黃雙成， 郜海超， 王麗余， 張 軍

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 鄭州 450042；2.西峽神威機(jī)械設(shè)備有限公司， 河南 西峽 474550)

引言

食用菌產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了“一家一戶，房前屋后”，到集約化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，再到引進(jìn)國(guó)外技術(shù)發(fā)展工廠化生產(chǎn)，最終形成了傳統(tǒng)栽培與現(xiàn)代化生產(chǎn)并駕齊驅(qū)的產(chǎn)業(yè)格局[1]，伴隨我國(guó)農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的不斷推進(jìn)，食用菌行業(yè)步入產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化的新軌道，食用菌工廠化已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然趨勢(shì)[2]。

食用菌工廠化生產(chǎn)是模擬生態(tài)環(huán)境、智能化控制、自動(dòng)化機(jī)械作業(yè)于一體的生產(chǎn)方式[3]。盡管我國(guó)食用菌品種眾多，但目前仍以木腐菌生產(chǎn)為主，草腐菌所占比重較小[4]。在木腐菌生產(chǎn)過程中，不管是工廠化還是其他生產(chǎn)方式，拌料、裝袋、滅菌、接種、培育及出菇管理[5]等主要環(huán)節(jié)都是必須實(shí)施。其中裝袋環(huán)節(jié)是勞動(dòng)力需求最密集，勞動(dòng)強(qiáng)度最大的工序之一，是制約木腐菌生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，文獻(xiàn)[6]利用SolidWorks軟件對(duì)螺旋送料進(jìn)行了模擬和動(dòng)力分析,為仿生裝袋結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[7]在結(jié)構(gòu)和理論基礎(chǔ)上添加了離合器，讓裝袋具有自動(dòng)定量功能；文獻(xiàn)[8]分析了當(dāng)前食用菌培養(yǎng)料裝袋機(jī)主要類型，并對(duì)立式和臥式裝袋機(jī)進(jìn)行了性能分析；文獻(xiàn)[9]通過單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)配合絞龍裝置完成裝袋，同時(shí)使用傳感器，使裝袋機(jī)具有自動(dòng)定量和安全防護(hù)；文獻(xiàn)[10]引入氣動(dòng)系統(tǒng)更換了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和產(chǎn)品升級(jí)。上述文獻(xiàn)都是在裝袋機(jī)的操作、安全和效率上升級(jí)和改善，并沒有在安全和效率本質(zhì)上得到解決。結(jié)合當(dāng)前食用菌的生產(chǎn)現(xiàn)狀和工廠化生產(chǎn)需求，考慮到氣動(dòng)技術(shù)的高效、安全、低成本的特征[11]，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、重量輕和無污染的優(yōu)點(diǎn)[12-14]，設(shè)計(jì)并制作了一種基于PLC三工位氣動(dòng)裝袋機(jī)，采用三工位布局使套袋和裝袋工序從結(jié)構(gòu)上分開，從結(jié)構(gòu)上徹底改變因工序重疊造成的安全問題，同時(shí)各工序獨(dú)立運(yùn)行，沒有等待時(shí)間，提升設(shè)備工作效率。

1 三工位氣動(dòng)裝袋裝置組成和工作原理

本系統(tǒng)是針對(duì)食用菌生產(chǎn)過程中為裝袋操作的專用設(shè)備。料袋規(guī)格為直徑18 cm,長(zhǎng)度為58 cm的一端封口的塑料袋。

1.1 三工位氣動(dòng)裝袋裝置的組成

食用菌代替料栽培裝袋主要工作是將木腐混合料(主要是木屑、麥麩、石膏粉、水等混合物)裝入一定直徑和長(zhǎng)度的塑料袋中，且硬度均勻適中，袋口截面整齊。該裝置主要由機(jī)器機(jī)架、三工位轉(zhuǎn)盤裝置(內(nèi)含絞龍裝置、電磁離合器、轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸和3個(gè)套筒)、尾座移動(dòng)氣缸(抱筒)、位置傳感器系統(tǒng)(內(nèi)含前、中、后3個(gè)裝袋位置感器和1個(gè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)定位傳感器)以及其他輔助裝置等幾部分組成，詳細(xì)如圖1所示。

