一种深远海养殖网箱升降控制系统及控制方法与流程

本技术涉及水产养殖领域，具体涉及一种深远海养殖网箱升降控制系统及控制方法。

背景技术：

1、随着近岸养殖空间日趋饱和，海水养殖正加速向深远海拓展。然而，深远海海域风急浪高，台风等恶劣海况频发，对养殖设施构成严重威胁。每逢台风季节，狂风巨浪常导致养殖网箱结构受损、鱼类逃逸甚至大量死亡，给养殖企业造成巨大的经济损失。

2、升降式网箱在台风来临前将网箱整体沉入海中坐底，以规避风浪流的直接冲击；台风过境后再将网箱浮上水面，恢复正常养殖作业。这一模式被视为深远海养殖防灾减灾的有效路径。

3、目前，主流升降式网箱多采用气动式方案，即利用空气压缩机产生压缩气体，驱赶并置换安装在网箱浮力舱内的压载水，从而改变网箱浮力实现升降。但是升降过程主要通过空压泵的人工启闭操作，网箱升降作业过程不可控，一方面网箱在升降过程中往往存在倾角过大甚至升降失败的情况；另一方面网箱沉底时，底部与海底淤泥之间往往存在大量吸附力，一旦充气排水使浮力突破临界点，吸附力瞬间消失，过剩的浮力使网箱在极短时间内上浮十数米，这种急速上升对养殖对象和网箱设施安全都造成巨大威胁。

技术实现思路

1、因此，针对上述的问题，本发明提出一种深远海养殖网箱升降控制系统及控制方法。其解决了网箱升降不稳定的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种深远海养殖网箱升降控制系统，包括网箱浮力管、至少一套升降执行单元、传感器组以及控制器；

4、所述网箱浮力管上设有进排水口，所述网箱浮力管内具有网箱浮力腔；

5、所述升降执行单元包括海水泵、集成阀组与电动平衡阀，所述电动平衡阀设置于集成阀组后端管路上，所述电动平衡阀连接网箱浮力管的进排水口，所述控制器控制电动平衡阀以实现管路的通断控制；

6、所述集成阀组沿管路依次设置电动吸水阀、吸入调节阀、电动旁通阀、电动抽水阀、排出调节阀、电动补水阀、电动排水阀与电动应急阀；

7、所述海水泵经集成阀组的通路切换，分别构成注水回路、抽水回路、悬浮调节回路和故障应急抽吸回路；

8、所述注水回路用于向网箱浮力腔注入海水实现网箱下沉；

9、所述抽水回路用于抽取网箱浮力腔海水实现网箱上浮；

10、所述悬浮调节回路通过动态调节注排水流向与流量，维持网箱在不同水层中稳定悬浮；

11、所述故障应急抽吸回路由电动旁通阀与电动应急阀配合构成，当主支路阀门故障时，切换至该回路并通过海水泵主动抽吸，实现故障状态下的网箱上浮；

12、所述传感器组包括至少一个液位传感器；

13、所述控制器分别电连接海水泵、集成阀组与传感器组。

14、进一步的：

15、所述升降执行单元数量为一个，所述升降执行单元后端管路接口通过电动平衡阀与网箱浮力管相连接。

16、所述网箱浮力管包括多个独立分区，所述升降执行单元后端设有多路分支接口，每路所述分支接口通过电动平衡阀连通于对应的所述独立分区的进排水口。

17、所述升降执行单元数量为至少两个，所述网箱浮力管沿周向布设至少两个独立分区，各所述升降执行单元后端连接至少一个分支接口，每路所述分支接口通过电动平衡阀连通于对应的所述独立分区的进排水口。

18、所述注水回路包括依次连通设置的电动吸水阀、吸入调节阀、海水泵、排出调节阀、电动补水阀和电动平衡阀，外部海水经电动吸水阀、吸入调节阀进入海水泵，经海水泵加压后通过排出调节阀、电动补水阀、电动平衡阀注入网箱浮力管。

