室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计

文章编号 0517-6611（2016）11-260-04

我国是水产品养殖大国和出口大国[1]，但水产品养殖的投饲环节，基本依靠人工。在水产品室内工厂化养殖模式中，依靠人工投饲存在劳动强度大，且不均匀、不准确、不准时，投饲量控制难等问题，容易使饲料残留过多，导致养殖水域环境恶化[2-5]。

国外水产品养殖普遍使用自动装备，饵料的运输、储存、输送和投放环节，都有精确的数量控制[6]。但进口设备费用高，而且不适合国内的养殖环境，所以，研究开发适合我国国情的水产养殖自动投饲系统，已成当务之急[7-8]。

针对现有的室内水产养殖技术，笔者设计了一种自动投饲系统，希望能替代效率低、成本高的人工投饲，并与其他环节的生产活动相结合，以提高室内水产养殖的生产率。同时，借助于Pro/E软件，对自动投饲机进行了三维实体建模。

1 系统的工作原理及技术要求

1.1 系统的工作原理

室内工厂化水产养殖自动投饲系统，主要由行走装置、投饲装置、上料装置和控制系统等组成，如图1所示。它的工作原理是：在鱼池上方架设跑道形封闭轨道，轨道上对应的每个鱼池都装有一个起始点限位开关和一个终止点限位开关，当自动投饲机沿轨道行走，触发了需要进行投饲鱼池上方的起始点限位开关时，根据自动控制系统发出的指令，进行相应的投饲工作，当自动投饲机触发了终止点限位开关时，则结束该鱼池的投饲任务，自动投饲机根据设定的程序沿轨道行走至下一个需要投饲的鱼池上方。系统通过调节定量装置电机的转速来控制投饲量，从而实现对该鱼池的定量精确投饲。

2 关键部件结构设计

2.1 行走装置 行走装置主要由轨道、行走滑车和限位开关组成。在鱼池上方架设跑道形封闭轨道，如图2所示，根据自动投饲机重量以及行走装置安装空间的要求，轨道由型号为直径1 100 mm的方形钢管加工而成[10]，总长约为24.57 m，自重644.7 kg，使用支架将轨道架设于鱼池上方1.6 m处。考虑到安装及运输的方便，将整个轨道分解成6根长度为2 m的直段和4根半径为2 m的四分之一圆形弯段，使用拼接夹板将各段对接成一套完整的跑道形封闭轨道。

在方形钢的侧面对应6个鱼池，安装了6组共12个限位开关，分别为6个起始点限位开关和6个终止点限位开关，如图2所示。限位开关选用型号为V-156-1C25，当投饲机触发了需要投饲鱼池上方的起始点限位开关时，其定量装置和抛撒装置的电机会启动，然后按照程序的要求进行抛撒工作。当投饲机触发了该鱼池上方的终止点限位开关时，其行走装置的驱动电机、定量装置和抛撒装置的电机都会停止。待定量装置和抛撒装置的电机完全停止后，行走装置的驱动电机重新启动，投饲机继续行走，前往下个鱼池。

2.2 料斗

如图4（a）所示，料斗由4个型号为CFBLSM的S型拉压力传感器吊装在行走装置的下方，料斗内部空间由倒三角立方体与立方体组成，总容积为40 L，可容纳3#饲料15 kg（容积密度约为376 kg/m3）。

2.3 定量控制装置

定量控制装置主要由定量转盘、步进电机以及定量室组成，如图4（b）所示。定量控制装置工作时，向步进电机发送控制信号，促使定量转盘转动，入料口正下方定量槽中的饲料随定量转盘的转动落入定量室内，并从出料口进入抛撒机构，空的定量槽转至入料口下方时，料斗中的饲料通过重力作用又会落入定量槽中。此过程反复进行，即可得到连续且精准的定量落料过程。

定量控制装置停止工作后，通过给步进电机发送合适的脉冲信号，可控制定量槽正对入料口停止，此时料斗内的饲料积满定量槽和入料口，保证料斗内饲料静止不动，也不会从定量槽和入料口之间的缝隙漏出。

2.4 抛撒装置

抛撒装置主要由抛料室、抛料导管和步进电机组成，如图5所示。当自动投饲机开始进行抛撒工作时，控制系统会发出信号控制步进电机工作。步进电机轴带动抛料室在一定的旋转角内进行往复运动，饲料从入料口落入抛料室，由于重力作用滑入抛料导管，并随着抛料导管的运动抛撒出去。通过控制步进电机来精确控制抛料室旋转角度，控制抛料导管摆动角度，进而控制饲料抛撒轨迹，以使饲料抛撒较为均匀。

2.5 上料装置

上料装置包括料仓、上料转盘、鼓风机、导料管、出料口和红外测距传感器，如图6所示。当自动投饲机进行投饲工作时，若投饲机料斗内饲料预存量低于预警值时，投饲机会自动停至初始上料点，即出料口的下方。控制系统控制上料装置开始工作，上料转盘的控制电机与鼓风机同时运作，料仓内的饲料随着上料转盘的转动落入导料管中，鼓风机产生高气压推动饲料移动至导料管上端，并从出料口落入投饲机的料斗中。当投饲机上的拉压力传感器感应到料斗中的饲料量达到预设值时，上料转盘控制电机与鼓风机停止运行，投饲机继续执行投饲任务。

