張 曄，徐名漢，景全榮，馬顯軍，陳月鋒，崔 亮，黃允魁

(1.中國包裝和食品機(jī)械有限公司，北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，北京 100083)

0 引言

我國食用菌種類豐富，種植食用歷史悠久。食用菌富含蛋白質(zhì)、氨基酸，低脂、低熱、易消化，符合現(xiàn)代人們健康飲食的需求。目前，我國食用菌產(chǎn)值占比在農(nóng)業(yè)中僅次于糧油果蔬，居第5位[1-3]。2000年全國食用菌總產(chǎn)量為660多萬t(鮮品，下同)，2019年發(fā)展到3 933.87萬t。按品種統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)量在前3位的品種依次是香菇、黑木耳和平菇，成為我國食用菌3大種植品種。袋栽食用菌已占我國食用菌栽培總量的70%以上，成為我國食用菌產(chǎn)業(yè)的主要栽培方式[4]。但袋栽設(shè)備的技術(shù)發(fā)展還相對(duì)滯后，特別是液體菌種接種環(huán)節(jié)，尚處在人工接種狀態(tài)，機(jī)械化程度較低，很難保證接種時(shí)的清潔度，極易造成雜菌感染，而液體菌種具有純度高、活力強(qiáng)和繁殖力快，以及接入到培養(yǎng)基內(nèi)具有流動(dòng)性好、萌發(fā)快、發(fā)菌質(zhì)量高和出菇周期短的特點(diǎn)，有著固體菌種不可比擬的優(yōu)越性，成為食用菌行業(yè)的菌種發(fā)展方向，因此開發(fā)袋栽食用菌液體菌種高效接種技術(shù)與裝備是食用菌規(guī)?；l(fā)展和安全生產(chǎn)的必然要求，開展液體菌種接種機(jī)智能控制系統(tǒng)研究是當(dāng)務(wù)之急[5-7]。

食用菌自動(dòng)化設(shè)備在控制上廣泛采用可編程邏輯控制器(PLC)及伺服控制系統(tǒng)[8-9]。PLC在工廠化生產(chǎn)中抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，友好的人機(jī)交互平臺(tái)及多樣的通訊接口為生產(chǎn)提供了更加智能化的操作體驗(yàn)。伺服控制系統(tǒng)通過通訊接口與PLC互聯(lián)，可增強(qiáng)機(jī)械動(dòng)作的精準(zhǔn)性[10]。本文研究設(shè)計(jì)一種以PLC為核心的袋栽香菇液體菌種接種機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則形態(tài)的袋栽香菇菌棒的上料、打孔、接種、貼膜四位一體功能。實(shí)踐表明，裝備本智能控制系統(tǒng)的袋栽香菇液體菌種接種機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)、接種量準(zhǔn)確、接種效率高，種穴貼膜成功率高達(dá)95%以上，可以滿足袋栽香菇規(guī)?；a(chǎn)液體接種的需要。

1 工作原理與控制要求

袋栽香菇液體菌種接種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從左往右依次為上料工位、打孔工位、接種工位和貼膜工位。

1.上料檢測傳感器 2.上料擋板 3.打孔氣缸 4.輸送帶3電機(jī) 5.貼膜光纖傳感器 6.貼膜步進(jìn)電機(jī) 7.接種擋板 8.輸送帶2電機(jī) 9.接種工位檢測傳感器 10.接種工位夾板 11.接種氣缸 12.輸送帶1電機(jī) 13.打孔擋板 14 .打孔工位檢測傳感器 15.打孔工位夾板圖1 接種機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of inoculator

該接種機(jī)適用于香菇菌袋尺寸為170 mm×550 mm(折徑×長度)，充填扎口后尺寸為108 mm×420 mm(直徑×長度)的香菇菌棒，傳送帶上可供4根菌棒同時(shí)作業(yè)，每根菌棒可接種4個(gè)孔穴，完成一次作業(yè)共接種16孔穴。香菇菌棒液體接種工藝由打孔、接種和貼膜3個(gè)工序組成，每道工序之間為連續(xù)作業(yè)。打孔工序作用是為菌棒接種菌液提供種穴，包括菌棒上料、菌棒輸送、菌棒定位、菌棒夾持和菌棒打孔動(dòng)作，接種過程時(shí)序如圖2所示。接種工序作用是在菌棒上打好的孔內(nèi)接種菌液，包括菌棒輸送、菌棒定位、菌棒夾持和菌棒接種動(dòng)作。貼膜工序作用是保證接種的菌液不受外界細(xì)菌感染，包括菌棒輸送、信號(hào)檢測和菌棒貼膜動(dòng)作。