19、所述抽水回路由电动平衡阀、电动抽水阀、吸入调节阀、海水泵、排出调节阀和电动排水阀依次连通构成，网箱浮力管内海水经电动平衡阀、电动抽水阀、吸入调节阀进入海水泵，经海水泵抽吸后通过排出调节阀、电动排水阀排出至外部海水。

20、所述悬浮调节回路由电动吸水阀、电动抽水阀、电动平衡阀、吸入调节阀、海水泵、排出调节阀、电动补水阀和电动排水阀构成，电动吸水阀、电动补水阀、电动抽水阀、电动排水阀保持全开，外部海水经电动吸水阀与网箱浮力管内经电动平衡阀、电动抽水阀来的海水汇合后经吸入调节阀进入海水泵，海水泵输出的海水经排出调节阀后分别经电动补水阀回注网箱浮力管和经电动排水阀排出至外部海水，通过吸入调节阀与排出调节阀的开度协同配合动态调节注排水流向与流量。

21、所述故障应急抽吸回路由电动平衡阀、电动旁通阀、海水泵和电动应急阀依次连通构成，网箱浮力管内海水经电动平衡阀、电动旁通阀进入海水泵，经海水泵抽吸后通过电动应急阀排出至外部海水。

22、所述升降执行单元采用分散式一字排开安装结构，所述海水泵与所述集成阀组分别独立封装于水密小箱体内，沿网箱浮力管一字排开固定布设；所述电动平衡阀与所述网箱浮力管之间的连接管路段设置s型铰接活接柔性管路；所述升降执行单元安装于可升降套架结构上，检修时可提升至海面以上。

23、所述传感器组包括前液位传感器、后液位传感器、左液位传感器和右液位传感器，分别布置于网箱浮力管的前、后、左、右四个方位。

24、本发明还提供了一种深远海养殖网箱升降控制方法，包括所述的深远海养殖网箱升降控制系统，包括以下步骤：

25、s1.接收运行模式指令与目标高度参数，匹配待控制网箱的结构参数，完成系统初始化；

26、s2.实时采集四个方位的液位传感器数据，经滤波、滑动均值、算术平均处理后，得到网箱平均高度值与高度变化率；

27、s3.根据选定运行模式，切换集成阀组对应支路的通断状态，控制电动平衡阀开启，驱动海水泵运行；

28、s4.以目标高度为控制目标，采用模糊控制算法，根据高度偏差等级与变化率等级输出调节阀开度控制量，闭环控制网箱升降速率与目标位置；

29、s5.监测系统阀门运行状态，当检测到主支路阀门故障时，切换至故障应急抽吸回路，开启电动旁通阀与电动应急阀，通过海水泵主动抽吸实现网箱上浮。

30、进一步的：

31、当运行模式为沉底下潜模式时，步骤s3、s4具体为：开启电动吸水阀、电动补水阀与电动平衡阀，启动海水泵正向运行，向网箱浮力腔匀速注水；实时监测高度变化率与网箱四个方位的液位差，通过控制吸入调节阀和排出调节阀开度动态调节进水流量与姿态偏差；当高度数据与高度变化率同时满足触底判定条件时，逐步降低水泵功率，依次关闭对应阀门与水泵，完成缓冲沉底。

32、当运行模式为上浮模式时，采用分段渐进式上浮控制：设置多级中间悬浮高度，网箱每上升至一级高度即稳定悬浮停留，使养殖鱼类逐步适应水压变化；每级上浮过程中，开启电动抽水阀、电动排水阀与电动平衡阀，控制吸入调节阀和排出调节阀开度，启动海水泵抽取网箱浮力腔内海水。

33、当运行模式为定深悬浮模式时，步骤s3、s4具体为：保持电动吸水阀、电动补水阀、电动抽水阀、电动排水阀与电动平衡阀处于全开状态；采用串级双闭环控制：以网箱目标高度为主被控变量构成外环，以网箱浮力腔液位为副被控变量构成内环，外环控制器根据高度偏差运算得到的输出作为内环控制器的液位设定值；内环控制器根据液位偏差协同调节吸入调节阀与排出调节阀的开度，动态切换注排水流向并调节注排水流量，以抑制波浪扰动与海流干扰，使网箱维持于目标高度的允许偏差范围内稳定悬浮。

