栗鵬輝，危起偉，杜 浩，沈 麗，羅 江

(1 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，重慶 400700；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430223 )

投飼和排污都是魚類養(yǎng)殖中的關(guān)鍵步驟[1]。研究表明，殘飼和糞便是引起水質(zhì)惡化的關(guān)鍵因素。在魚類工廠化養(yǎng)殖中，由于養(yǎng)殖密度較高，伴隨著投飼量的加大，水中殘飼、有機(jī)廢物經(jīng)細(xì)菌分解所產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量濃度可能隨之升高，從而引起魚類的氨中毒甚至死亡現(xiàn)象[2-5]。因此投喂后及時(shí)將魚類養(yǎng)殖中的殘飼和糞便排出，是減輕養(yǎng)殖水體凈化處理壓力和保障養(yǎng)殖水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵措施[6]，通過建立和優(yōu)化投喂與集排污的流程是提高水產(chǎn)品質(zhì)和降低生產(chǎn)成本的有效途徑[7]。目前國內(nèi)絕大多數(shù)工廠化養(yǎng)殖場(chǎng)中的排水裝置及排污裝置均為一體，通過人工插拔豎管來完成排水排污,再通過養(yǎng)殖池閘門的開關(guān)來控制魚池循環(huán)水的排放[8]。現(xiàn)有的自動(dòng)化投飼機(jī)[9-11]，內(nèi)部控制器程序二次開發(fā)難度較大，學(xué)習(xí)操作及維修改造成本高，且大多為獨(dú)立工作，只負(fù)責(zé)投喂動(dòng)作，因此無法與自動(dòng)化排污設(shè)備配合來根據(jù)實(shí)際需要完成一個(gè)完整的投飼和集排污流程[12-14]。在實(shí)際操作中，頻繁集排污會(huì)加劇飼料及水資源的浪費(fèi)，集排污不足則容易導(dǎo)致氨氮的積累危害魚體生長，因此需要人工操作來調(diào)節(jié)喂食和集污排污的配合[15]，并不適用于高度自動(dòng)化的養(yǎng)殖場(chǎng)景，所以設(shè)計(jì)制造一套集成自動(dòng)投飼與排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)非常有必要。

在保護(hù)長江鱘類的大背景下，根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部中華鱘增殖放流中心繁育車間的實(shí)際情況，針對(duì)鱘魚養(yǎng)殖的投飼和集排污的要求，利用可視化編程PLC QJ-16R-2AI2AO-485、旋桿送料機(jī)構(gòu)、減速電機(jī)、撒料盤、非接觸式液位傳感器、料深傳感器、造流器、電動(dòng)閥、自動(dòng)雙通道排污裝置，開發(fā)出一套集成自動(dòng)投飼的與集排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備性能測(cè)試及魚類的養(yǎng)殖試驗(yàn)，以期為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

集成自動(dòng)投飼與集排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)主要由出料裝置、撒料裝置、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和與之匹配的水流集污系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通過PLC接收各類傳感器的信號(hào)來控制執(zhí)行端元器件完成投飼動(dòng)作及水流集污系統(tǒng)與排污系統(tǒng)的配合，為養(yǎng)殖魚類提供更好的進(jìn)食和生長條件。經(jīng)過全新的機(jī)械設(shè)計(jì)及電氣元件選型，本系統(tǒng)具有投喂偏差小、撒料均勻、集排污效果好特點(diǎn)，可減少飼料浪費(fèi)和由于投飼不均勻?qū)е碌聂~群體間競(jìng)爭強(qiáng)度大，魚群不同等生長及污染物積累導(dǎo)致水質(zhì)惡化的問題[16-17]。其運(yùn)行原理為系統(tǒng)控制以時(shí)間線為基準(zhǔn)，根據(jù)液位傳感器、料深傳感器、水質(zhì)傳感器及水流集污系統(tǒng)和排污系統(tǒng)傳遞的信息來調(diào)控水流、排污及投喂的順序，來完成整個(gè)投喂流程，以蝸輪蝸桿為出料機(jī)構(gòu)配合出料口電磁閥及撒料盤以保證較好的密閉性及較低的投喂偏差和較高的投喂均勻度。

圖1 鱘魚養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1 Structure diagram of the automatic feeding system for culture of sturgeon