1.機(jī)器機(jī)架 2.電動(dòng)機(jī) 3.觸摸屏 4.三工位轉(zhuǎn)盤 5.尾座抱筒導(dǎo)向臺(tái) 6.尾座導(dǎo)軌 7.三工位旋轉(zhuǎn)氣缸 8.入料口 9.混料室 10.尾座氣缸 11.尾座抱筒圖1 三工位氣動(dòng)裝袋裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 三工位氣動(dòng)裝袋裝置的工作原理

系統(tǒng)初始化完成后，三工位轉(zhuǎn)盤套筒上已套上塑料袋且其中工位套筒1(見圖2)與尾座抱筒共線。按下系啟動(dòng)按鈕，電機(jī)啟動(dòng)，木腐混合料由供料裝置從入料口8進(jìn)入混料室9，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動(dòng)沿尾座導(dǎo)軌6快速移動(dòng)至轉(zhuǎn)盤前端，套在套筒外部；當(dāng)套筒的前置傳感器檢測(cè)到完全裝袋位置后，該工位套筒外端面上的電磁離合器動(dòng)作，帶動(dòng)其內(nèi)部的絞龍旋轉(zhuǎn)，絞龍輸送混料室9內(nèi)的混合料往袋內(nèi)裝料，此時(shí)尾座抱筒11在尾座氣缸10作用下沿尾座導(dǎo)軌6后往尾座方向工退，利用絞龍推料移動(dòng)和尾座氣缸移動(dòng)的速度差完成裝袋操作(裝袋的虛實(shí)程度與兩者的速度差成正比)；當(dāng)裝袋長(zhǎng)度到達(dá)預(yù)定長(zhǎng)度后(中置傳感器檢測(cè)到位置)，尾座暫停移動(dòng)，絞龍做延時(shí)后停止工作，完成裝袋的袋口料截面收緊工作；待截面收緊完成后，尾座抱筒11快速后退，完成一次裝袋操作；尾座快退至尾部后(后置傳感器檢測(cè)到位置)，旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)三工位轉(zhuǎn)盤上的工位套筒2(見圖2)與尾座共線位置，位置確定后，尾座抱筒11由尾座氣缸10帶動(dòng)快速移動(dòng)至轉(zhuǎn)盤前端，進(jìn)行第二袋裝袋操作，依次循環(huán)，完成不停機(jī)連續(xù)裝袋操作。

1.3 三工位轉(zhuǎn)盤

三工位轉(zhuǎn)盤是系統(tǒng)的核心部件，主要由絞龍裝置、電磁離合器、轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸和3個(gè)套筒組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.電磁離合器 2.三工位法蘭盤 3.絞龍裝置 4.三工位套筒1 5.三工位套筒2 6.三工位套筒3圖2 三工位轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

三工位轉(zhuǎn)盤裝置包含3套獨(dú)立套筒(每個(gè)裝套筒均有內(nèi)絞龍、筒端有電磁離合器)，3個(gè)獨(dú)立裝套筒在空間上間隔120°，3套獨(dú)立裝筒內(nèi)部和混料室相互貫通，三工位轉(zhuǎn)盤固定在機(jī)架上，旋轉(zhuǎn)氣缸通過法蘭盤連接，實(shí)現(xiàn)按工位轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)配置有轉(zhuǎn)動(dòng)到位傳感器，確保在裝袋過程中，使套筒和尾座抱筒在同一軸線上。系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)氣缸完成轉(zhuǎn)動(dòng)，利用一位置傳感器檢測(cè)位置，詳細(xì)氣動(dòng)回路如圖3中三工位旋轉(zhuǎn)氣缸所示。

2 三工位氣動(dòng)裝袋裝置氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的氣動(dòng)原理如圖3所示。系統(tǒng)由氣泵、氣源兩聯(lián)件、單向節(jié)流閥、電磁換向閥、雙作用氣缸和三工位旋轉(zhuǎn)氣缸組成。

1YA、3YA:二位五通單電磁換向閥 2YA：二位三通單電磁換向閥圖3 氣動(dòng)原理圖

2.2 尾座抱筒裝置

木腐菌裝袋操作的核心是尾座的水平移動(dòng)和三工位套筒內(nèi)絞龍裝置旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)的合成。抱筒裝置固定在尾座的尾座氣缸上，是由上下2個(gè)半圓筒構(gòu)成，由尾座氣缸帶動(dòng)抱筒沿著導(dǎo)軌在尾座導(dǎo)向臺(tái)運(yùn)動(dòng)，完成(閉合時(shí))合裝袋和(分開時(shí))脫袋工作操作。尾座抱筒運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：快進(jìn)(上筒操作)→工退(工藝裝袋)→快退運(yùn)動(dòng)(脫袋)。電磁閥動(dòng)作與傳感器配合情況如表1所示。氣動(dòng)控制回路如圖3中尾座氣缸所示。