在出料口附近装有一个红外测距传感器，型号为GP2Y0A60SZ0F，有效测量范围为10～150 cm。通过红外测距传感器来测量自动投饲机与出料口的距离，从而确定投饲机是否位于初始点，若未处于初始点，则行走系统的驱动电机启动，行走至初始点后停止。

2.6 自动控制系统

控制系统由控制器（PLC）、上位机、传感器、限位开关和电机这5部分组成，如图7所示。限位开关与上位机相连，拉压力传感器将采集到的信号传输给自动投饲机上的PLC，自动投饲机的PLC再通过无线通讯的方式将信号传输到上位机，上位机向数据库调用数据，经过处理后将信号再传输给自动投饲机PLC，再由自动投饲机PLC来控制电机的运行和启停。当自动投饲机需要补充饲料时，由上位机通过无线通讯的方式向上料装置PLC发出控制信号，再由上料装置PLC控制上料转盘控制电机和鼓风机的运行和启停来完成上料工作，如此周而复始，形成了一个闭环控制的自动控制系统。

图8为自动投饲系统工作流程图。其工作流程是：首先按下启动开关，系统进行自检，无故障状态下，红外测距传感器开始工作，判断自动投饲机是否位于初始点，若未处于初始点，则行走系统的驱动电机启动，行走至初始点后停止。然后上料装置的定量转盘控制电机和鼓风机同时启动，当拉压力传感器发出上限信号后，上料电机就会停止工作。到了设定的投饲时间后，行走系统驱动电机启动。当自动投饲机触发待投饲鱼池上方的起始点限位开关时，其定量装置和抛撒装置的电机会启动，进行抛撒工作，系统通过调节定量装置电机的转速来控制投饲量，当自动投饲机触发该鱼池上方的终止点限位开关时，其行走装置的驱动电机及定量装置和抛撒装置的电机都会停止。待定量装置和抛撒装置的电机完全停止后，行走装置的驱动电机重新启动，自动投饲机继续行走，前往下个鱼池。若拉压力传感器发出下限信号，则自动投饲机直接行走至起始点，通过上料系统给料斗上料，然后进行剩余的投饲工作。当所有投饲点的投饲任务全部完成后，投饲机会自动回到初始点进行饲料补充，等待下一次的投饲时间。

3 自动投饲机的三维建模

根据投饲机各个部分的实际尺寸，利用Pro/E软件进行三维建模，并将上述的关键部件进行了虚拟样机整机装配，最终获得了整机的三维模型，如图9所示。

4 结论

该研究使用直径1 100 mm的方形钢管为轨道，以T型轨道轮、传动齿轮组和24 V直流电机驱动系统为行走装置，通过V-156-1C25限位开关实现系统定位，利用CFBLSM拉压力传感器判断投饲量，并以FX2N-64MT-001PLC和FX2N-32MT-001PLC作为控制器等集成开发的轨道式自动投饲系统在理论上是具有可实现性的。

设计计算分析可得：当选用直径1 100 mm的方形钢管制作轨道，以直径为0.04 m的T型锻钢轨道轮、减速比为11.34∶1的2级传动齿轮组和24 V直流电机组成行走装置，为保证行走速度在20 m/min以上，则电机功率需50 W，转速为2 000 r/min，输出扭矩要求在0.58 N·m以上。

利用Pro/E软件，对室内工厂化水产养殖自动投饲机的整机结构进行了三维实体建模。结果证明，该投饲机各部分组装合理，可以进行后续的样机制作，并有望应用于国内现有的室内水产养殖工厂，来替代效率低、成本高的人工投饲。

参考文献

[1] 王络斋.我国水产品出口企业必须重点关注的六大问题[J].中国渔业经济，2004（4）：4.

[2] 韩世成，曹广斌，陈中祥，等.水产养殖投饵控制系统的设计与研究[J].水产学杂志，2009，22（4）：46-48，55.

[3] 邓素芳，杨有泉，陈敏.全自动饵料精量投喂装置的研究[J].农机化研究，2010，32（11）：103-105.

[4] 葛一健.我国投饲机产品的发展与现状分析[J].渔业现代化，2010，37（4）：63-65.

[5] 焦仁育.投饵机下料机构的现状分析[J].河南水产，2011（1）：23-24.

[6] 庄保陆，郭根喜.水产养殖自动投饵装备研究进展与应用[J].南方水产，2008（4）：67-72.

[7] 袁凯，庄保陆，倪琦，等.室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计与试验[J].农业工程学报，2013，29（3）：169-176.

[8] 庄保陆，郭根喜，王良运.远程气力输送自动投饵系统分配器设计初步研究[J].海洋水产研究，2008（6）：133-141.

[9] 中华人民共和国农业部.投饲机：SC/T6023—2011[S].北京：中国农业出版社，2011.

[10] 国家标准总局.冷拔无缝异型钢管：GB3094—82[S].国家标准总局，1982.

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