摘要
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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。$ t( W5 F1 h/ J3 s- `7 `9 P+ v7 B
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) v- v/ N! z$ g( z2 i0 r2 \1 l关键词
- s1 B3 f# h; T7 i0 t水产养殖; 投饵系统; 养殖设备
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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。
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3 X3 y2 |# W- E5 T' G设计方案
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1.1 设计思路 : N. X6 o4 a' j2 a+ A" ^$ T4 ?
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:
! x; `; p# h# v/ L; X" j(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。
" G4 u5 z7 t; S- D4 N(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。: P/ P8 @7 u" K+ O/ Y0 t% l$ R
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1.2 基本结构及工作原理 - A/ B7 N4 b9 R4 b2 q! 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]。
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▲图 1 投饵系统结构示意图
6 H; ]7 b% n, i$ }0 n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: ! S, A+ H' X1 l- ^+ x
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。
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硬件设计结构2 F2 N7 I: W4 C' t) O$ `
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2.1 设计思路
3 I/ o) ^8 r2 l% [+ g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。 ' W* ?+ r. x* m& |( J7 L
3 K& t( A$ c, p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。
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' ]7 T2 o. ^' E5 L6 h▲图 2 传动机构示意图% D* R; a, q3 X, ]: `( e
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。 ' Y" v) i# U3 S4 W; C; t) P6 Z d
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. M! \" `5 O2 U) a3 I# I. L2.2 投饵装置 J' v. O/ n% ^ ~8 X
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]。) p# O: r% N3 X3 p" B
4 {- \/ \% R3 k3 I; k1 T▲图 3 投饵装置结构示意图 ) { l/ @, e' D1 J
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。 ) ]$ D( F0 o# a$ O) A8 c' a
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。
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2.3 控制系统
3 s& Q" V# t8 U5 Z. I3 I+ }* 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。
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▲图 4 行走机构控制梯形图
- e" p4 s: L9 G5 P, r2 b" B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。 * ?. e5 l# u6 a
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:
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▲图 5 控制系统工作流程图
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! w$ S* T N: f8 d( c投饵系统试验分析
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3.1 试验环境 6 }+ o4 @/ Y. n3 [$ ]3 {$ g
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。
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▲图 6 投饵系统现场试验图- _+ t. F- ~9 h# E( b n D$ V1 [8 n
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3.2 样机性能试验结构及分析 3 b, [# M6 X' T2 W. E! s6 U2 }
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。 7 F% Z* ^2 J+ q2 R U1 C* w2 _8 x, I
: \" |- |+ C, k \▲图 7 投饵装置定量精度测试结果
$ A* g, Q. {0 p9 g2 p0 |6 a. E; }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:- K+ \9 G0 E) O
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▲图 8 投饵装置误差数据分析
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n' B1 `" ] a! i) n: @3.3 结果分析
% O/ k1 X) @, h4 G- E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。& g6 P8 N4 K- B6 G) m
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CONCLUSION/ X% t/ \+ A4 S# O9 M
结论
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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。
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