34、所述模糊控制算法的具体步骤为：将网箱实际高度与目标高度的偏差划分为负大、负中、零、正中、正大5个等级；将高度变化率划分为上浮太快、上浮偏快、速率合适、下沉偏快、下沉太快5个等级；基于预设的模糊规则库进行模糊推理，采用面积重心法解模糊，输出吸入调节阀与排出调节阀的开度控制百分比。

35、配置多分区电动平衡阀时，还包括姿态纠偏步骤：实时采集网箱四个方位的液位差，计算网箱倾斜量与倾斜方向；分别控制对应分区的电动平衡阀开度，对倾斜侧进行反向注排水补偿调节，维持网箱水平姿态。

36、步骤s5中故障应急的执行流程为：检测到主支路阀门故障后，关闭全部正常工作的主路阀门，保持电动平衡阀开启；开启电动旁通阀与电动应急阀；启动海水泵以最大功率抽吸网箱浮力腔水体，驱动网箱上浮至水面。

37、通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：

38、本系统通过海水泵配合集成阀组的通路切换，构建注水回路、抽水回路、悬浮调节回路与故障应急抽吸回路四类工作流路，替代传统气动式人工操作方案，可主动实现网箱下沉、上浮、稳定悬浮及故障应急多模式控制，显著提升升降过程的可控性；通过调节阀精准调控注排水流向与流量，可有效抑制网箱离底瞬间的浮力突变，避免网箱急速上浮，保障养殖对象与网箱设施的安全；搭配传感器组与控制器形成闭环控制架构，可基于实时状态反馈自动调节阀门与水泵运行，实现升降过程的自动化、精准化管控；增设独立的故障应急抽吸回路，主支路阀门故障时可快速切换旁路，通过海水泵主动抽吸实现应急上浮，大幅提升系统运行可靠性与极端场景下的安全性；进一步的，采用单套升降执行单元对应单根网箱浮力管的配置，结构精简、成本更低，适配小型养殖网箱的升降控制需求；进一步的，单套升降执行单元搭配多独立分区的网箱浮力管，可通过各分支电动平衡阀实现分区独立控制，在控制成本的同时具备姿态调节能力；进一步的，配置至少两套升降执行单元，可协同调控大跨度网箱的升降姿态，提升大规格网箱运行的平稳性与同步性；进一步的，明确注水回路的完整连通路径，保障网箱下沉过程流路清晰、注水流量可控；进一步的，四个方位布设液位传感器，可全面采集网箱高度与姿态数据，为姿态纠偏与精准闭环控制提供可靠反馈依据;进一步的，本方法通过系统初始化、多源传感器数据处理、阀组通路切换、模糊算法闭环调节、故障应急切换的完整流程，可精准控制网箱的升降速率与目标位置，同时具备故障自动旁路能力，保障网箱升降全过程平稳、安全、可控；进一步的，沉底下潜模式下可动态调节进水流量与姿态偏差，触底时逐步降速缓冲，避免网箱刚性冲击海底，实现平稳沉底；进一步的，采用分段渐进式上浮控制，设置多级中间悬浮高度停留，可使养殖鱼类逐步适应水压变化，避免压差损伤，同时抑制离底瞬间的急速上浮；进一步的，定深悬浮模式采用串级双闭环控制，可有效抵消波浪扰动与海流干扰，使网箱稳定维持在目标高度范围内；进一步的，采用模糊控制算法，可基于高度偏差与变化率智能输出调节阀开度，实现升降过程的平滑、无级调节；进一步的，增加姿态纠偏步骤，可实时计算网箱倾斜量并反向补偿调节，维持网箱水平姿态，避免倾角过大引发升降故障；进一步的，主路故障时可快速切换回路，以最大功率抽吸网箱浮力腔水体，优先保障网箱上浮至安全位置。