于 航，李建軍，顏正英，葉貴清，王育捷

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127）

食用菌產(chǎn)業(yè)是21 世紀(jì)的“朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。但在東北等地區(qū)，由于技術(shù)落后，由一家一戶家庭作坊式發(fā)展起來的小型食用菌生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)施栽培過程中存在車間環(huán)境控制精度差、調(diào)控效率低導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下等問題[1]。在食用菌栽培環(huán)境調(diào)控方面，廣大食用菌行業(yè)科技工作者開展了大量研究，寧夏大學(xué)易文斌[2]針對(duì)杏鮑菇生長(zhǎng)環(huán)境的濕度因素，提出了基于PID算法的環(huán)境調(diào)控策略，利用Simulink 模擬和搭建PLC 電氣系統(tǒng)驗(yàn)證方案可行性，利用PID 算法對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，能夠很好地將環(huán)境濕度控制在設(shè)定范圍。山東建筑大學(xué)詹鵬飛等[3]提出了一種基于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)功能的食用菌生長(zhǎng)環(huán)境模糊控制方法。通過多組對(duì)照試驗(yàn)表明，含動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的模糊控制器在多種試驗(yàn)條件下，對(duì)比無動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的模糊控制器，超調(diào)量降低6.5%，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)良好。上述研究和技術(shù)大多應(yīng)用于大型規(guī)模化食用菌生產(chǎn)企業(yè)，調(diào)控效果雖好，但成本較高。文章針對(duì)小型食用菌生產(chǎn)企業(yè)，提出了基于實(shí)時(shí)調(diào)控設(shè)想，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)調(diào)控方法，以PLC 作為控制核心，搭建食用菌車間生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度高效精準(zhǔn)調(diào)控。

調(diào)控方法設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)精確采集方法

環(huán)境數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集是獲得良好調(diào)控效果的前提，當(dāng)前小型食用菌企業(yè)所使用的溫濕度傳感器在數(shù)量和布局方面存在偏差，多數(shù)使用單個(gè)傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，誤差較大。此外，傳感器安裝位置也是采集有效環(huán)境數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，因?yàn)槭秤镁訉?shí)體周圍的溫度和濕度才能真正影響到其生長(zhǎng)，當(dāng)前的控制系統(tǒng)的傳感器安裝位置大多在距離子實(shí)體較遠(yuǎn)的墻角處，所采集的環(huán)境參數(shù)不在有效范圍內(nèi)，其感知環(huán)境的能力較弱[4]，為解決溫控系統(tǒng)自身慣性大的問題，本設(shè)計(jì)在食用菌菌包5 cm 處安裝多個(gè)傳感器，多點(diǎn)采集食用菌生長(zhǎng)有效范圍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采集的精確度和有效性，數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程圖

（1）定義數(shù)據(jù)寄存器：PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器用于存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)，需要變更的數(shù)據(jù)等。將傳感器數(shù)據(jù)寄存器與PLC 數(shù)據(jù)寄存器關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)求和：將4 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)求和，根據(jù)PLC 求和運(yùn)算原理，首先求取1 號(hào)和2 號(hào)傳感器數(shù)據(jù)之和；再加上3 號(hào)傳感器數(shù)據(jù)；最后加上4 號(hào)傳感器數(shù)據(jù)，即得到4 個(gè)傳感器數(shù)據(jù)總和。

（3）取均值：運(yùn)用PLC 內(nèi)部DIV 指令，求取4 個(gè)傳感器（DIV D272 K4 D16）的數(shù)據(jù)的平均值，儲(chǔ)存在D16 中作為最終值。

