王密 李坤

摘 ? 要：食用菌菌種處理設(shè)備尚無定型標(biāo)準(zhǔn)，是需要根據(jù)實際功能來自行設(shè)計和制造的非通用性設(shè)備。目前日本富士高科生產(chǎn)的菌種處理機處于世界領(lǐng)先狀態(tài)，但是也有其弊端，生產(chǎn)效率低，備件可復(fù)制性差等。根據(jù)行業(yè)需求，設(shè)計的難度也較大。本文從食用菌菌種處理機的設(shè)計流程切入，分析菌種處理機特點，建立機械設(shè)備及過程控制系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得出該過程控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性及較高的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：食用菌菌種處理機 ?設(shè)計 ?研發(fā) ?非通用性 ?過程控制

中圖分類號：S646 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0127-02

菌種處理是接種生產(chǎn)前的重要環(huán)節(jié)。菌種處理機是對菌種進(jìn)行預(yù)處理，將老菌皮刮掉，老菌皮是不能夠供接種使用的部分。我公司為國內(nèi)真姬菇龍頭企業(yè)，以先進(jìn)的自動化設(shè)備替代傳統(tǒng)設(shè)備。這其中自動化設(shè)備發(fā)揮著不可替代的重要作用，因此，設(shè)計研發(fā)菌種處理機是我公司提高生產(chǎn)產(chǎn)能的重要手段，可切實帶動公司的發(fā)展，值得我們對其進(jìn)行深入的研究。

1 ?菌種處理機設(shè)備設(shè)計方案

菌種處理機設(shè)備總長度為15.4m，主體設(shè)備8.32m，機械手分為機械臂、運動部分、抓取部分，其中菌種處理單元翻轉(zhuǎn)臂有效翻轉(zhuǎn)角度為180°，機械手臂運動部分行程為5.32m，機械手位移采用伺服電機搭配螺紋絲杠;抓取部分則為16臺行程為30mm氣缸配合專用夾具進(jìn)行，同時機械手臂升/降動作由所缸帶動，抓取高度范圍在670～985mm;菌種處理機翻轉(zhuǎn)臂采用伺服電機控制，能夠精準(zhǔn)將菌種精確移動至導(dǎo)料模具內(nèi)同時菌種處理單元帶動刀具對菌種精準(zhǔn)處理。

物料傳送單元采用鏈條傳轉(zhuǎn)模式，長度為12.4m，寬度為0.45m，對菌種進(jìn)行傳送及物料跟蹤主體材料先用304不銹鋼材質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，選用不銹鋼方管焊接支撐配合304不銹鋼材質(zhì)鏈條進(jìn)行物流傳輸;如圖1所示。

2 ?菌種處理機自動控制及工藝部分

菌種處理機采用PLC控制系統(tǒng)，主控制單元為一套西門子S7400 PLC，通過ProfibusDP網(wǎng)與4個西門子ET200遠(yuǎn)程站通訊，完成菌種處理設(shè)備基本控制功能及通訊功能;程序設(shè)計語言為SIMATIC STEP 7。設(shè)置一臺PDA用于實時數(shù)據(jù)采集，設(shè)置一臺工業(yè)PC作為工程師站。設(shè)置一臺工業(yè)PC作為人機界面，人機界面軟件選用西門子WinCC，設(shè)置一臺過程計算機，即菌種處方管理平臺，主要完成菌種處理處方運算等功能。

菌種處理系統(tǒng)主要工藝流程為：入料定位;機械手夾緊;前端鏈條傳送;入空箱定位;料到位定位;機械手落下;中端鏈條傳送;入空箱鏈條升;兩側(cè)定位;托盤升起;尾端鏈條傳送;刀具運行;推空箱;刀具升降等主要部分，其中在入料定位前系統(tǒng)自動調(diào)取二級處方模型，采用當(dāng)前菌種適用處方如菌種微跟蹤控制，在得到菌種的絕對位置跟蹤的基礎(chǔ)上，還需要通過安裝在傳輸線前入口檢測器和伺服電機進(jìn)行校驗，保證跟蹤的準(zhǔn)確性，在菌種頭部進(jìn)入2號檢測器時，由該信號觸發(fā)菌種頭部跟蹤程序。通過前端鏈條傳輸區(qū)域菌種頭部微跟蹤程序，計算出菌種頭部距離菌種處理系統(tǒng)的距離，根據(jù)這個距離將對應(yīng)的機械手夾具打開。菌種尾部微跟蹤，在菌種尾部離開2號檢測器時，由該信號觸發(fā)菌種尾部微跟蹤程序。與頭部的跟蹤方法相同，計算出菌種尾部距菌種處理系統(tǒng)距離。根據(jù)這個距離將對應(yīng)的夾具關(guān)閉。在人機界面上可顯示菌種行進(jìn)的位置。