1.2 出料及撒料裝置

出料系統(tǒng)主體采用螺旋推進(jìn)式[9-10]，增加了從動(dòng)的蝸輪，出料口電磁閥及模塊化的動(dòng)力裝置。主體裝置主要由出料減速電機(jī)、蝸輪、送料蝸桿、出料口電磁閥組成，如圖2所示。出料裝置受小型咖啡機(jī)的啟發(fā)，采用市售小型通用咖啡機(jī)JC-A1的料盒自帶的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[18]，由出料減速電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋溝槽帶動(dòng)飼料前進(jìn)，從動(dòng)的蝸輪起到攪拌飼料的作用，可避免盒中飼料出現(xiàn)空洞。由于蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致飼料在盒中前部堆積，過度的堆積會(huì)擠開料盒的頂蓋，因此，在料盒內(nèi)部偏上位置，加裝斜向下的擋板避免料盒蓋被頂開?？Х葯C(jī)料盒作為飼料機(jī)的出料機(jī)構(gòu)，通過測(cè)試，非常適合搭配3號(hào)飼料作為出料裝置。

圖2 鱘魚試驗(yàn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)投料部分結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.2 Structure diagram of the feeding part of the automatic feeding system for experimental culture of sturgeon

經(jīng)過測(cè)試，JC-A1料盒蝸輪蝸桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)搭配鱘魚3號(hào)飼料，蝸桿旋轉(zhuǎn)一圈平均出料為2.42 g，滿足最大投飼能力≥18 kg/h的要求，則送料減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于120 r/min，通過蝸桿負(fù)載扭力測(cè)試，轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿所需最小力矩為0.9 kg/cm，考慮到結(jié)構(gòu)老化帶來的摩擦力增大及設(shè)備用電的一致性，最終選用減速比為40、額定轉(zhuǎn)速為120 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為1.2 kg/cm、額定電壓為DC24V的減速電機(jī)，該電機(jī)集成齒輪箱和直流電機(jī)為一體，方便整體更換。如圖1所示，出料口采用電磁閥通電抽拉的原理，在電磁閥中部閥芯加裝圓形擋板，通過擋板前后運(yùn)動(dòng)來控制出料口的開啟和關(guān)閉，可有效避免養(yǎng)殖環(huán)境中潮濕空氣對(duì)飼料的影響。撒料裝置主體為錐形盤離心拋撒式， 采用模塊化設(shè)計(jì)。裝置位于出料口的正下方，主要的功能是承接出料口落下的飼料并將其播撒入下方的養(yǎng)殖槽中，主要由撒料盤及撒料減速電機(jī)組成。撒料盤總體為鋁制、圓形，由銅質(zhì)聯(lián)軸器、鋁板、鋁制鏤空撥片3部分組成，制作方法為將圓形鋁板分為3個(gè)120°的扇形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域沿彎折線向下彎折30°，扇形連接處設(shè)置有撥片，撒料盤底部的聯(lián)軸器以及上部的撥片采用環(huán)氧樹脂與圓形鋁盤封灌為一體[19]，整個(gè)撒料盤防水、防銹、耐用、質(zhì)量小，成本低，且無毒無害[20]，其基本構(gòu)造如圖3所示。

圖3 撒料機(jī)構(gòu)簡圖 Fig.3 Schematic diagram of spreading mechanism

測(cè)試以鱘魚飼料三號(hào)料為例，每顆飼料平均粒質(zhì)量為0.05 g，且與撒料盤為瞬間接觸，故對(duì)撒料盤的阻擋效應(yīng)可忽略不計(jì)，則當(dāng)撒料盤的直徑r，與離水面高度H一定時(shí)，飼料的最大潑撒半徑R與撒料電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，即：

(1)

式中:R為飼料的最大潑撒半徑,m；r為撒料盤的直徑,m；H為撒料盤距水面的距離，m；g為重力加速度，m/s2；n為撒料電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)養(yǎng)殖槽的實(shí)際情況設(shè)定撒料盤直徑為0.06 m，離水面高度為0.5 m，最大潑撒半徑R滿足0.5≤R≤0.8 m取重力加速度為9.8 m/s2，圓周率π取3.14，則計(jì)算可得所需撒料電機(jī)的轉(zhuǎn)速為339≤n≤447 m/s，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，選用轉(zhuǎn)速為350 r/min的減速電機(jī)可達(dá)到理想的飼料分撒效果。