環(huán)境參數(shù)精確調(diào)控方法

食用菌栽培環(huán)境調(diào)控過程中存在調(diào)控時(shí)滯問題。傳感器需要反應(yīng)時(shí)間，如當(dāng)傳感器采集到的當(dāng)前溫度低于設(shè)定值時(shí)，PLC 發(fā)出環(huán)境調(diào)控指令，空調(diào)設(shè)備開始工作，當(dāng)傳感器感知到當(dāng)前溫度滿足設(shè)定值，PLC 發(fā)出空調(diào)停止指令，但由于傳感器反應(yīng)時(shí)滯，此時(shí)溫度還會(huì)繼續(xù)升高，出現(xiàn)“過度調(diào)控”現(xiàn)象。對(duì)此，利用實(shí)時(shí)調(diào)控的方式啟停調(diào)控設(shè)備，且開啟時(shí)間和停止時(shí)間可根據(jù)不同目標(biāo)范圍進(jìn)行設(shè)定，直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，環(huán)境參數(shù)處于最佳范圍。此方法中實(shí)時(shí)調(diào)控的時(shí)間較短，原則上在5 s 以內(nèi)，短時(shí)調(diào)控以解決調(diào)控系統(tǒng)慣性大的問題。如當(dāng)前環(huán)境溫度低于設(shè)定值時(shí)，PLC 發(fā)出環(huán)境調(diào)控指令，開啟空調(diào)2～4 s 后關(guān)閉，10 s 后再次檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度是否達(dá)到設(shè)定范圍，若未達(dá)到，則繼續(xù)開啟空調(diào)，直到傳感器感知到當(dāng)前溫度滿足設(shè)定值，空調(diào)停止[5]。另外，在解決溫濕度耦合問題時(shí)，本系統(tǒng)采用模糊控制的方法控制溫濕度，具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性。調(diào)控過程如圖2 所示。

圖2 環(huán)境調(diào)控方法

栽培環(huán)境搭建

栽培試驗(yàn)在黑龍江省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，建設(shè)4 棟全封閉食用菌栽培車間，車間內(nèi)有菌包、菌包架等食用菌栽培設(shè)施，空調(diào)、軸流風(fēng)機(jī)、噴淋加濕系統(tǒng)、補(bǔ)光燈等環(huán)境影響設(shè)備。利用自動(dòng)化技術(shù)，以PLC 為控制核心，搭建設(shè)施栽培控制系統(tǒng)[6-7]。4 棟連體栽培車間及其控制系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3～4 所示。

圖3 四棟連體栽培車間

圖4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件搭建

傳感器選型

由于環(huán)境數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較多，每個(gè)車間有4 個(gè)傳感器，且采集點(diǎn)距離菌包較近，需選用小型傳感器。車間內(nèi)需要采集的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、光照度，通過篩選對(duì)比，最終選用高品質(zhì)的建大仁科品牌RS-GZ-N01 型溫度、濕度、光照度一體傳感器，具有RS485 信號(hào)輸出格式，溫度量程-40～60℃，精度±0.3℃，濕度量程0～98%，精度±2%，光照度量程0～65535Lx，精度±7%。

PLC 選型

輸出點(diǎn)數(shù)：每個(gè)車間配備1 個(gè)空調(diào)、1 個(gè)熱風(fēng)機(jī)、1 個(gè)電磁水閥、4 個(gè)補(bǔ)光燈、1 個(gè)軸流風(fēng)機(jī)（正反轉(zhuǎn)），共9 個(gè)輸出點(diǎn)，4 個(gè)車間共36 個(gè)輸出點(diǎn)。綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇臺(tái)達(dá)品牌DVP-16EC 基本型PLC，具備RS-232 與RS-485 兩種通訊端口，兼容MODBUS ASCII/RTU 通訊協(xié)議，PLC 主機(jī)輸出點(diǎn)數(shù)不夠，加裝16XP2、32XP2 和24XN2 三個(gè)擴(kuò)展模塊。

環(huán)境調(diào)控設(shè)備選型

為保證調(diào)控效率和精確度，空調(diào)、風(fēng)機(jī)、加濕系統(tǒng)[8]、補(bǔ)光系統(tǒng)等設(shè)備均選用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC 程序設(shè)計(jì)