利用Oracle數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)表來存儲處方，處方管理程序開發(fā)，該程序可查看處方列表，在處方列表中雙擊任意處方可打開處方編輯畫面。該畫面提供新建、編輯和刪除處方等功能;也可在數(shù)據(jù)庫中新增菌種處方。

操作界面增加數(shù)據(jù)請求按鈕，點擊后向管理平臺發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文。管理平臺收到請求后，連接數(shù)據(jù)庫，根據(jù)菌種型號篩選可用處方，并將找到的唯一匹配數(shù)據(jù)發(fā)送給WinCC，顯示到人機界面中。操作工可以修改，但是修改后的數(shù)值不寫入數(shù)據(jù)庫。同時加載相應(yīng)的菌種處方，調(diào)用處方后系統(tǒng)會按該菌種處方執(zhí)行命令，按菌種微跟蹤系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)輥道速度，同時結(jié)合菌種處理機自動處理。

3 ?菌種處理機電氣控制部分設(shè)計及過程控制

菌種處理機工藝的實現(xiàn)離不開精確的計算機控制系統(tǒng)，其中過程控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能：（1）物料跟蹤控制;（2）處理規(guī)程制定（包括菌種處理模型調(diào)用及菌種選料）;（3）菌種處理速度及料面處理位置計算;（4）個體菌種處理過程微跟蹤;（5）過程控制數(shù)據(jù)庫管理;（6）與設(shè)備之間通訊管理實現(xiàn)設(shè)備控制、設(shè)備參數(shù)反饋等功能。具體功能示意圖如圖2所示。

4 ?人機界面上主要參數(shù)的計算原理

機械臂的實際行進(jìn)距離：從程序中功能塊中可知道其計算原理，簡單描述如下：其定位原理依據(jù)兩個自動化元件，接近開關(guān)和伺服電機搭配。當(dāng)機械手向前移動離開后極限位置時，觸發(fā)一個下降沿的信號，記錄下此時伺服電的數(shù)值，并以此數(shù)值為零點，然后伺服電機會隨著機械手臂的動作而改變數(shù)值，與零點數(shù)值的差經(jīng)過換算后得到的就是機械手臂的實際距離。

機械手前翻轉(zhuǎn)設(shè)定值的換算公式如下。

機械手設(shè)定值=3310-菌種過激光線距離（A）+菌料寬度（B）-200+調(diào)整值（C），由此可見決定機械手的翻轉(zhuǎn)距離的重要因素是A、B、C三個重要的變量。

注意：操作工進(jìn)行菌種處理操作時，應(yīng)首先觀看此數(shù)值是否在正常的范圍內(nèi)，因為一切的翻轉(zhuǎn)動作都是以次數(shù)為基礎(chǔ)的，一旦出現(xiàn)非正常狀態(tài)，要立刻轉(zhuǎn)換到手動狀態(tài)或通過調(diào)整值來進(jìn)行修改。

后翻轉(zhuǎn)設(shè)定值的計算公式：

后退設(shè)定值=1/2×菌料寬度-500+后退調(diào)整-（設(shè)定值-上升時的機械手水平實際值）

5 ?結(jié)語

2019年底，河北豐科生物科技有限公司自主研發(fā)食用菌菌種處理機試運行。該系統(tǒng)采用二級自動化進(jìn)行過程控制，能夠?qū)N處理進(jìn)行全自動控制。不同菌種通過處方平臺制定相應(yīng)的菌種處理規(guī)程。同時具有通訊、微跟蹤、數(shù)據(jù)記錄、離線計算、經(jīng)驗積累單元及界面顯示等多種功能，能有效完成菌種在線處理控制任務(wù)。產(chǎn)能提高50%的同時合格率達(dá)到99.9%，可以較好地為過程控制系統(tǒng)的有效運行提供保證。

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