錢振華，王秦越，何彥虎，張 芹

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

1 引言

食用菌由于其味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，一直以來(lái)是人們餐桌上的一道美食。所謂食用菌的工廠化生產(chǎn)，即根據(jù)食用菌的生長(zhǎng)過(guò)程，采用工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)施，人工創(chuàng)造食用菌的生長(zhǎng)環(huán)境，并按照一定的工藝流程實(shí)現(xiàn)食用菌的周年化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[1]。食用菌工廠化生產(chǎn)起源于上世紀(jì)50年代前后，之后在歐美、日韓等國(guó)家發(fā)展迅速。我國(guó)的食用菌工廠化生產(chǎn)模式起步較晚，從上世紀(jì)90年代后才逐漸興起。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)食用菌產(chǎn)量已居世界第一[2]。目前，隨著信息技術(shù)的日新月異，食用菌工廠化正在從機(jī)械化、自動(dòng)化朝著智能化方向發(fā)展。

在食用菌的工廠化生產(chǎn)過(guò)程中，往往涉及到食用菌瓶或食用菌袋在不同車間的傳遞和輸送。以瓶栽食用菌為例，就包含了裝瓶、碼垛、輸送、拆垛、出菇、采菇包裝和挖瓶等輸送與控制工藝環(huán)節(jié)[3]。如何實(shí)現(xiàn)上述工藝環(huán)節(jié)的有機(jī)組合、自動(dòng)高效及穩(wěn)定運(yùn)行是保證食用菌工廠化生產(chǎn)的重要前提。本文以瓶栽食用菌的工廠化生產(chǎn)為例，分析了裝瓶車間、包裝車間和挖瓶車間的組成結(jié)構(gòu)和工作原理；采用可編程控制器和人機(jī)界面技術(shù)來(lái)控制整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，并運(yùn)用結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言編寫了控制程序；采用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)控制碼垛機(jī)械手的升降，保證了食用菌工廠化生產(chǎn)的高效運(yùn)行，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 食用菌工廠化生產(chǎn)線組成

以河北某大型食用菌工廠化生產(chǎn)線為例，其主要由裝瓶車間、滅菌車間、接種車間、育種車間、出菇車間、包裝車間、挖瓶車間等組成，產(chǎn)品為瓶栽金針菇。圖1為裝瓶車間輸送系統(tǒng)，由輥?zhàn)虞斔途€、金針菇培養(yǎng)料裝瓶機(jī)和碼垛機(jī)等組成。其中，輥?zhàn)虞斔途€需要將裝有空瓶的培養(yǎng)框分流輸送至每臺(tái)裝瓶機(jī)，并且要實(shí)時(shí)匹配每臺(tái)裝瓶機(jī)的裝瓶效率，保證每臺(tái)裝瓶機(jī)接收到的培養(yǎng)框數(shù)量相同。裝瓶機(jī)對(duì)空瓶裝填培養(yǎng)料后，再經(jīng)過(guò)輥?zhàn)虞斔途€輸送至碼垛機(jī)，對(duì)培養(yǎng)框進(jìn)行自動(dòng)碼垛，再通過(guò)叉車集中搬運(yùn)至滅菌車間。自動(dòng)碼垛系統(tǒng)采用機(jī)械式升降橫移式結(jié)構(gòu)，每小時(shí)最多可完成20個(gè)堆垛，并配有氣動(dòng)機(jī)械手；機(jī)械手工作一次就能抓取一層6只培養(yǎng)框，共計(jì)96只培養(yǎng)瓶，且工作穩(wěn)定性高、操作與維護(hù)方便。整個(gè)裝瓶車間物流系統(tǒng)將輥?zhàn)虞斔途€、裝瓶機(jī)、碼垛機(jī)等進(jìn)行了系統(tǒng)集成，能按照生產(chǎn)節(jié)拍要求進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行，極大地提高了培養(yǎng)料裝瓶的效率。

圖1 裝瓶車間輸送系統(tǒng)

