎng)度可根據(jù)養(yǎng)殖水體的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于各種深度的養(yǎng)殖水體。

在餌料倉(cāng)的出料口處設(shè)置有一個(gè)光敏傳感器（型號(hào)HL340HP、HL504HP），用于判斷餌料是否用完。當(dāng)餌料投完時(shí)，光敏傳感器向控制器發(fā)出延時(shí)停機(jī)信號(hào)，控制器將在幾分鐘之后控制高壓流體生成器停機(jī)，工作人員可根據(jù)實(shí)際需要選擇繼續(xù)向餌料倉(cāng)加餌料或者關(guān)閉本系統(tǒng)結(jié)束投料。停機(jī)瞬間，負(fù)壓倉(cāng)和導(dǎo)料管內(nèi)壓強(qiáng)由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，與水壓平衡。水越深，負(fù)壓與正壓間的壓力差越大。延時(shí)停機(jī)的目的主要是利用該壓力差，將混料倉(cāng)和混合料釋放倉(cāng)內(nèi)的殘余餌料處理干凈。在導(dǎo)料管內(nèi)設(shè)置有緩沖板，用于在深水作業(yè)時(shí)，防止高壓流體生成器停機(jī)時(shí)的內(nèi)壓力瞬間變化導(dǎo)致水沖進(jìn)餌料倉(cāng)。

2.高壓流體裝置

高壓流體裝置包括高壓流體生成器、導(dǎo)流管、壓力控制閥和泄壓閥。高壓流體生成器為水泵或氣流泵，根據(jù)養(yǎng)殖投餌需求確定水泵或氣流泵功率的大小。另外，水泵或氣泵分別輸出的都是對(duì)養(yǎng)殖魚類及水質(zhì)無(wú)污染的液體或氣體。在導(dǎo)流管與高壓流體噴倉(cāng)之間設(shè)置有一個(gè)壓力控制閥，可根據(jù)實(shí)際投餌量，通過(guò)壓力控制閥調(diào)節(jié)流體壓強(qiáng)，使本系統(tǒng)更為靈活的適用于不同類型的餌料及投餌環(huán)境。壓力控制閥還與一泄壓閥連接，該泄壓閥可將多余的壓力釋放，使高壓流體噴倉(cāng)內(nèi)保持一個(gè)平衡的實(shí)用壓力。

3.餌料投放裝置

該自動(dòng)投餌機(jī)的餌料投放裝置由負(fù)壓倉(cāng)、混料倉(cāng)及混合料釋放倉(cāng)組成。高壓流體裝置和供料裝置分別通過(guò)導(dǎo)流管和導(dǎo)料管向負(fù)壓倉(cāng)提供高壓流體和餌料，兩者在混料倉(cāng)中混合后，經(jīng)混合料釋放倉(cāng)投放入水體?；旌狭厢尫艂}(cāng)呈發(fā)射狀，可增大餌料的投放范圍，擴(kuò)增魚類的攝食空間?；炝蟼}(cāng)的長(zhǎng)度可根據(jù)需在養(yǎng)殖水體投餌的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了投餌的靈活度。

高壓流體裝置和供料裝置與餌料投放裝置分體設(shè)置，餌料投放裝置可以置于水下，而高壓流體裝置和供料裝置可以置于水上，因此該投餌機(jī)可適用于深水、淺水及陸地投餌工作，減少在網(wǎng)箱、流水養(yǎng)魚池等小水體的投餌浪費(fèi)，實(shí)用性強(qiáng)。

三、軟件設(shè)計(jì)

如圖2，高壓流體生成器連接有PLC3控制器，通過(guò)無(wú)線通信模塊和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端連接再與主控機(jī)相連接。主控機(jī)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用DELL/280P-01、H280P-01型號(hào)；無(wú)線通信模塊可采用zigbee無(wú)線通信模塊或AMBER WIRELESS型無(wú)線收發(fā)器模塊；網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端主要是手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或臺(tái)式計(jì)算機(jī)。主控機(jī)通過(guò)PLC3控制器控制高壓流體生成器操控投餌機(jī)投料。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端的連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制投餌機(jī)投料。主控機(jī)和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制端還分別連接有PLC1控制器和PLC2控制器。其中，PLC1控制器主要用于控制餌料倉(cāng)庫(kù)分料定量控制，PLC2控制器用于控制餌料運(yùn)輸控制，將餌料按需送入各餌料倉(cāng)中。通過(guò)PLC智能控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制由若干個(gè)水陸兩用投餌機(jī)組成的投餌系統(tǒng)，所有水陸兩用投餌機(jī)共用一個(gè)餌料倉(cāng)庫(kù)、分料倉(cāng)和高壓流體生成器，實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)殖（圖3）。