1.3 自動(dòng)水流集污排污系統(tǒng)

目前國內(nèi)去除固體顆粒的方法主要有虹吸、自吸泵、大換水及雙通道排污管等[21]，虹吸主要針對(duì)中、下層濁水；自吸泵不僅功耗大,而且由于缺少配套的吸污頭,吸污效果較差；大換水是目前最普及的方法,即投飼后不久就拔掉養(yǎng)殖池外部排水的插拔管,將養(yǎng)殖池的水基本排掉,從而達(dá)到去除養(yǎng)殖池中固體顆粒的目的[22]。雙通道排污管最先應(yīng)用于北美的北極紅點(diǎn)鮭、虹鱒魚、賽蒙鮭魚的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可用較小的水流快速分離出固體顆粒物[23-26]。試驗(yàn)中的自動(dòng)水流集污排污系統(tǒng)是應(yīng)用雙通道排污管的原理根據(jù)實(shí)際情況的全新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)供水管道、電動(dòng)閥、前置過濾器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、造流器、吸污裝置等組成，主要原理為PLC控制主電動(dòng)閥開啟，水流經(jīng)前置過濾器初步過濾后，進(jìn)入水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流通管中，經(jīng)檢測(cè)水質(zhì)若達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，則PLC控制造流器電動(dòng)閥開啟，水流經(jīng)造流器加速后沿圓形養(yǎng)殖槽內(nèi)壁切線夾角40°方向流動(dòng)，同時(shí)PLC控制排污電動(dòng)閥開啟吸污裝置開始從養(yǎng)殖槽底部排水，此時(shí)養(yǎng)殖槽內(nèi)形成向內(nèi)向下的水流，帶動(dòng)殘飼及魚糞向吸污裝置處集中，然后通過排污管排出養(yǎng)殖槽。

集污排污系統(tǒng)主要的結(jié)構(gòu)件為造流器和排污裝置。造流器根據(jù)鱘類喜貼壁游泳的習(xí)慣，主體設(shè)計(jì)為貼壁弧形，如圖4所示，沿池壁間隔60°分布，共6根，每根內(nèi)置2根進(jìn)水管，制造時(shí)用環(huán)氧樹脂將弧形外殼與內(nèi)部進(jìn)水管整體封灌后，再整體打孔處理。造流器配合三通電磁閥，可營造出順時(shí)針或逆時(shí)針的水流用于集污，也可通過PLC調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開度及開啟時(shí)間，控制流速及營造變化的水流。排污裝置采用標(biāo)準(zhǔn)塑料管件結(jié)合環(huán)氧樹脂封灌技術(shù)制作而成，主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。優(yōu)點(diǎn)在于成本低，排污效果好且對(duì)于原插拔管排污養(yǎng)殖槽無須改動(dòng)便可安裝。具體制作方法如下：排污底盤采用200 mm×110 mm PVC偏心節(jié)為基礎(chǔ)，利用石蠟作為模具做出空腔部分，并將排水管彎頭連接到石蠟?zāi)＞呱显僬w用環(huán)氧樹脂封灌，待樹脂凝固后，在偏心節(jié)外周打出一圈吸污口，再整體放入沸水中將石蠟溶解，就可得到空腔結(jié)構(gòu)的排污底盤，如圖5所示。與底盤配套的插管在上端開溢流孔的基礎(chǔ)上在中下部設(shè)計(jì)了內(nèi)部的返水管，用于排出中下層濁水。排污裝置的排污管口設(shè)置有電動(dòng)閥，由PLC控制其開關(guān)，可配合水流完成集污并將污染物排出。

圖4 造流器結(jié)構(gòu)簡圖及實(shí)物圖Fig.4 Structure diagram and physical object of flow generator

圖5 吸污裝置制作流程圖 Fig.5 Flow chart of the production of dirt suction device

1.4 檢測(cè)系統(tǒng)及警報(bào)系統(tǒng)

