一种集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统

栗鹏辉，危起伟，杜 浩，沈 丽，罗 江

(1 西南大学生命科学学院，重庆 400700；2 中国水产科学研究院长江水产研究所，农业农村部淡水生物多样性保护重点实验室，湖北 武汉 430223 )

投饲和排污都是鱼类养殖中的关键步骤[1]。研究表明，残饲和粪便是引起水质恶化的关键因素。在鱼类工厂化养殖中，由于养殖密度较高，伴随着投饲量的加大，水中残饲、有机废物经细菌分解所产生的氨氮质量浓度可能随之升高，从而引起鱼类的氨中毒甚至死亡现象[2-5]。因此投喂后及时将鱼类养殖中的残饲和粪便排出，是减轻养殖水体净化处理压力和保障养殖水质达标的关键措施[6]，通过建立和优化投喂与集排污的流程是提高水产品质和降低生产成本的有效途径[7]。目前国内绝大多数工厂化养殖场中的排水装置及排污装置均为一体，通过人工插拔竖管来完成排水排污,再通过养殖池闸门的开关来控制鱼池循环水的排放[8]。现有的自动化投饲机[9-11]，内部控制器程序二次开发难度较大，学习操作及维修改造成本高，且大多为独立工作，只负责投喂动作，因此无法与自动化排污设备配合来根据实际需要完成一个完整的投饲和集排污流程[12-14]。在实际操作中，频繁集排污会加剧饲料及水资源的浪费，集排污不足则容易导致氨氮的积累危害鱼体生长，因此需要人工操作来调节喂食和集污排污的配合[15]，并不适用于高度自动化的养殖场景，所以设计制造一套集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统非常有必要。

在保护长江鲟类的大背景下，根据农业农村部中华鲟增殖放流中心繁育车间的实际情况，针对鲟鱼养殖的投饲和集排污的要求，利用可视化编程PLC QJ-16R-2AI2AO-485、旋杆送料机构、减速电机、撒料盘、非接触式液位传感器、料深传感器、造流器、电动阀、自动双通道排污装置，开发出一套集成自动投饲的与集排污的鱼类养殖系统。对系统进行了设备性能测试及鱼类的养殖试验，以期为同类系统的设计提供参考。

1 系统结构

1.1 系统组成及工作原理

集成自动投饲与集排污的鱼类养殖系统主要由出料装置、撒料装置、电力系统、控制系统和与之匹配的水流集污系统和排污系统等组成，如图1所示。该系统通过PLC接收各类传感器的信号来控制执行端元器件完成投饲动作及水流集污系统与排污系统的配合，为养殖鱼类提供更好的进食和生长条件。经过全新的机械设计及电气元件选型，本系统具有投喂偏差小、撒料均匀、集排污效果好特点，可减少饲料浪费和由于投饲不均匀导致的鱼群体间竞争强度大，鱼群不同等生长及污染物积累导致水质恶化的问题[16-17]。其运行原理为系统控制以时间线为基准，根据液位传感器、料深传感器、水质传感器及水流集污系统和排污系统传递的信息来调控水流、排污及投喂的顺序，来完成整个投喂流程，以蜗轮蜗杆为出料机构配合出料口电磁阀及撒料盘以保证较好的密闭性及较低的投喂偏差和较高的投喂均匀度。

图1 鲟鱼养殖自动投饲系统结构简图 Fig.1 Structure diagram of the automatic feeding system for culture of sturgeon

1.2 出料及撒料装置

出料系统主体采用螺旋推进式[9-10]，增加了从动的蜗轮，出料口电磁阀及模块化的动力装置。主体装置主要由出料减速电机、蜗轮、送料蜗杆、出料口电磁阀组成，如图2所示。出料装置受小型咖啡机的启发，采用市售小型通用咖啡机JC-A1的料盒自带的蜗轮蜗杆传动机构[18]，由出料减速电机带动蜗杆，转动的螺旋沟槽带动饲料前进，从动的蜗轮起到搅拌饲料的作用，可避免盒中饲料出现空洞。由于蜗轮转动导致饲料在盒中前部堆积，过度的堆积会挤开料盒的顶盖，因此，在料盒内部偏上位置，加装斜向下的挡板避免料盒盖被顶开。咖啡机料盒作为饲料机的出料机构，通过测试，非常适合搭配3号饲料作为出料装置。

图2 鲟鱼试验养殖自动投饲系统投料部分结构简图 Fig.2 Structure diagram of the feeding part of the automatic feeding system for experimental culture of sturgeon