圖2.水陸兩用投餌機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

4-高壓流體生成器，20-餌料倉(cāng)庫(kù)，21-分料倉(cāng)圖3.水陸兩用投餌機(jī)工廠化養(yǎng)殖場(chǎng)示意圖

四、樣機(jī)試驗(yàn)

1.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：漁牌自動(dòng)投飼機(jī)（STLZ-120A，佛山市南海漁愉魚水產(chǎn)服務(wù)有限公司），自制水陸兩用自動(dòng)投飼機(jī)，浮性顆粒飼料，福爾馬林溶液，350g～450g的患孢子蟲病的鯉魚6400kg、350g～450g正常鯉魚6,400kg。采用魚兒樂(lè)溶氧傳感器（SF-206，南京祿輝物聯(lián)科技有限公司），池塘內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖水泥槽6個(gè)（圖4，其中C、D流水槽重復(fù)利用編號(hào)分別為E、F）。圖中，A-D為池塘內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖水泥槽，C/E為同一水流槽，D/F為同一水泥槽，箭頭為流水方向。

圖4.樣機(jī)試驗(yàn)所用流水槽

2.樣機(jī)試驗(yàn)

該自動(dòng)投餌機(jī)按照設(shè)計(jì)制造和組裝調(diào)試后，于2016年7月10日，在四川省仁壽縣清水鎮(zhèn)金白漁業(yè)專業(yè)合作社池塘內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖槽（22m×5m×2.2m）（水溫28℃±2℃）內(nèi)進(jìn)行了水下投餌試驗(yàn)。在A水泥槽設(shè)置普通自動(dòng)投餌機(jī)對(duì)照組，B水泥槽設(shè)置水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)試驗(yàn)組，兩個(gè)槽內(nèi)分別投放正常鯉魚6400kg。在餌料倉(cāng)中裝入同一品牌的浮性顆粒飼料70kg。同時(shí)啟動(dòng)投餌機(jī)，進(jìn)行投餌，觀察飼料的拋灑、鯉魚的吃食情況和水面飼料殘留量。

此外，為了測(cè)試水陸兩用投餌機(jī)的增氧作用，在循環(huán)水養(yǎng)殖池塘的相鄰C、D兩個(gè)流水槽中，放養(yǎng)相同規(guī)格和密度的患有孢子蟲病的鯉魚6400kg。關(guān)閉進(jìn)水口推水風(fēng)機(jī)，C流水槽中開啟水陸兩用投餌機(jī)但不投餌，D流水槽中不開，用福爾馬林按100 ppm濃度全池潑灑，計(jì)時(shí)觀測(cè)流水槽中溶氧的變化；在另外相鄰的E、F兩個(gè)流水槽中，不投放養(yǎng)殖魚類，打開推水風(fēng)機(jī)，E池實(shí)驗(yàn)組開啟水陸兩用投餌機(jī)但不投餌，F(xiàn)池對(duì)照組不開投餌機(jī)，計(jì)時(shí)30分鐘觀測(cè)流水槽中溶氧的變化。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）投餌試驗(yàn)

通過(guò)2個(gè)多月的投餌試驗(yàn)和觀察，結(jié)果表明，投餌機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作安全可靠，實(shí)現(xiàn)了從池塘底部對(duì)鯉魚進(jìn)行投喂。當(dāng)兩臺(tái)投餌機(jī)同時(shí)啟動(dòng)后，可以明顯看到A池對(duì)照組自動(dòng)投餌機(jī)中的飼料呈弧形向外拋撒，范圍廣；鯉魚快速扎堆聚在飼料拋灑范圍內(nèi)或躍出水面搶食，激起大面積水花；池塘埂及臨近池塘中有大量飼料落入；飼料從投餌機(jī)中噴灑時(shí)產(chǎn)生很大的噪聲。相比對(duì)照組，B池實(shí)驗(yàn)組水陸兩用投餌機(jī)投餌時(shí)，基本不見養(yǎng)殖魚類浮在水面攝食，水面并未出現(xiàn)魚類因搶食而引起的浪花，只有暗流涌動(dòng)；一定深度水面下，可見魚類的攝食行為與從水面拋灑投喂的不同。