投飼裝置料盒底部設(shè)有料深傳感器，該傳感器由非接觸式液位傳感器XKC-Y28-24V改造而來，可檢測(cè)料盒中飼料是否充足，在養(yǎng)殖槽外部設(shè)有非接觸式液位傳感器XKC-Y28-24V可判斷養(yǎng)殖槽中水位是否為標(biāo)準(zhǔn)投喂水位，若存在水位過低、過高或料盒飼料低于警戒線的情況，缺料警報(bào)燈會(huì)通過閃爍來提示，并且投喂系統(tǒng)將暫停工作。集污排污系統(tǒng)不僅與投喂系統(tǒng)相配合，同時(shí)也接收水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的信息，若供水端水質(zhì)指標(biāo)超過限度，如濁度過高，集污排污系統(tǒng)會(huì)暫停工作，并發(fā)出警報(bào)，直到水質(zhì)指標(biāo)正常才會(huì)關(guān)閉警報(bào)，并繼續(xù)工作。

1.5 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)主要由8芯電線、集線器、S-360=24(FAN)電源開關(guān)及動(dòng)力設(shè)備應(yīng)急電源EPS-6D AC220V600W組成，試驗(yàn)系統(tǒng)包含的用電硬件設(shè)備包括：出料減速電機(jī)、撒料減速電機(jī)、非接觸式液位傳感器XKC-Y28-24V、料深傳感器、出料口電磁閥、電動(dòng)閥、可視化編程PLC QJ-16R-2AI2AO-485，均由S-360=24(FAN)電源開關(guān)將220 V市電轉(zhuǎn)化為DC24V通過8芯電線供電，若發(fā)生停電情況，設(shè)備將自行切換到動(dòng)力設(shè)備應(yīng)急電源EPS-6D AC220V600W進(jìn)行供電，以彌補(bǔ)養(yǎng)殖基地停電后到人工啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電力的空缺期。

1.6 控制系統(tǒng)

由于不同魚類的養(yǎng)殖對(duì)投喂和集污排污的參數(shù)及流程要求不同，為了方便非自動(dòng)化專業(yè)的養(yǎng)殖人員使用和調(diào)整參數(shù)及程序，降低設(shè)備學(xué)習(xí)成本，采用了新型的可視化編程PLC QJ-16R-2AI2AO-485，該產(chǎn)品為工業(yè)級(jí)PLC，可靠、耐用，且功能強(qiáng)大，足夠試驗(yàn)養(yǎng)殖使用。其特有的顯示屏及按鍵的編程方式，方便養(yǎng)殖人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)及程序的調(diào)整。系統(tǒng)中料深傳感器和非接觸式液位傳感器XKC-Y28-24V采集的信息以及水流系統(tǒng)和集污排污系統(tǒng)的運(yùn)行情況都傳送到可視化編程PLC QJ-16R-2AI2AO-485來進(jìn)行處理，并根據(jù)設(shè)定的程序?qū)Τ隽蠝p速電機(jī)、撒料減速電機(jī)、出料口電磁閥、電動(dòng)閥進(jìn)行控制，來完成投喂流程，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)組成圖 Fig.6 Control system composition diagram

控制系統(tǒng)的程序思路為仿照人工投喂流程所設(shè)置，養(yǎng)殖人員人工投喂與本試驗(yàn)系統(tǒng)工作流程及其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 人工投喂流程與自動(dòng)投喂流程對(duì)比圖Fig.7 Comparison of manual feeding process and automatic feeding process

控制系統(tǒng)的具體工作程序如下，在投喂動(dòng)作發(fā)生前，控制系統(tǒng)周期性的開啟水流系統(tǒng)及排污系統(tǒng)，將魚類糞便排除養(yǎng)殖槽。在投喂動(dòng)作發(fā)生前30 min時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水流系統(tǒng)及排污系統(tǒng)，待30 min后水流處于平靜狀態(tài)，且到達(dá)預(yù)設(shè)的投喂時(shí)間，控制系統(tǒng)首先接收料深傳感器傳遞的信號(hào)，若料盒內(nèi)飼料處于警戒線以下則接通警報(bào)燈提示缺料，若料盒內(nèi)飼料處于警戒線以上則運(yùn)行投料程序。首先控制出料口電磁閥打開，繼而送料減速電機(jī)啟動(dòng)開始出料，出料同時(shí)，撒料電機(jī)啟動(dòng)，開始撒料，送料減速電機(jī)工作到預(yù)先設(shè)定的工作時(shí)間后，送料減速電機(jī)停止工作，出料口電磁閥關(guān)閉2 s后再次打開，停留1 s后關(guān)閉，出料口的這一重復(fù)動(dòng)作是為了將出料口的飼料打落，保證出料口的密封性。出料口電磁閥最后動(dòng)作完成后，撒料電機(jī)延時(shí)2 s后停止。在投喂30 min后，系統(tǒng)將先開啟水流電動(dòng)閥進(jìn)行集污造流，50 s后排污系統(tǒng)開啟配合造流集污，120 s后關(guān)閉水流電動(dòng)閥，結(jié)束集污，主動(dòng)排污電動(dòng)閥保持開啟將殘余飼料及魚類糞便排除養(yǎng)殖槽，45 s后排污電動(dòng)閥關(guān)閉，至此整個(gè)喂食及排污流程動(dòng)作完畢，之后系統(tǒng)在待機(jī)等待下個(gè)投喂時(shí)刻之前會(huì)周期性地運(yùn)行集污與排污程序，直至投喂時(shí)刻到來前30 min。