经过测试，JC-A1料盒蜗轮蜗杆的传动机构搭配鲟鱼3号饲料，蜗杆旋转一圈平均出料为2.42 g，满足最大投饲能力≥18 kg/h的要求，则送料减速电机的转速应不低于120 r/min，通过蜗杆负载扭力测试，转动蜗杆所需最小力矩为0.9 kg/cm，考虑到结构老化带来的摩擦力增大及设备用电的一致性，最终选用减速比为40、额定转速为120 r/min、额定转矩为1.2 kg/cm、额定电压为DC24V的减速电机，该电机集成齿轮箱和直流电机为一体，方便整体更换。如图1所示，出料口采用电磁阀通电抽拉的原理，在电磁阀中部阀芯加装圆形挡板，通过挡板前后运动来控制出料口的开启和关闭，可有效避免养殖环境中潮湿空气对饲料的影响。撒料装置主体为锥形盘离心抛撒式， 采用模块化设计。装置位于出料口的正下方，主要的功能是承接出料口落下的饲料并将其播撒入下方的养殖槽中，主要由撒料盘及撒料减速电机组成。撒料盘总体为铝制、圆形，由铜质联轴器、铝板、铝制镂空拨片3部分组成，制作方法为将圆形铝板分为3个120°的扇形区域，每个区域沿弯折线向下弯折30°，扇形连接处设置有拨片，撒料盘底部的联轴器以及上部的拨片采用环氧树脂与圆形铝盘封灌为一体[19]，整个撒料盘防水、防锈、耐用、质量小，成本低，且无毒无害[20]，其基本构造如图3所示。

图3 撒料机构简图 Fig.3 Schematic diagram of spreading mechanism

测试以鲟鱼饲料三号料为例，每颗饲料平均粒质量为0.05 g，且与撒料盘为瞬间接触，故对撒料盘的阻挡效应可忽略不计，则当撒料盘的直径r，与离水面高度H一定时，饲料的最大泼撒半径R与撒料电机的转速有关，即：

(1)

式中:R为饲料的最大泼撒半径,m；r为撒料盘的直径,m；H为撒料盘距水面的距离，m；g为重力加速度，m/s2；n为撒料电机转速，r/min。

根据养殖槽的实际情况设定撒料盘直径为0.06 m，离水面高度为0.5 m，最大泼撒半径R满足0.5≤R≤0.8 m取重力加速度为9.8 m/s2，圆周率π取3.14，则计算可得所需撒料电机的转速为339≤n≤447 m/s，经过实际测试，选用转速为350 r/min的减速电机可达到理想的饲料分撒效果。

1.3 自动水流集污排污系统

目前国内去除固体颗粒的方法主要有虹吸、自吸泵、大换水及双通道排污管等[21]，虹吸主要针对中、下层浊水；自吸泵不仅功耗大,而且由于缺少配套的吸污头,吸污效果较差；大换水是目前最普及的方法,即投饲后不久就拔掉养殖池外部排水的插拔管,将养殖池的水基本排掉,从而达到去除养殖池中固体颗粒的目的[22]。双通道排污管最先应用于北美的北极红点鲑、虹鳟鱼、赛蒙鲑鱼的循环水养殖系统，其特点是可用较小的水流快速分离出固体颗粒物[23-26]。试验中的自动水流集污排污系统是应用双通道排污管的原理根据实际情况的全新设计，系统主要由基础供水管道、电动阀、前置过滤器、水质监测系统、造流器、吸污装置等组成，主要原理为PLC控制主电动阀开启，水流经前置过滤器初步过滤后，进入水质监测系统流通管中，经检测水质若达到设定的标准，则PLC控制造流器电动阀开启，水流经造流器加速后沿圆形养殖槽内壁切线夹角40°方向流动，同时PLC控制排污电动阀开启吸污装置开始从养殖槽底部排水，此时养殖槽内形成向内向下的水流，带动残饲及鱼粪向吸污装置处集中，然后通过排污管排出养殖槽。

