摘要# H$ E" j2 }( K. E4 z0 r
' C4 S% I a. k6 k' v$ \$ a
水产养殖实验系统中，投饵装备受振动和潮湿环境等因素的影响，易发生称重不精确，饵料粘结等问题。设计的投饵系统克服了称重不精确、饵料易粘结等缺点，同时简化了结构，提高了效率。在宁波大学中试基地进行样机试验，在拟定的工况下，定量误差控制在4%以内，该系统能较好的应用于水产养殖实验系 统，同时也为水产养殖装备的研发提供一定参考。
4 u" T" g/ c8 P7 T" L
3 b* R3 L( J1 Y7 P- B
7 U% J4 k1 n/ {% d5 B: h J" H关键词
/ _0 Y; t8 }) K0 F9 r$ }: e8 k水产养殖; 投饵系统; 养殖设备
' A& Z# K4 ~; e- c/ y$ E# ]3 x6 m N0 O: |; l
近年来我国水产养殖业有了很大的发展，投饵方式和自动化程度有了很大程度的提升。在投饵方式上，主要有螺旋输送式、离心抛投式、振动下料式等[1-3]，在定量方式上，主要有称重定量式、转盘定量式、套筒定量式等[4-5]，在自动化程度上，主要由单片机配合不同的传感器，控制投料动作。国外有采用音响集鱼式投饵机，电脑控制的随温度和阳光变化自动调整投饵数量的投饵机等[6-7]。目前针对工厂化水产养殖自动投饵系统，袁凯等人已经做了相关研究[8]，但面向小批量水产养殖投饵试验时，受振动和潮湿环境的影响，当前投饵系统仍存在行走时称重不精确，称重时饵料易粘结等问题[9]。针对这一系列问题，本文提出了一种集自动行走，定量投饵于一体的投饵系统，该系统克服了常用行走式投饵装置行走时称重不精确，称重时饵料易粘结等缺点， 在保证性能的同时简化了结构，提高了效率。试验表明，该系统能较好的应用于水产养殖投饵试验，同时也为水产养殖装备的研发提供一定的参考。
6 y; e' @! n- {01# A! c0 V6 f/ c- q$ w
设计方案, F4 o, h1 I) ]: p& O
5 X) D" t6 L$ @4 I* i! U
# g4 i2 @) Z# {& [1.1 设计思路 , w: |0 B% f3 _) Y, T! P' s
不同于投饵位置固定的投饵模式，搭载行走机构的投饵系统，边行走边称重，导致称重不准确[10]。此外，由于工作 环境潮湿，易导致饵料粘结。为克服上述问题，提出以下设计思路: % h' q- P) K. k( G! d
(1) 选取合适的传动方式，以便行走机构在运行过程中，产生振动幅度更小。 . O8 M; q W; N' z+ U) z2 w
(2) 优化传动装置的基本结构，促使传动过程中产生的振动幅度尽可能降低。
" P0 h$ f* Z: G8 G: S. D0 B( x) m) H2 G* {+ p2 C3 V( d
1.2 基本结构及工作原理
8 X1 ^- ^, s6 D3 {( V投饵系统的总体结构示意图如图1所示，主要由行走机构、投饵装置、控制箱三部分组成[11-12]。
; z6 }. o9 s; W3 M' _* A
7 u0 S: h! d% m. a▲图 1 投饵系统结构示意图
2 H$ g5 _* O4 v3 K( z H; K4 O% y行走机构主要由支架、横向步进电机、横向轨道、同步带、纵向步进电机，纵向轨道、减速齿轮组、同步带压紧装置、同步导轨等组成。横向轨道设立在支架之上，左右各一条，在左侧横向轨道的一端安装有横向步进电机，横向步进电机的输出轴连接减速齿轮组，减速齿轮组输出轴连接同步导 轨，同步导轨的两端分别连接有一条横向同步带，同步带与压紧装置配合，并驱动压紧装置在导轨上滑动。纵向轨道的两端皆安装于横向同步带压紧装置之上，二者通过螺钉固定连接; 纵向轨道的一侧安装有纵向步进电机，纵向步进电机连接减速齿轮组，其输出轴带动纵向同步带，同步带与纵向压紧装置配合，并驱动纵向压紧装置在纵向轨道上滑动; 纵向压紧装置与投饵装置通过螺钉固定连接。其基本原理如下: ' d4 x2 [5 I$ s( P5 e: Q