2 樣機(jī)性能測(cè)試

2.1 測(cè)試方法及結(jié)果分析

2020年10月參考投飼機(jī)水產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法[27]對(duì)集成自動(dòng)投飼與排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)樣機(jī)在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所荊州太湖試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了性能測(cè)試及鱘魚試養(yǎng)試驗(yàn)，主要測(cè)試樣機(jī)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及實(shí)際鱘魚養(yǎng)殖的要求。

2.2 樣機(jī)出料偏差測(cè)試

樣機(jī)采用送料減速電機(jī)帶動(dòng)蝸桿送料的方式出料，故出料偏差主要來自控制器對(duì)送料減速電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的控制精度及蝸桿螺距的大小。樣機(jī)采用鱘魚3號(hào)料作為試驗(yàn)飼料，經(jīng)多次嘗試，最終確定采用螺距為1.5 cm的送料螺桿。投飼偏差測(cè)試是在自動(dòng)模式下運(yùn)行的，具體方法如下，首先在控制器上分別調(diào)整出料減速電機(jī)工作時(shí)間為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5和5 s，依次稱重不同出料減速電機(jī)工作時(shí)間下的出料質(zhì)量，并重復(fù)測(cè)試10次，分別測(cè)得10組共100個(gè)數(shù)據(jù)，每組分別取算數(shù)平均值。由測(cè)試結(jié)果可得送料電機(jī)工作時(shí)間與出料質(zhì)量的關(guān)系，得到投喂曲線后，在原試驗(yàn)裝置上繼續(xù)調(diào)整送料減速電機(jī)工作時(shí)間為6、7、8、9、10 s依次稱重不同出料減速電機(jī)工作時(shí)間下的出料質(zhì)量，并重復(fù)測(cè)試10次，分別測(cè)得10組共50個(gè)數(shù)據(jù)并取算數(shù)平均值，將該值與由投喂曲線計(jì)算所得的理論出料質(zhì)量做比較，結(jié)果偏差小于0.5 g，如表1所示。

表1 樣機(jī)投飼量精度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of feeding precision of prototype

2.3 樣機(jī)出料分撒均勻度

投飼均勻度測(cè)試采用圖像直觀對(duì)比的方法：試驗(yàn)組在平整地面鋪設(shè)5 cm厚的棉絮，以防止飼料下落后的二次彈起，在距棉絮上部0.5 m高處架設(shè)自動(dòng)投飼機(jī)，在飼料落點(diǎn)中心斜45°、2.5 m處架設(shè)數(shù)碼相機(jī)，拍照記錄，試驗(yàn)中設(shè)定出料電機(jī)工作時(shí)間為5 s，平均出料質(zhì)量為26.81 g。對(duì)照組為市售小型自由落體式投飼機(jī)，2位志愿者手撒飼料的情況，其中小型自由落體式投飼機(jī)以及志愿者手撒飼料的高度均為0.5 m，出料和手撒料的平均質(zhì)量為26 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，對(duì)比可得本試驗(yàn)制作的投飼機(jī)撒料分布均勻度優(yōu)于傳統(tǒng)自由落體式投飼機(jī)及人工投飼。

圖8 人工投喂流程與自動(dòng)投飼流程對(duì)比圖Fig.8 Comparison of manual feeding process and automatic feeding process