表1 電磁閥與傳感器情況

3 三工位氣動(dòng)裝袋裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型與I/O分配

三工位氣動(dòng)裝袋裝置的電機(jī)為1.0 kW三相交流電機(jī)，氣泵電機(jī)220 V外部電源供電，傳感器采用三線制金屬式接近開關(guān)，電磁離合器采用24 V干式單片電磁離合器，工作溫度-20～50 ℃，工作頻率是60～100次/min。根據(jù)控制要求，需要輸入8路，輸出8路，輸入、輸出具體分配見表2。系統(tǒng)選用抗擾能力強(qiáng)，工作可靠，性價(jià)比較高的信捷XC3-24R-E，該型號(hào)PLC有14 路輸入，10 路輸出。PLC控制系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)接線圖

表2 三工位氣動(dòng)裝袋裝置控制系統(tǒng)I/O分配表

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備工作情況以及裝袋的工藝控制要求，PLC采用邏輯和順序控制形式編寫程序，功能圖如圖5所示。

圖5 PLC控制功能圖

此外系統(tǒng)添加觸摸屏，更加直觀的顯示設(shè)備的工作狀態(tài)，方便系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的修改與設(shè)定。觸摸屏界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)觸摸屏界面

本系統(tǒng)控制的時(shí)序性要求精準(zhǔn)，位置度要求準(zhǔn)確，PLC控制與傳感器的結(jié)合很好地解決了這一點(diǎn)，同時(shí)在裝袋完成時(shí)添加延時(shí)程序，保證裝袋工藝，達(dá)到袋基的硬度均勻，且封口處斷面平整，便于后期封口操作。此外系統(tǒng)還使用觸摸屏，讓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)得以顯示，提高了系統(tǒng)的科技感和設(shè)備參數(shù)調(diào)整的方便性。

3 結(jié)論

目前該裝置已研制成功，在河南香菇主產(chǎn)區(qū)西峽的幾個(gè)食用菌生產(chǎn)基地完成測(cè)試，成為公司的定型產(chǎn)品。該氣動(dòng)裝袋裝置具有以下特征：

(1) 采用氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了氣壓系統(tǒng)動(dòng)作迅速，無污染的特征。此外抱筒裝置前進(jìn)或者后退速度以及裝袋實(shí)虛程度，可以通過調(diào)節(jié)在氣路上排氣閥、節(jié)流閥進(jìn)行相關(guān)工藝參數(shù)調(diào)整，方便，避免電氣參數(shù)調(diào)整或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便優(yōu)點(diǎn)；

(2) 三工位的設(shè)計(jì)布局，在空間上使套袋工序和裝袋2個(gè)工序完全錯(cuò)開，解決傳統(tǒng)裝袋機(jī)上套袋和裝袋的工序重合，由于系統(tǒng)故障或者不穩(wěn)定因素給套袋操作者造成嚴(yán)重的人身安全事故，從結(jié)構(gòu)上徹底解決了傳統(tǒng)裝袋機(jī)因工序位置重合而形成不安全問題；

(3) 旋轉(zhuǎn)氣缸配合三工位轉(zhuǎn)盤，使套袋和裝袋2個(gè)工藝在空間上完全錯(cuò)開，讓套袋和裝袋工藝操作能同時(shí)進(jìn)行，提升設(shè)備的效率，相同情況下，與傳統(tǒng)單筒結(jié)構(gòu)相比，減少時(shí)間等待，使裝袋效率得以提升；同時(shí)氣動(dòng)+三工位組合，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減輕系統(tǒng)的總體重量，便于轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)，增加設(shè)備的靈活度。

綜上述基于PLC控制的三工位氣動(dòng)裝袋裝置，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)安全性，提生了生產(chǎn)效率，促進(jìn)食用菌生產(chǎn)和食用菌生產(chǎn)的工廠化進(jìn)程 。