圖2 接種時(shí)序Fig.2 Timing of inoculation

打孔子程序包括上料和打孔兩個(gè)工位的控制，兩個(gè)工位共用一條傳送帶。上料工位位于設(shè)備最前端，可由人工手動(dòng)上料，也可由機(jī)械手自動(dòng)上料，但無論人工或機(jī)械上料，4個(gè)菌棒不可能整齊歸一，為防止個(gè)別菌棒沒有對(duì)齊造成的打孔、接種和貼膜工作錯(cuò)亂，上料工位采用全通道光電檢測智能識(shí)別，特在擋板前端每個(gè)菌棒通道上分別設(shè)有1個(gè)光電傳感器，對(duì)每個(gè)菌棒到達(dá)位置進(jìn)行檢測，當(dāng)4個(gè)光電傳感器全部得電，則說明4個(gè)菌棒全部到位，進(jìn)行上料等待。待打孔工位已完成上一組菌棒打孔作業(yè)發(fā)出指令后，上料擋板抬起，后續(xù)菌棒方可進(jìn)入打孔工序。當(dāng)菌棒全部離開上料工位，即4個(gè)光電傳感器全部失電后，擋板下降，等待下一批菌棒上料。

打孔工位位于上料工位之后。由于菌棒打孔時(shí)，培養(yǎng)基料擠壓易變形，因此在打孔工位左右設(shè)有對(duì)中夾板，打孔時(shí)夾板夾緊菌棒，防止菌棒因打孔變形過大而產(chǎn)生錯(cuò)位。菌棒到達(dá)打孔工位后，位于打孔擋板前的光電傳感器得電，傳送帶1停止運(yùn)行，打孔夾板夾緊，打孔氣缸下降并完成打孔。打孔氣缸運(yùn)行至中位，且接種工位空閑時(shí)，打孔擋板上升、傳送帶1運(yùn)行，菌棒進(jìn)入接種工位。當(dāng)菌棒全部離開打孔工位，擋板下降，等待下一批菌棒到達(dá)打孔工位。

接種子程序包含接種工位的控制。接種工位位于打孔工位之后，和打孔工位一樣，接種工位也設(shè)置了擋板和左右夾板，以確保接種定位準(zhǔn)確。接種裝置上方設(shè)有菌液緩沖壓力罐，接種時(shí)保證壓力均衡，工作一次可完成4根菌棒共16孔的均勻噴射接種。

貼膜子程序包含貼膜工位的控制。貼膜是接種機(jī)自動(dòng)化難度最大的部分，其控制難點(diǎn)在于菌棒前端形狀不規(guī)則、外徑尺寸不一致，導(dǎo)致位置檢測難度增大。一組4孔位連續(xù)貼膜，對(duì)貼膜精度要求較高。采用光纖傳感器，通過檢測菌棒高度與接種孔的高度差異，判斷接種孔的位置，控制步進(jìn)電機(jī)位移，完成貼膜，步進(jìn)電機(jī)的位移由PLC發(fā)出高速脈沖數(shù)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

液體菌種接種機(jī)共設(shè)有上料、打孔、接種和貼膜4個(gè)工位，其中上料和打孔共用一個(gè)輸送電機(jī)。上料、打孔、接種和貼膜4個(gè)工序相互獨(dú)立又存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)任意工位出現(xiàn)故障時(shí)，其前段工序全部停止，后段工序可繼續(xù)工作到本次作業(yè)結(jié)束。本系統(tǒng)涉及生產(chǎn)節(jié)拍控制、順序控制、報(bào)警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)整理等控制方式。控制終端：傳送帶變頻電機(jī)；貼膜步進(jìn)電機(jī)；打孔、接種、送料擋板、打孔擋板、接種擋板、打孔夾緊、接種夾緊氣缸。其中擋板用于菌棒的前后定位，夾緊氣缸用于菌棒的左右定位。信號(hào)發(fā)送設(shè)備：送料、打孔、接種光電傳感器；全部氣缸動(dòng)作到位信號(hào)；貼膜定位光纖傳感器。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。PLC使用西門子公司的S7-1200系列產(chǎn)品。S7-1200系列產(chǎn)品可靠性高、支持協(xié)議多樣并帶有豐富的擴(kuò)展模塊，在生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。CPU選用型號(hào)為1214C，本機(jī)帶有1個(gè)IE通訊，可與變頻器、觸摸屏和編程電腦通訊。帶有4軸控制功能，可發(fā)送4組高速脈沖，滿足貼膜機(jī)4臺(tái)伺服電機(jī)控制的要求。另外，該CPU可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，滿足本系統(tǒng)數(shù)字量I/O點(diǎn)的要求。

圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Hardware system design

目前，多數(shù)控制系統(tǒng)采用模擬信號(hào)控制變頻器，這種方式在硬件上不但增加了AI/AO模塊，而且由于模擬量信號(hào)在傳輸過程中存在干擾，很難達(dá)到精確控制的要求。為避免上述問題，本系統(tǒng)變頻器選用內(nèi)置有IE通訊接口的西門子公司G120C系列產(chǎn)品，PLC通過IE通訊端口變頻器進(jìn)行通信，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)讀取變頻器的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