2.4 樣機(jī)料盒密封性測(cè)試

水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備的工作地點(diǎn)通常濕氣較大，投飼機(jī)長期儲(chǔ)存的飼料容易受潮甚至發(fā)霉[28-29]，故儲(chǔ)料盒應(yīng)具有良好的防潮能力，故對(duì)樣機(jī)的投飼部分進(jìn)行了密封性測(cè)試，測(cè)試方法為：取剛開封的60.00 g鱘魚3號(hào)飼料均分為3組每組20.00 g，試驗(yàn)組20.00 g放置在敞口潔凈燒杯內(nèi)并直立固定于試驗(yàn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)料盒內(nèi)，對(duì)照1組20.00 g放置于自封袋中再整體放入廣口瓶中并蓋好蓋子用密封膠帶包裹密封，對(duì)照2組20.00 g放置于敞口潔凈燒杯內(nèi)，對(duì)照組統(tǒng)一放置于試驗(yàn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)工作平臺(tái)上，靜置72 h，試驗(yàn)期間養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。72 h后分別稱量3組飼料質(zhì)量，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表2所示，對(duì)比可得試驗(yàn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)料盒在正常工作時(shí)仍能保證良好的密封性。

表2 樣機(jī)密封性測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of tightness of prototype

2.5 樣機(jī)鱘魚試養(yǎng)測(cè)試

2020年 12 月，在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所荊州太湖試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，歷時(shí)28 d。選用 2018年長江鱘子三代幼魚，試驗(yàn)組與對(duì)照組均使用玻璃鋼魚盆為容器，魚盆直徑 2 m，水深 0.35 m，試驗(yàn)用水為地下水，經(jīng)曝氣和砂濾，水溫7～10 ℃，溶氧9.3～10.5 mg /L，pH 7.5 ～ 8.0。試驗(yàn)用飼料為健馬牌3號(hào)鱘魚專用配合飼料。

試驗(yàn)設(shè)置養(yǎng)殖系統(tǒng)組和流水養(yǎng)殖組，兩組初始放養(yǎng)量均為 13尾，初始養(yǎng)殖密度為9.8 kg/m3，試驗(yàn)于 2020 年 12 月 1 日開始，暫養(yǎng) 3 d，不投喂飼料， 之后正常投飼和測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，試驗(yàn)歷時(shí) 28 d。 試驗(yàn)期間，每天4：00、8:00、12：00、16:00、20：00、24：00投喂配合飼料，每天總投喂量為試驗(yàn)魚體質(zhì)量 1%。試驗(yàn)組采用系統(tǒng)自動(dòng)投飼與排污，對(duì)照組采用人工投飼和人工排污。試驗(yàn)期間，每天測(cè)水溫、溶氧(DO) 、pH ，每隔 10 d 測(cè)氨氮質(zhì)量濃度，每 15 d 測(cè)量一次體長、叉長、體質(zhì)量。試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)人工動(dòng)作用時(shí)及動(dòng)作間等待用時(shí)，并記錄排污耗水量，排污時(shí)間和累計(jì)排污質(zhì)量判斷集排污效果[17]。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)試養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of culture of prototype

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)樣機(jī)投飼精度、撒料均勻度及密封性測(cè)試結(jié)果

利用出料減速電機(jī)、蝸輪、送料蝸桿、出料口電磁閥、撒料減速電機(jī)，撒料盤制作的試驗(yàn)樣機(jī)投飼部分，采用螺旋推進(jìn)行式供料，經(jīng)測(cè)試計(jì)算得出，選用減速比為40、額定轉(zhuǎn)速為120 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為1.2 kg/cm、額定電壓為DC24V的減速電機(jī)，可滿足最大投飼能力≥18 kg/h的要求；撒料采用離心式撒料盤，該撒料盤采用環(huán)氧樹脂封灌技術(shù)一體成型，可靠耐用，并選用轉(zhuǎn)速為350 r/min的撒料減速電機(jī)，可達(dá)到理想的飼料分散效果；試驗(yàn)樣機(jī)出料口設(shè)置的電磁閥，可在投料后及時(shí)關(guān)閉，配合料盒上端帶有密封橡膠圈的頂蓋，可獲得良好的密封性，避免長期儲(chǔ)存的飼料吸潮變質(zhì)。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的投飼性能測(cè)試，結(jié)果顯示：以鱘魚3號(hào)飼料及螺距為1.5 cm的送料螺桿為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)樣機(jī)料盒儲(chǔ)料量為 1 kg，投飼能力為 0.3 kg/min，與相似體積的投飼機(jī)[30-32]相比，投飼精度更高，投飼量誤差在 ±0.5 g范圍內(nèi)；在撒料均勻度方面，通過與傳統(tǒng)自由落體投料方式的投飼機(jī)[33]和人工撒料做圖像對(duì)比可知，試驗(yàn)樣機(jī)的料均勻度優(yōu)于自由落體投飼和人工手撒；在料盒密封性方面，通過與完全密封裝置儲(chǔ)料與常規(guī)飼料保存方式下的飼料吸濕率對(duì)比可知，系統(tǒng)供料方式密封性良好。