集污排污系统主要的结构件为造流器和排污装置。造流器根据鲟类喜贴壁游泳的习惯，主体设计为贴壁弧形，如图4所示，沿池壁间隔60°分布，共6根，每根内置2根进水管，制造时用环氧树脂将弧形外壳与内部进水管整体封灌后，再整体打孔处理。造流器配合三通电磁阀，可营造出顺时针或逆时针的水流用于集污，也可通过PLC调节电动阀的开度及开启时间，控制流速及营造变化的水流。排污装置采用标准塑料管件结合环氧树脂封灌技术制作而成，主体结构如图4所示。优点在于成本低，排污效果好且对于原插拔管排污养殖槽无须改动便可安装。具体制作方法如下：排污底盘采用200 mm×110 mm PVC偏心节为基础，利用石蜡作为模具做出空腔部分，并将排水管弯头连接到石蜡模具上再整体用环氧树脂封灌，待树脂凝固后，在偏心节外周打出一圈吸污口，再整体放入沸水中将石蜡溶解，就可得到空腔结构的排污底盘，如图5所示。与底盘配套的插管在上端开溢流孔的基础上在中下部设计了内部的返水管，用于排出中下层浊水。排污装置的排污管口设置有电动阀，由PLC控制其开关，可配合水流完成集污并将污染物排出。

图4 造流器结构简图及实物图Fig.4 Structure diagram and physical object of flow generator

图5 吸污装置制作流程图 Fig.5 Flow chart of the production of dirt suction device

1.4 检测系统及警报系统

投饲装置料盒底部设有料深传感器，该传感器由非接触式液位传感器XKC-Y28-24V改造而来，可检测料盒中饲料是否充足，在养殖槽外部设有非接触式液位传感器XKC-Y28-24V可判断养殖槽中水位是否为标准投喂水位，若存在水位过低、过高或料盒饲料低于警戒线的情况，缺料警报灯会通过闪烁来提示，并且投喂系统将暂停工作。集污排污系统不仅与投喂系统相配合，同时也接收水质在线监测的信息，若供水端水质指标超过限度，如浊度过高，集污排污系统会暂停工作，并发出警报，直到水质指标正常才会关闭警报，并继续工作。

1.5 电力系统

电力系统主要由8芯电线、集线器、S-360=24(FAN)电源开关及动力设备应急电源EPS-6D AC220V600W组成，试验系统包含的用电硬件设备包括：出料减速电机、撒料减速电机、非接触式液位传感器XKC-Y28-24V、料深传感器、出料口电磁阀、电动阀、可视化编程PLC QJ-16R-2AI2AO-485，均由S-360=24(FAN)电源开关将220 V市电转化为DC24V通过8芯电线供电，若发生停电情况，设备将自行切换到动力设备应急电源EPS-6D AC220V600W进行供电，以弥补养殖基地停电后到人工启动发电机电力的空缺期。

1.6 控制系统

由于不同鱼类的养殖对投喂和集污排污的参数及流程要求不同，为了方便非自动化专业的养殖人员使用和调整参数及程序，降低设备学习成本，采用了新型的可视化编程PLC QJ-16R-2AI2AO-485，该产品为工业级PLC，可靠、耐用，且功能强大，足够试验养殖使用。其特有的显示屏及按键的编程方式，方便养殖人员对系统进行参数及程序的调整。系统中料深传感器和非接触式液位传感器XKC-Y28-24V采集的信息以及水流系统和集污排污系统的运行情况都传送到可视化编程PLC QJ-16R-2AI2AO-485来进行处理，并根据设定的程序对出料减速电机、撒料减速电机、出料口电磁阀、电动阀进行控制，来完成投喂流程，如图6所示。

图6 控制系统组成图 Fig.6 Control system composition diagram

控制系统的程序思路为仿照人工投喂流程所设置，养殖人员人工投喂与本试验系统工作流程及其对应关系如图7所示。

图7 人工投喂流程与自动投喂流程对比图Fig.7 Comparison of manual feeding process and automatic feeding process

控制系统的具体工作程序如下，在投喂动作发生前，控制系统周期性的开启水流系统及排污系统，将鱼类粪便排除养殖槽。在投喂动作发生前30 min时控制系统自动关闭水流系统及排污系统，待30 min后水流处于平静状态，且到达预设的投喂时间，控制系统首先接收料深传感器传递的信号，若料盒内饲料处于警戒线以下则接通警报灯提示缺料，若料盒内饲料处于警戒线以上则运行投料程序。首先控制出料口电磁阀打开，继而送料减速电机启动开始出料，出料同时，撒料电机启动，开始撒料，送料减速电机工作到预先设定的工作时间后，送料减速电机停止工作，出料口电磁阀关闭2 s后再次打开，停留1 s后关闭，出料口的这一重复动作是为了将出料口的饲料打落，保证出料口的密封性。出料口电磁阀最后动作完成后，撒料电机延时2 s后停止。在投喂30 min后，系统将先开启水流电动阀进行集污造流，50 s后排污系统开启配合造流集污，120 s后关闭水流电动阀，结束集污，主动排污电动阀保持开启将残余饲料及鱼类粪便排除养殖槽，45 s后排污电动阀关闭，至此整个喂食及排污流程动作完毕，之后系统在待机等待下个投喂时刻之前会周期性地运行集污与排污程序，直至投喂时刻到来前30 min。

