高效养殖系统的设计及实施探析

前言：

在信息化时代下，各种先进的信息技术不断涌现，有效带动了各行各业改革发展。在水产养殖行业领域，可以抓住时代机遇，加强各种先进的信息技术、自动化设备应用，推动高效养殖系统的设计与实施，实现自动化水产养殖，减少人工干预，精准控制养殖环境温度、PH、溶解氧等参数，更有利于提升养殖效率，减少养殖成本，获得更高的水产养殖收益。为实现上述目标，有必要加强对高效养殖系统设计及实施分析，这对推动水产养殖产业实现现代化、智慧化、高质量发展有着非常重要的意义。

1 高效养殖系统的功能

与传统水产养殖系统相比，高效养殖系统搭载了各种先进的自动化仪器设备装置，具有以下几点功能：（1）水质监测与调控功能。在高效养殖系统中，通过配置荧光法溶解氧传感装置，应用自动温度补偿技术，可以实现水质在线监测，主要监测内容包括水体 pH 值、溶解氧、水温等关键参数 [1]。通过采用高分辨率液晶显示屏，实时显示水质监测结果，多参数信息同屏展示，帮助养殖户更好地掌握水质情况。（2）养殖尾水处理功能。需要通过微滤设备去除养殖尾水中的悬浮物。通过生物过滤装置搭配高效PP 悬浮填料，实现水体有机物降解，底部曝气实现自清洗与自动排污，有效净化养殖水质流速控制功能。养殖水温与流速对水产品养殖影响较大。在高效养殖系统中，具备温度与流速控制功能，通过冷热机组完成水温调节。通过流量泵调节养殖池水流速度。（4）智能化控制与管理。在高效养殖系统中，通过 PLC 控制系统，实现设备联动控制、故障报警以及流量自适应调节，支持远程监控与数据分析 [2]。通过配置自动投饵设备，结合水产养殖需求，实现定时定量投喂。通过应用风机增氧设备，能够为养殖池和生物过滤器提供稳定的氧气供应。自动化投喂与增氧可以减少人工干预，提升投喂精准度与增氧效率，更有利于实现水产高效养殖。（5）水产种质资源管理。高效养殖系统支持鱼类种质资源保存、亲本培育、人工繁殖以及鱼苗孵化，不同立体循环养殖设计，实现不同规格鱼类分区养殖。

2 高效养殖系统设计思路

通过上文叙述可知，与传统的养殖系统相比，高效养殖系统搭载了更多先进的自动化、智能化设备装置，因此在实际设计时，应以智能化、模块化、环保生态友好作为设计核心思想。智能化是指在高效养殖系统中引入 PLC、网络通信协议、自动化控制设备装置等，减少人工干预，实现养殖系统远程自动化操作控制，实时监测系统运行状况，并结合实际需求，自动调整水温、流速，自动投饵等，有效提升养殖效率 [3]。模块化是指基于不同的养行模块化设计，便于系统安装、实施与维护。比如基于上述高效养殖系统的功能，可以将整个系统设计为水质水处理功能模块等。环保生态友好则要求整个高效养殖系统需要注重减少能耗，避免对水体造成污染。保证尾水处理符合国家标准，并能够实现尾水资源的循环利用，减少对外部水源的依赖和对周边环境的污染[ 动化设设计要求注重节能降耗，减少温室气体排放，实现水产养殖与生态环境的和谐共生。

3 高效养殖系统的实践分析

3.1 高效养殖系统项目背景

现有高效养殖系统项目，具有两大功能，一是支持水产养殖科研实验，包括鱼类行为学、生理学研究。二是支持水产养殖产业化示范，主要包括规模化水循环水产养殖，提升养殖效率与养殖效益。本项目建设符合长江上游生态保护区环保要求，侧重节能减排与水资源循环利用。整个高效养殖系统项目在设计方面主要面临以下三点难题，一是高效养殖系统既要满足水产养殖科研需求，又要满足水产规模化养殖需求，两种不同的需求对系统参数要求不同，如何在同一个高效养殖系统中兼顾两种需求，实际难度较大。二是在传统养殖设备的基础上，融入各种数字化技术以及先进的设备，需要解决各种类型设备兼容、数据共享以及联动控制问题。三是本项目生态保护要求比较严格，符合长江上游生态保护区环保要求，因此在兼顾上述高效养殖系统功能方面，还需要达成节能环保要求。

3.2 高效养殖系统的设计要点

在本项目中，整个高效养殖系统架构如图 1 所示，基于上述系统架构，需要落实以下设计要点。（1）监测层设计要点。以水质监测系统为核心，主要借助各种先进的设备装置，完成对水质以及设备状态监测。通过搭载荧光法溶解氧传感器，可以有效监测水中的溶解氧。在系统温度传感器中，配置了 NTC 热敏电阻，用于监测水温，温度监测精度 ±0.1℃。在水质 PH 监测方面，采用了 PH 法监测传感器，玻璃电极配合自动温度补偿（NTC），精度 ±0.01pH。在监测数据传输方面，采用了 RS-485 Modbus/RTU 协议，通过该网络协议将数据传输至控制层中的PLC 控制柜。在水质监测系统前端，采用海圣 HS-SZ01 检测仪点阵液晶屏，这种屏幕是一种高分辨率的液晶显示模块，所有数据、状态、操作提示都可以用中文或英文显示，简便易懂。在同一屏幕上，可以同时显示多个参数，具有醒目、可视距离远等优点。