圖2 為包裝車間輸送系統(tǒng)，包括成菇輸送線、分流裝置、金針菇采摘后的廢料瓶輸送線等。裝有成菇的培養(yǎng)框通過(guò)成菇輸送線從菇房輸送至包裝車間，進(jìn)行采摘、切根、包裝、打包等作業(yè)。包裝車間共有6條分支線，物流系統(tǒng)能夠按照每條分支線工人的工作效率自動(dòng)分配成菇培養(yǎng)框的數(shù)量；并在每條分支線配備了獨(dú)立急停按鈕，保證了某條分支線在故障或工人離開情況下不會(huì)影響其他分支線的正常運(yùn)行。工人采摘完成后，廢料瓶則通過(guò)輸送線自動(dòng)輸送到挖瓶車間進(jìn)行處理。

圖2 包裝車間輸送系統(tǒng)

圖3 為挖瓶車間輸送系統(tǒng)，包括了分流輸送線、挖瓶機(jī)、合流輸送線等。在裝有廢料瓶的培養(yǎng)框進(jìn)入挖瓶機(jī)前，需通過(guò)分流輸送線按一定的規(guī)律和數(shù)量進(jìn)行分配和輸送，通常先為每臺(tái)挖瓶機(jī)輸送2-3框廢料瓶，等挖瓶機(jī)工作完成后再進(jìn)行下一批次的輸送，否則容易造成培養(yǎng)框的擠框和倒框。在挖瓶機(jī)挖完廢料瓶后，裝有空瓶的培養(yǎng)框?qū)⑼ㄟ^(guò)合流輸送線輸送至裝瓶車間。

圖3 挖瓶車間輸送系統(tǒng)

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC（可編程邏輯控制器）是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)[4]。PLC具有極高的工作穩(wěn)定性和可靠性，非常適合用于食用菌工廠化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。河北某大型食用菌工廠化生產(chǎn)線采用西門子CPU313C-2DP型PLC作為整條生產(chǎn)線的控制核心，以主從控制的模式同時(shí)對(duì)裝瓶、包裝、挖瓶車間的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行集中協(xié)調(diào)控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。每一個(gè)從站模塊均具有64點(diǎn)數(shù)字量輸入和32點(diǎn)數(shù)字量輸出，可用于接收現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器的信號(hào)、開關(guān)和急停信號(hào)，并控制生產(chǎn)線的輥?zhàn)域?qū)動(dòng)電機(jī)、各類氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行和動(dòng)作。各從站模塊與主站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，極大地簡(jiǎn)化了布線，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃訹5]。

圖4 食用菌工廠化生產(chǎn)線控制結(jié)構(gòu)

整條生產(chǎn)線控制工藝流程的實(shí)現(xiàn)依賴于PLC控制程序的設(shè)計(jì)。PLC程序主要包括主程序、系統(tǒng)邏輯控制程序、包裝車間輸送與運(yùn)行程序、挖瓶車間輸送與運(yùn)行程序和裝瓶車間輸送與運(yùn)行程序等，程序運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 PLC程序運(yùn)行流程圖

該系統(tǒng)的控制程序采用基于結(jié)構(gòu)化編程的思路進(jìn)行編寫，便于后期的修改和調(diào)試。系統(tǒng)主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝車間、挖瓶車間等輸送與運(yùn)行控制程序進(jìn)行調(diào)用，并采用組織塊（OB）的方式進(jìn)行編寫。采用西門子Simatic Manager軟件編寫的PLC部分主程序（OB1）如圖6所示。

圖6 PLC部分主程序

各車間輸送與運(yùn)行程序是PLC控制程序的關(guān)鍵。由于各車間的輸送均是采用電機(jī)帶動(dòng)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的執(zhí)行方式，分配均是采用氣動(dòng)分路器與電機(jī)的執(zhí)行方式，控制對(duì)象具有相似性，故采用了功能塊（FB）的編程方式。以包裝車間分路器的控制為例，根據(jù)控制要求得出單個(gè)分路器所需的輸入、輸出接口，并為其建立數(shù)據(jù)塊（DB），用于存放分路器的運(yùn)行參數(shù)；然后在FB功能塊中編寫分路器的控制子程序。