2 样机性能测试

2.1 测试方法及结果分析

2020年10月参考投饲机水产行业标准的试验方法[27]对集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统样机在中国水产科学研究院长江水产研究所荆州太湖试验场进行了性能测试及鲟鱼试养试验，主要测试样机是否达到预期设计的技术指标及实际鲟鱼养殖的要求。

2.2 样机出料偏差测试

样机采用送料减速电机带动蜗杆送料的方式出料，故出料偏差主要来自控制器对送料减速电机启动时间的控制精度及蜗杆螺距的大小。样机采用鲟鱼3号料作为试验饲料，经多次尝试，最终确定采用螺距为1.5 cm的送料螺杆。投饲偏差测试是在自动模式下运行的，具体方法如下，首先在控制器上分别调整出料减速电机工作时间为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5和5 s，依次称重不同出料减速电机工作时间下的出料质量，并重复测试10次，分别测得10组共100个数据，每组分别取算数平均值。由测试结果可得送料电机工作时间与出料质量的关系，得到投喂曲线后，在原试验装置上继续调整送料减速电机工作时间为6、7、8、9、10 s依次称重不同出料减速电机工作时间下的出料质量，并重复测试10次，分别测得10组共50个数据并取算数平均值，将该值与由投喂曲线计算所得的理论出料质量做比较，结果偏差小于0.5 g，如表1所示。

表1 样机投饲量精度测试试验结果Tab.1 Test results of feeding precision of prototype

2.3 样机出料分撒均匀度

投饲均匀度测试采用图像直观对比的方法：试验组在平整地面铺设5 cm厚的棉絮，以防止饲料下落后的二次弹起，在距棉絮上部0.5 m高处架设自动投饲机，在饲料落点中心斜45°、2.5 m处架设数码相机，拍照记录，试验中设定出料电机工作时间为5 s，平均出料质量为26.81 g。对照组为市售小型自由落体式投饲机，2位志愿者手撒饲料的情况，其中小型自由落体式投饲机以及志愿者手撒饲料的高度均为0.5 m，出料和手撒料的平均质量为26 g。试验结果如图8所示，对比可得本试验制作的投饲机撒料分布均匀度优于传统自由落体式投饲机及人工投饲。

图8 人工投喂流程与自动投饲流程对比图Fig.8 Comparison of manual feeding process and automatic feeding process

2.4 样机料盒密封性测试

水产养殖设备的工作地点通常湿气较大，投饲机长期储存的饲料容易受潮甚至发霉[28-29]，故储料盒应具有良好的防潮能力，故对样机的投饲部分进行了密封性测试，测试方法为：取刚开封的60.00 g鲟鱼3号饲料均分为3组每组20.00 g，试验组20.00 g放置在敞口洁净烧杯内并直立固定于试验养殖自动投饲系统料盒内，对照1组20.00 g放置于自封袋中再整体放入广口瓶中并盖好盖子用密封胶带包裹密封，对照2组20.00 g放置于敞口洁净烧杯内，对照组统一放置于试验养殖自动投饲系统工作平台上，静置72 h，试验期间养殖自动投饲系统处于正常工作状态。72 h后分别称量3组饲料质量，试验重复3次，结果如表2所示，对比可得试验养殖自动投饲系统料盒在正常工作时仍能保证良好的密封性。

表2 样机密封性测试试验结果Tab.2 Test results of tightness of prototype

2.5 样机鲟鱼试养测试

2020年 12 月，在中国水产科学研究院长江水产研究所荆州太湖试验场内进行试验，历时28 d。选用 2018年长江鲟子三代幼鱼，试验组与对照组均使用玻璃钢鱼盆为容器，鱼盆直径 2 m，水深 0.35 m，试验用水为地下水，经曝气和砂滤，水温7～10 ℃，溶氧9.3～10.5 mg /L，pH 7.5 ～ 8.0。试验用饲料为健马牌3号鲟鱼专用配合饲料。