選用歐姆龍小型光電傳感器，其外形小巧、安裝簡單、檢測精準(zhǔn)，用于檢測菌棒到位。選用松下FX-551系列光纖傳感器，可檢測菌棒孔的位置及深度，用于貼膜定位。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用西門子博途(TIA Portal V15.1)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)集成了STEP 7、WinCC和SINAMICS Startdrive等設(shè)計(jì)軟件，在同一平臺(tái)上即可完成程序編寫、HMI設(shè)計(jì)及變頻器的調(diào)式工作，極大地增加了設(shè)計(jì)的協(xié)同性，減輕工作量。

系統(tǒng)包括主程序、打孔子程序、接種子程序、貼膜子程序、報(bào)警子程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及參數(shù)設(shè)定子程序。系統(tǒng)設(shè)有初始化過程，確保系統(tǒng)上電處于安全狀態(tài)。主程序流程如圖4所示。打孔子程序、接種子程序和貼膜子程序流程如圖5所示。所有氣缸及單機(jī)都帶有手動(dòng)模式，方便設(shè)備檢修。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并在觸摸屏上顯示報(bào)警信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能可統(tǒng)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)周期的產(chǎn)量，方便匯總。

圖4 PLC主程序流程Fig.4 Flow of PLC main program

圖5 PLC子程序流程Fig.5 Flow of PLC subroutine program

接種機(jī)正常工作時(shí)處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)菌棒或設(shè)備發(fā)生異常時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)，并精確顯示故障點(diǎn)及排除故障方式。故障排除后，用戶可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇在當(dāng)前狀態(tài)下繼續(xù)自動(dòng)接種，也可重新初始化設(shè)備后再繼續(xù)自動(dòng)接種。

2.4 HMI設(shè)計(jì)

PLC與HMI的連接使用IE通訊。HMI選用西門子公司推出的SIMATIC HMI設(shè)備TP900，并使用西門子設(shè)計(jì)軟件WinCC Advanced V15進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)。

HMI畫面包括設(shè)備總覽畫面、貼膜畫面、參數(shù)設(shè)置畫面及手動(dòng)操作畫面，如圖6所示。總覽畫面可 監(jiān)控接種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括傳送帶電機(jī)、氣缸位置和傳感器狀態(tài)等。貼膜畫面可監(jiān)控4個(gè)貼膜機(jī)的狀態(tài)，以及參數(shù)的修改。全部系統(tǒng)參數(shù)均可在觸摸屏上進(jìn)行修改，包括各個(gè)氣缸動(dòng)作的延時(shí)等。實(shí)踐證明，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整氣缸工作時(shí)間間隔，可最大程度增加接種機(jī)的工作效率。

圖6 觸摸屏畫面Fig.6 Pictures of touch screen

3 試制與試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)安裝布置在試制的接種機(jī)上，如圖7所示。經(jīng)負(fù)載試驗(yàn)，該機(jī)可在輔助上料的情況下，連續(xù)自動(dòng)完成打孔、接種和貼膜作業(yè)，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低。經(jīng)過反復(fù)測試調(diào)整各時(shí)間參數(shù)、貼膜參數(shù)，不斷優(yōu)化邏輯關(guān)系參數(shù)，最終達(dá)到每組菌棒接種時(shí)間為4.5 s，實(shí)現(xiàn)接種效率3 200袋/h，貼膜成功率>95%。

圖7 接種機(jī)樣機(jī)Fig.7 Prototype of inoculation machine

4 結(jié)論

本控制系統(tǒng)使用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PLC、變頻器和HMI間的數(shù)據(jù)傳輸。提供以太網(wǎng)接口，可加入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，方便客戶讀取數(shù)據(jù)信息，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0打下基礎(chǔ)。全部設(shè)備均可在操作屏上進(jìn)行監(jiān)控；全部系統(tǒng)參數(shù)均可在觸摸屏上進(jìn)行修改；設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)切換功能，方便設(shè)備維修；設(shè)有報(bào)警功能，保證安全生產(chǎn)；設(shè)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，方便企業(yè)管理。

袋栽香菇液體菌種接種機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過測試，全部信號(hào)、電機(jī)和氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)正常，一次作業(yè)可完成輸送、打孔、接種和貼膜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能3 200袋/h，經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，開發(fā)的智能控制系統(tǒng)操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定，該機(jī)既可單機(jī)使用，也可方 便與生產(chǎn)線并線聯(lián)動(dòng)使用，整體技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，該機(jī)研制成功，將為我國袋栽食用菌產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供裝備。