3.2 試驗(yàn)樣機(jī)鱘魚試養(yǎng)測(cè)試結(jié)果

利用新型PLC、螺旋桿送料機(jī)構(gòu)、減速電機(jī)、撒料盤、液位傳感器、造流器、電動(dòng)閥、自動(dòng)雙通道排污裝置等，設(shè)計(jì)開發(fā)的集成自動(dòng)投飼與排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)，可自動(dòng)協(xié)調(diào)投飼與排污的配合，可有效減少人工參與，且節(jié)水明顯。其試驗(yàn)樣機(jī)的鱘魚試養(yǎng)測(cè)試顯示，與其他單一功能的自動(dòng)化投飼機(jī)相比[34],本試驗(yàn)系統(tǒng)樣機(jī)不僅可以完成自動(dòng)撒料，還可自動(dòng)完成投喂前后的水流調(diào)控及排污步驟，使用集成自動(dòng)投飼與排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖的2018年長江鱘子三代較傳統(tǒng)流水養(yǎng)殖的魚體平均增重提高了35.56%，飼料系數(shù)降低了26.28%，養(yǎng)殖初末體重變異系數(shù)下降了31.46%；且在人工用時(shí)存在明顯優(yōu)勢(shì)，集污排污效果在與大換水排污效果無明顯差異的情況下節(jié)水90%。測(cè)試中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.3 投飼機(jī)不足及誤差分析

由于樣機(jī)料盒采用市售小型通用咖啡機(jī)JC-A1的料盒，導(dǎo)致容量較小，后期可訂制容積較大的料盒或增加供料系統(tǒng)來提升應(yīng)用范圍。系統(tǒng)出料偏差主要來自控制器對(duì)送料減速電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的控制精度和蝸桿螺距的大小，后期的研究可以通過優(yōu)化螺桿形狀來進(jìn)一步降低投飼誤差[35]。

3.4 集成系統(tǒng)的改進(jìn)及應(yīng)用

試驗(yàn)中系統(tǒng)涉及的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)來源水質(zhì)，若增加養(yǎng)殖水的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，再結(jié)合水流調(diào)控及自動(dòng)排污系統(tǒng)可根據(jù)池水水質(zhì)智能化分配水流及排污時(shí)機(jī)。其次，本試驗(yàn)系統(tǒng)投飼精確度高，集排污效果好，制作成本低，可作為自動(dòng)化養(yǎng)殖模型，用于開展基于系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究來優(yōu)化系統(tǒng)的集排污性能[36-37]。

4 結(jié)論

針對(duì)魚類工廠化養(yǎng)殖中自動(dòng)投飼與自動(dòng)排污的配合及流程優(yōu)化，設(shè)計(jì)制作了集成自動(dòng)投飼與排污的魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行喂食前的水流調(diào)控及自動(dòng)投飼后的自動(dòng)排污步驟，日常養(yǎng)殖無需人工干預(yù)；排污效果與傳統(tǒng)大換水排污效果無明顯差異且節(jié)水90%，其中投飼機(jī)部分投飼能力0.3 kg/min，投飼量誤差在±0.5 g以內(nèi)，且撒料均勻度高，料盒密封性好，魚類試養(yǎng)效果好。但儲(chǔ)料盒容積較小，后期可通過重新設(shè)計(jì)增大儲(chǔ)料容量。系統(tǒng)整體可進(jìn)一步與水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與水質(zhì)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步優(yōu)化養(yǎng)殖流程和提高養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

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