试验设置养殖系统组和流水养殖组，两组初始放养量均为 13尾，初始养殖密度为9.8 kg/m3，试验于 2020 年 12 月 1 日开始，暂养 3 d，不投喂饲料， 之后正常投饲和测定各项指标，试验历时 28 d。 试验期间，每天4：00、8:00、12：00、16:00、20：00、24：00投喂配合饲料，每天总投喂量为试验鱼体质量 1%。试验组采用系统自动投饲与排污，对照组采用人工投饲和人工排污。试验期间，每天测水温、溶氧(DO) 、pH ，每隔 10 d 测氨氮质量浓度，每 15 d 测量一次体长、叉长、体质量。试验中统计人工动作用时及动作间等待用时，并记录排污耗水量，排污时间和累计排污质量判断集排污效果[17]。试验结果如表3所示。

表3 样机试养试验结果Tab.3 Test results of culture of prototype

3 结果与分析

3.1 试验样机投饲精度、撒料均匀度及密封性测试结果

利用出料减速电机、蜗轮、送料蜗杆、出料口电磁阀、撒料减速电机，撒料盘制作的试验样机投饲部分，采用螺旋推进行式供料，经测试计算得出，选用减速比为40、额定转速为120 r/min、额定转矩为1.2 kg/cm、额定电压为DC24V的减速电机，可满足最大投饲能力≥18 kg/h的要求；撒料采用离心式撒料盘，该撒料盘采用环氧树脂封灌技术一体成型，可靠耐用，并选用转速为350 r/min的撒料减速电机，可达到理想的饲料分散效果；试验样机出料口设置的电磁阀，可在投料后及时关闭，配合料盒上端带有密封橡胶圈的顶盖，可获得良好的密封性，避免长期储存的饲料吸潮变质。对样机进行的投饲性能测试，结果显示：以鲟鱼3号饲料及螺距为1.5 cm的送料螺杆为测试标准，试验样机料盒储料量为 1 kg，投饲能力为 0.3 kg/min，与相似体积的投饲机[30-32]相比，投饲精度更高，投饲量误差在 ±0.5 g范围内；在撒料均匀度方面，通过与传统自由落体投料方式的投饲机[33]和人工撒料做图像对比可知，试验样机的料均匀度优于自由落体投饲和人工手撒；在料盒密封性方面，通过与完全密封装置储料与常规饲料保存方式下的饲料吸湿率对比可知，系统供料方式密封性良好。

3.2 试验样机鲟鱼试养测试结果

利用新型PLC、螺旋杆送料机构、减速电机、撒料盘、液位传感器、造流器、电动阀、自动双通道排污装置等，设计开发的集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统，可自动协调投饲与排污的配合，可有效减少人工参与，且节水明显。其试验样机的鲟鱼试养测试显示，与其他单一功能的自动化投饲机相比[34],本试验系统样机不仅可以完成自动撒料，还可自动完成投喂前后的水流调控及排污步骤，使用集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统养殖的2018年长江鲟子三代较传统流水养殖的鱼体平均增重提高了35.56%，饲料系数降低了26.28%，养殖初末体重变异系数下降了31.46%；且在人工用时存在明显优势，集污排污效果在与大换水排污效果无明显差异的情况下节水90%。测试中系统运行稳定。

3.3 投饲机不足及误差分析

由于样机料盒采用市售小型通用咖啡机JC-A1的料盒，导致容量较小，后期可订制容积较大的料盒或增加供料系统来提升应用范围。系统出料偏差主要来自控制器对送料减速电机启动时间的控制精度和蜗杆螺距的大小，后期的研究可以通过优化螺杆形状来进一步降低投饲误差[35]。

3.4 集成系统的改进及应用

试验中系统涉及的水质在线监测系统主要监测来源水质，若增加养殖水的水质在线监测系统，再结合水流调控及自动排污系统可根据池水水质智能化分配水流及排污时机。其次，本试验系统投饲精确度高，集排污效果好，制作成本低，可作为自动化养殖模型，用于开展基于系统的模型试验研究来优化系统的集排污性能[36-37]。

4 结论

针对鱼类工厂化养殖中自动投饲与自动排污的配合及流程优化，设计制作了集成自动投饲与排污的鱼类养殖系统，该系统可自动进行喂食前的水流调控及自动投饲后的自动排污步骤，日常养殖无需人工干预；排污效果与传统大换水排污效果无明显差异且节水90%，其中投饲机部分投饲能力0.3 kg/min，投饲量误差在±0.5 g以内，且撒料均匀度高，料盒密封性好，鱼类试养效果好。但储料盒容积较小，后期可通过重新设计增大储料容量。系统整体可进一步与水质在线监测系统与水质反馈调节系统联动，进一步优化养殖流程和提高养殖系统的自动化水平。

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