包裝車間1號(hào)分路器的功能塊程序（FB1）如圖7所示。

圖7 包裝車間1號(hào)分路器的功能塊程序

4 裝瓶車間碼垛機(jī)械手的升降控制

裝瓶車間碼垛機(jī)主要用于對(duì)培養(yǎng)框的自動(dòng)碼垛，其機(jī)械手的升降控制采用了變頻調(diào)速技術(shù)。如圖8所示，在碼垛機(jī)機(jī)械手升降電機(jī)的變頻控制電路中，采用了西門子MM440（4KW）變頻器來(lái)控制額定功率為3.7kW的提升電機(jī)。為了提高機(jī)械手的抓取效率，機(jī)械手的升降過(guò)程需要快速制動(dòng)，故采用了變頻器外接制動(dòng)電阻的動(dòng)態(tài)制動(dòng)方式[6]。動(dòng)態(tài)制動(dòng)是一種能耗制動(dòng)，它將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻中，從而達(dá)到快速停車的目的。正確地選擇和安裝制動(dòng)電阻是保證制動(dòng)效果并避免設(shè)備損壞的必要條件。一般情況下，所選制動(dòng)電阻的阻值不能小于選型手冊(cè)中規(guī)定的數(shù)值，否則將造成變頻器損壞。西門子標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)產(chǎn)品提供的MM440系列制動(dòng)電阻均按照P1237=1即5%制動(dòng)周期的電阻。

變頻器主要參數(shù)設(shè)置為：P700=2，P1 000=3，P1 001=50，P1 002=25，P1 003=10，P1 004=-50，P1 005=-18，P1 006=-5。通過(guò)參數(shù)P1 001～P1 006可設(shè)定變頻器的多段速工作頻率，即可控制機(jī)械手提升與下降的速度快慢。

圖8 碼垛機(jī)機(jī)械手升降電機(jī)的變頻控制電路

5 系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是一種用于連接PLC、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過(guò)輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備[7]。上述食用菌工廠化生產(chǎn)線采用了國(guó)產(chǎn)步科（Kinco）MT4513TE觸摸屏作為人機(jī)界面，用于對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行啟?？刂?、狀態(tài)顯示、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等。MT4513TE觸摸屏采用高性能32位400MHz RISC CPU，具有快速處理各類信息的能力；具備800*600的高分辨率，顯示畫面較為清晰；配備了RS232/RS485、10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)口等通訊接口，便于與上、下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。采用步科Kinco HMI-ware軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)界面如圖9所示，操作者和管理人員可以通過(guò)人機(jī)界面控制整條生產(chǎn)線的運(yùn)行，清晰地了解生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)產(chǎn)量和工作狀態(tài)，并可根據(jù)故障信息及時(shí)采取相應(yīng)措施保障生產(chǎn)的正常進(jìn)行，極大地提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié)論

介紹了瓶栽食用菌工廠化生產(chǎn)線中的裝瓶車間輸送與運(yùn)行系統(tǒng)、培養(yǎng)框碼垛輸送與運(yùn)行系統(tǒng)、包裝車間輸送與運(yùn)行系統(tǒng)和挖瓶車間輸送與運(yùn)行系統(tǒng)的組成和工作原理。采用西門子CPU313C型PLC作為主控單元控制整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，并通過(guò)結(jié)構(gòu)化編程方法編寫了系統(tǒng)控制程序。在裝瓶車間碼垛機(jī)中，采用西門子MM440變頻器控制碼垛機(jī)械手的升降，并給出了變頻器的參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)采用步科MT4513TE觸摸屏作為人機(jī)界面，用于對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行啟?？刂?、狀態(tài)顯示、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等。目前該系統(tǒng)已在河北某大型食用菌生產(chǎn)基地投入使用，且運(yùn)行穩(wěn)定，日產(chǎn)食用菌達(dá)100t以上。

圖9 系統(tǒng)人機(jī)界面