当控制箱9驱动横向步进电机2工作 时，在同步导轨10的作用下，驱动同步带3( 左右各一条) 工作，在横向同步带压紧装置4的配合作用下，带动纵向导轨5沿横向导轨滑动，同时，控制箱9驱动纵向步进电机8工作，通过同步带带动纵向压紧装置6运动，压紧装置与投饵装置7一同沿纵向轨道5滑动。在控制箱的协同控制下，投饵装 置可在横向轨道和纵向轨道覆盖的矩形范围内移动并投饵。" {( X! I1 l4 H) g) v
1 x$ C* [) T) R6 ^9 q- @2 Q( f. m" `2 W. A {
025 h# p, M! o5 S; K1 _ ]3 L
硬件设计结构0 Z/ {" v5 q& u2 Z1 Z _
7 m: U: T: }6 T4 {( L5 B+ E& H
( R7 X$ F5 ?5 o8 p- V$ w, }2.1 设计思路 : E; T0 _# k3 {
行走机构主要功能是将投饵装置输送到到指定的位置。其设计的关键有两点: ① 最大程度减小振动，以便于提高投饵定量精度; ② 使用合适的材料，较好抵抗腐蚀。在选材方面，支架选用4080铝合金型材，导轨选用6063高强度铝合金型材，铝型材具有较高的强度，其表面经过氧化处理后，耐腐蚀性能极好[13]。导轨接触面采用高精度轴承钢光轴，耐 磨性好。在抗震方面，通过比较几种常见传动方式[14-17]见表1，最终选用同步带传动。
# g" F. X& `% w9 `5 ^# B4 ^
) ~. D# K' }( t& R( Z本设计采用步进电机，控制简单且有较好的位置精度，输出轴连接两对减速齿轮组，如图2所示。
& z. V$ t+ P( ^; i- s8 t2 C- x
9 J$ [# _$ [4 w6 |3 X y" n/ R2 N
4 v. [8 J) t- x7 F: T, n& y/ P: Y& f- | 登录/注册后可看大图
8 E: P) Q5 S2 J▲图 2 传动机构示意图
& B+ p$ P! @1 \& Z% ^同步带轮直径为 0.06m，设计行走机构的运行速度为20m/min，由此选择合适的步进电机参数。同步带压紧装置 如图2(b) 所示，滑块10可在导轨7上相对滑动，滑块的驱动 力有同步带8提供，同步带上安装有一同步带压紧板9，该压 紧板在工作时，通过压紧同步带，将同步带传动过程中产生的振动进行吸收，极大程度提高抗振性能。
2 H' R. J! {! r: J, s' H( k3 @3 Z9 O, ^; D/ l
& X: j+ H2 C0 N+ U& ]" K2 |
( Y, `. P8 i5 q8 v2 E9 _2.2 投饵装置
2 X; t( c. j9 Y; X5 x' P8 _投饵装置关键结构如图3所示，主要由振动盘、物料斗、 支板、物料斗门盖、引料槽、开门机构等组成，本装置由德兴 牌茶叶分装机改装而成[18]。
3 V6 v! V9 o, G5 D8 i9 J" l1 b3 l8 C& Z* K+ Y
▲图 3 投饵装置结构示意图
6 n$ E5 q, \. C& g该装置的基本原理如下: 手动设定称重质量后，饵料进入振动盘中，振动盘在激振器的作用下开始振动，使饵料慢慢的滑入物料斗内，物料斗上安装有一称重传感器，通过感应物料斗整体质量的变化，可计算出物料斗内饵料的质量，从而实现定量称重。称重完成后，由PLC给下料信号到投饵装置控制器，将称完重的饵料通过引料槽下料，下料过程中，由下料电机提供激振力，驱使饵料离散下料。 9 L' T, n2 Q6 _( }3 {' y
开门结构主要由一曲柄摇杆机构组成，该机构将电机的转动转变成物料斗门盖的往复摆动。根据电机输出轴转动的行程，可知摇杆的运动状态，从而能实时控制料斗门的开启与关闭。
" o3 N" K/ s7 r O& H. s0 `" ^" N8 D2 W7 g) Z7 W1 r# y x) X I* G0 ?
- z% h) C1 e6 c2 C+ j7 J) ]0 d$ R) c9 o8 e: w
?: D; _! _. u4 [/ o) _( J. P F2.3 控制系统
0 w0 o4 E d2 l! H" s% i控制系统是由西门子S7-200PLC搭配步进电机驱动器组成，该部分中行走机构控制梯形图如图4所示。
. l! ~3 A/ {: A6 D2 [ ?