按照控制工藝?yán)L制控制流程圖，如圖5 所示，PLC首先讀取預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)和當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，對(duì)兩者進(jìn)行比較后，發(fā)出相應(yīng)調(diào)溫、調(diào)濕、光照指令，動(dòng)作執(zhí)行后，檢測(cè)環(huán)境是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果達(dá)到，動(dòng)作停止，否則繼續(xù)檢測(cè)并執(zhí)行相應(yīng)調(diào)控動(dòng)作，直到達(dá)到預(yù)設(shè)值，觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備可對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)和指令進(jìn)行修改。

圖5 程序流程圖

根據(jù)控制流程，利用臺(tái)達(dá)PLC 編程軟件(Delta WPLSoft V2.4.6)，編寫梯形圖程序，自動(dòng)模式下控制系統(tǒng)正常工作，手動(dòng)模式用于調(diào)試。

HMI 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏選擇國(guó)產(chǎn)品牌昆侖通態(tài) TPC7062Ti 7英寸高亮度TFT 液晶顯示屏，利用MCGS 組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)食用菌栽培車間組態(tài)畫面，將HMI 各變量與PLC 對(duì)應(yīng)變量綁定，圖形化顯示車間內(nèi)設(shè)備及環(huán)境狀態(tài)。組態(tài)畫面包括主界面、曲線顯示、參數(shù)設(shè)置等模塊。主界面實(shí)時(shí)顯示4 個(gè)栽培車間內(nèi)環(huán)境參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況，曲線顯示負(fù)責(zé)顯示歷史及當(dāng)前環(huán)境變量變化曲線，參數(shù)設(shè)置用于設(shè)定環(huán)境參數(shù)范圍、實(shí)時(shí)調(diào)控時(shí)間等，如圖6～9。

圖6 主界面

圖7 設(shè)置界面

圖8 定時(shí)界面

圖9 配方界面

試驗(yàn)驗(yàn)證

在同一車間進(jìn)行兩次環(huán)境參數(shù)調(diào)控試驗(yàn)，將溫度、濕度、光照度參數(shù)設(shè)定后，開啟自動(dòng)運(yùn)行模式，直到當(dāng)前車間環(huán)境參數(shù)到達(dá)設(shè)置值，測(cè)試結(jié)束，記錄調(diào)控所用的時(shí)間及誤差。兩次試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果

由調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果，第一次試驗(yàn)為降溫升濕過程，用時(shí)23 min，溫度從29℃降至25℃，誤差1℃，濕度從70% 升至81%，誤差1%，光照度為開關(guān)量控制，未做試驗(yàn)。第二次試驗(yàn)為升溫降濕過程，調(diào)控用時(shí)11 min，溫度從25℃升至29℃，誤差1℃，濕度從86% 降至70%，誤差為零，光照度未做試驗(yàn)。兩次調(diào)控誤差和用時(shí)均在允許范圍內(nèi)。

另外，第一次調(diào)控試驗(yàn)用時(shí)較第二次長(zhǎng)，這是由于第一次試驗(yàn)在降溫升濕過程中，空調(diào)降溫同時(shí)會(huì)抽濕，與噴淋加濕產(chǎn)生沖突，用時(shí)較長(zhǎng)。

結(jié)論

基于實(shí)時(shí)調(diào)控的思想，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)調(diào)控方法，以最佳調(diào)控效率為目標(biāo)，實(shí)時(shí)啟?？照{(diào)、熱風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)等環(huán)境調(diào)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度高效精準(zhǔn)調(diào)控。搭建栽培車間進(jìn)行設(shè)施栽培試驗(yàn)，利用智能檢測(cè)與控制技術(shù)，將設(shè)計(jì)的控制方法融入控制流程，PLC 作為控制核心向調(diào)控設(shè)備發(fā)出啟停指令，經(jīng)試驗(yàn)，兩次調(diào)控過程用時(shí)在11～23 min之間，調(diào)控誤差在允許范圍之內(nèi)，車間環(huán)境溫濕度調(diào)控精度及效率滿足生產(chǎn)需求，以期為食用菌高效生產(chǎn)提供理論參考與技術(shù)支持。