图1 高效养殖系统平台架构

（2）控制层设计要点。在控制层，主要负责实现高效养殖系统智能化管理控制。本项目设计采用了海圣 HS-DK01 控制柜，采用了冗余电路设计，支持 5℃ -45℃环境下运行。考虑到养殖系统环境湿度较大，控制柜配置了加热除湿装置防冷凝。PLC 控制柜通过计算传感器上传的数据，在发现水质异常后，将会自动控制微滤设备、增氧设备等，实现水质净化与增氧 [5]。在水流量控制方面，通过流量计实时反馈水流流量信息，由PLC 控制潜水泵转速，实现水流量调节控制。在控制层中，本项目配置了智慧渔业系统平台，通过RS-485 Modbus/RTU 协议完成控制数据上传，支持养殖户通过手机终端登录系统平台远程查看高效养殖系统运行情况。处理层设计要点。在处理层，主要实现养殖池尾水高效净化处理，处理流程是物理过滤——生物降解——紫外线消毒，经过处理后的尾水重新回流养殖池，实现水循环养殖。本项目尾水净化处理层级以及关键设备参数如表1 所示。

（4）执行层设计要点。在执行层，主要执行具体的水体环境调控操作、水产种质资源管理以及自动投饵与增氧。在水温控制方面，通过 3P 压缩机 + 变频循环泵，完成功率调节，实现水温精准控制。其中压缩机制冷、制热功率为 88.4KW，变频循环泵流量 1.5m-20m3/h。在增氧执行设计中，采用了 3kW 罗茨风机通过 PVC-U 管道供氧，每分钟供氧量为 3.08m3，供氧压力 24.5KPa。由于生物过滤器装置也需要供氧，为避免养殖场供氧不足，在生物过滤装置中搭载了 5.5kW 罗茨风机通过 PVC-U 管道供氧，每分钟供氧量为 4.14m3，供氧压力 39.2KPa。执行层对电力较为依赖，为防止因断电事故导致执行装置中断运行，本项目设计采用了 600W 绿一 LY6000S 充电气泵，在断电后自动切换电池供电，续航在 30h 以上。在水产种质资源管理方面，本项目设计采用了不锈钢尤先科孵化器，具体规格为3260mm×850mm×890mm，搭配 0.8m 小型 PP 养殖池，孵化器与小型养殖池独立部署在实验区，管道系统也独立设置，与成年鱼产业化养殖系统进行物理隔离，满足鱼种孵化需求，为科研实验创造良好的条件。在成年鱼产业化养殖方面，设计了规格 2m、3m、5m 大型 PP锥底养殖池，锥形底设计利用了旋流效应集中排污，搭载了立体循环养殖系统，整个系统采用了厚度 2mm 的 304 不锈钢方钢框架 + 10mm白玻隔板，隔板之间的间隙控制在 5mm 以内。通过依莱斯 E804C 投饵机实现自动化投饵，由 PLC 系统控制投喂频次。除了进行物理隔离以外，在水产种质资源管理方面进行了数据隔离设计。其中用于科研的养殖系统模块配置了专用海生PLC 控制柜，仅接入科研设备传感器，监控数据直接上传智慧渔业平台科研数据库，实现与规模化水产养殖系统数据隔离。而规模化水产养殖系统则直接接入 PLC 控制组，采用固定程序控制，避免数据传输发生冲突，且该系统支持PLC 支持远程批量操作，降低人工干预需求。

3.3 高效养殖系统的实施措施

在本项目中，为推动高效养殖系统实施，需要做好以下几点工作：一是先独立调试上述科研实验区鱼种孵化养殖系统与产业化成年鱼养殖系统，然后通过 PLC 中枢进行协同控制。上述两种系统进行了分区部署，避免功能冲突。在施工现场安装方面，两种系统遵循的施工安全流程如图 2 所示。在实际安装施工过程中，需要按照不同功能进行管道分色标签，其中蓝色 = 进水管道、红色 = 排污管道、绿色 =供氧管道，为后续系统高效运维创造有利条件。为防止施工污染，科研实验区鱼种孵化养殖系统采用无尘切割施工方式，并与产业化成年鱼养殖系统分开施工作业。在最终验收方面，要求整个养殖系统通过压力试验，漏水率不超过 5%，紫外线剂量 >40mj/cm2，尾水悬浮物≤ 5mg/L，达到农田灌溉标准 GB 5084-2021。

在高效养殖系统中，建立了长效运维保障体系，一旦系统发生故障，可以快速落实各种运维措施，有效保障养殖系统稳定运行。具体来说，一是当高效养殖系统发生故障后，48h 内获得响应，72h 内解决复杂故障。二是对高效养殖系统进行定期维护，每年免费巡检 2 次，质保期前满前一个月进行全面检修，并提交检修报告。三是终身提供原厂配件，配件价格按成本价，维护后质保期重新计算。针对高效养殖系统运行中面临的各种风险问题，需要采取有效的风险应对预案，具体如表2 所示。

图2 高效养殖系统安装施工流程