& W3 ]* f# P/ n/ U+ B2 P▲图 4 行走机构控制梯形图
" R( P1 w9 h4 R' K其系统控制过程如下，PLC发送指定数量的脉冲信号给 步进电机控制器，步进电机驱动器收到脉冲信号后，控制步进电机运行一定的转数。在行走机构控制过程中，先驱动横向步进电机运转，横向步进电机运转结束后再驱动纵向步进电机运转，此时行走机构运行到指定的位置点，若还需运行至其他位置，需重复上述控制过程。
& x/ \0 o" b& K E2 B8 x7 F7 I整个行走机构的控制过程可分为三种模式，第一种为手动模式，即通过手动控制按钮，控制行走机构的水平竖直行走，该过程可到达范围内的任意指定位置; 第二种为定步长模式，即通过设定固定的横向与纵向步长值，行走机构每次都以该值为单位行走。第三种为传感器模式，在投料点安装红外传感器，行走机构到达传感器位置，接收到传感器信号后停止行进并进行相关操作。为了方便操作管理，开发了一套基于昆仑通态TPC7062TI触摸屏的人机交互界面，通过modbus协议[19]将触摸屏与行走机构控制器进行通信。在触摸屏上可设定行走工作参数。整个控制系统的流程图如图5所示:
* K/ o$ f* S1 K! ^: v" }7 J, B2 _7 H; F0 n. M3 f+ y
▲图 5 控制系统工作流程图% T5 F q! ~9 w, Z, M
2 D+ w! {) [" c/ e! ~* I3 \
03
4 y) k. ?7 g. n1 D0 @投饵系统试验分析
# U! k+ b- t1 r1 H2 p
) P5 {1 s# U$ K3 e" G. a3 q3.1 试验环境
0 B$ {- [- S7 @+ W& u本试验于2020年9月在宁波大学中试基地智慧养殖实验室进行，投饵系统现场试验图如图6所示。考虑到实际养殖过程中饵料直接抛投到水中不便于测量质量，本次试验在养殖池不蓄 水的情况下进行，用容器收集每次抛投下的饵料，便于测量饵料的实际质量，提高测量精度。% B2 [3 s& ?3 I2 `$ c7 K& Y
7 q$ _, m. \0 `; ^9 n' Q
% S4 L8 ?3 `- A0 ?1 {. l
▲图 6 投饵系统现场试验图6 E& g9 y( W! w/ C# r9 K
! B! A! [6 p+ ~4 t! B5 n. H7 \2 a! m( Z+ Q% J# `+ L1 I2 C8 G) n
4 `+ a2 q0 B! |5 x; K
0 [9 E& v4 F' \0 [9 {0 i, a3.2 样机性能试验结构及分析
2 F3 a: A$ l9 Y" A7 n试验过程中，以三疣梭子蟹养殖实验为例，由于梭子蟹成长到 V 期后才会进行单筐体养殖，这一阶段三疣梭子蟹体重在70g~200g之间，对应投饵量占体重比例大约为3%－8%[20]。故按此设计，将投饵量设置在3g～12g 之间，且分梯度进行测试，本次测量采用恒兴牌蟹饲料进行测试，测得的试验结果如图7所示。 $ _1 W0 o' d/ ^" r) X6 ]
, @3 {8 a9 a5 J: S▲图 7 投饵装置定量精度测试结果
: K5 U% h4 I& V0 v. s% U将上述六组相对误差求得平均值，计算其方差，并绘制成曲线如图8所示:
. D( K+ ~, L' o5 Z1 e1 c s( ^* L& j! E# x
▲图 8 投饵装置误差数据分析 ; [; f4 v3 u' k6 s6 R& i
5 }1 |2 y9 m( h# d
6 J/ n8 q5 \/ O2 S* P3.3 结果分析 ; O0 Y: @$ Q2 k S# O- S
通过分析试验数据可知，实际投饵量与理论投饵量存在一定误差，在设定的投饵量范围内，误差不超过4%，具体来 说，投饵量越大，误差越小，但误差始终存在，从方差数据可 以看出，误差的波动幅度较小，方差值均小于0.6，在平均值 附近波动。造成该误差的主要原因有: ①行走装置在工作过程中会产生振动，该振动幅度虽然很小，但仍然会产生影响; ② 投饵装置在定量称重过程中，由于自身的精度问题，会产生误差。按照70g幼蟹摄食量占体质量波动范围2% 计算，可满足梭子蟹水产养殖过程中定量化投饵的需求。
% ?0 ]4 J! t% k5 [/ M! a8 v6 E( l" d- j+ E0 S
* n$ e s, |0 N, N3 e# {0 A+ m, ^CONCLUSION, J/ W2 s* o( @' X5 ?1 C; h% Z6 {
结论
* V! Z+ z, w+ i# m' `3 D a4 b1 d+ D* r" f5 w! m: ~7 h3 G2 @- d
本文基于PLC控制器设计了一套适用于水产养殖试验的自动投饵系统。该系统克服了常用试验环境下，振动和潮湿等恶劣因素的影响。在养殖基地进行投饵试验，饵料定量范围设置在3g ～12g间，实际投饵量最大误差不超过4%，可较好满足水产养殖试验系统要求，同时也为水产养殖 备的研发提供一定参考。
4 I' j/ f8 p6 I1 c5 N
% B8 {) a* k/ o8 y该文章来源互联网，如有侵权请联系删除) T2 b2 N/ h H" I% c
查看原文：www.52ocean.cn | 
! _6 j/ m2 y6 D2 _( x9 @3 o7 E
9 U/ A+ [7 {& t1 J9 E9 l& Q
% w7 {. D% J" Y! r