養(yǎng)殖魚類在水下正常游動(dòng)過(guò)程中攝食上浮的飼料，沒有出現(xiàn)魚類扎堆搶食的現(xiàn)象，減少了魚群在攝食過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞、擠壓、刺傷等不良影響。開動(dòng)自動(dòng)投餌機(jī)至停止自動(dòng)投餌機(jī)期間，只可聽到輕微的由該自動(dòng)投餌機(jī)發(fā)出的噪音，推測(cè)其可適用于翹嘴紅鮊等性情急躁的魚類養(yǎng)殖。投喂的餌料一般都是膨化飼料，當(dāng)飼料從水體底部噴出后，吸水膨脹上浮，中下層及底部魚類無(wú)需上游至水面進(jìn)行攝食，可以避免因日照、鳥類和人為活動(dòng)等不良因素對(duì)魚類攝食造成的干擾，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)、穩(wěn)定的良性攝食；對(duì)于長(zhǎng)吻鮠、鱘魚等口下位或口亞下位的魚類，飼料從水體底部自下而上，更利于其攝食活動(dòng)的進(jìn)行，大大提高了飼料利用率。未被攝食的飼料，會(huì)浮至水面，投喂一段時(shí)間后，飼養(yǎng)者可以直接觀察到水面上漂浮飼料的量的多少，從而判斷投喂的飼料是否滿足養(yǎng)殖魚類的攝食。

（2）增氧作用驗(yàn)證試驗(yàn)

耐藥實(shí)驗(yàn)中，開啟該自動(dòng)投餌機(jī)后，較對(duì)照組觀察到有明顯的浪花從池塘底部往水面涌出（圖5）。D池對(duì)照組中鯉魚20分鐘左右開始大量浮出水面，游動(dòng)緩慢；C池開啟了底部投餌機(jī)的實(shí)驗(yàn)組，鯉魚出現(xiàn)浮頭的時(shí)間比D池晚30分鐘～40分鐘。推測(cè)本文所述的水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)在投料的同時(shí)具有一定的增氧作用。在不投放養(yǎng)殖魚的流水槽E、F中，對(duì)照組F池內(nèi)溶氧在30分鐘內(nèi)基本不變，實(shí)驗(yàn)組E池內(nèi)溶氧呈先增加后減少的趨勢(shì)，在10分鐘時(shí)增加到最大值。分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)椋谕扑L(fēng)機(jī)的作用下，水流發(fā)生交換，水體內(nèi)的溶氧會(huì)因此出現(xiàn)波動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)可呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；流水槽只占整個(gè)水域的小部分，當(dāng)槽內(nèi)的水體大部分被交換后，水中的溶氧會(huì)降低，因此一段時(shí)間后，流水槽中的溶氧會(huì)和槽外的大水域的溶氧保持一致（圖6）。

圖5.水陸兩用自動(dòng)投餌機(jī)的增氧作用

圖6.打開投餌機(jī)后流水槽中溶氧變化

五、結(jié)論

本文介紹了一種水陸兩用投餌機(jī)及系統(tǒng)。該投餌機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，安裝、拆卸方便，實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了從水體底部進(jìn)行投餌，解決了現(xiàn)有投餌機(jī)不適用于投餌面積小、口亞下位魚類的養(yǎng)殖技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)還可作為增氧機(jī)，一定程度上緩解局部缺氧。后期可進(jìn)行其他深水魚類和口下位魚類的養(yǎng)殖試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該水陸投餌機(jī)的功能。

另外，該投餌機(jī)也存在一定的不足。導(dǎo)料管和混料倉(cāng)為不可伸縮型，需要人為的增加或減少管道的長(zhǎng)度，自動(dòng)化水平較低，一定程度上局限了投餌深度和距離。

作者單位：1.四川省眉山市東坡區(qū)農(nóng)業(yè)局 2.四川省安岳縣魚種站