黃雙成，郜海超，趙戰(zhàn)國，劉士林，張 軍

（1.河南應用技術職業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450042；2.河南銘匠電氣有限公司，鄭州451191；3.西峽神威機械設備有限公司，河南西峽 474550）

0 引言

中國是食用菌生產(chǎn)大國，2019年我國食用菌總產(chǎn)量達3 961萬噸［1］，居世界第一位。食用菌產(chǎn)業(yè)是一項富民產(chǎn)業(yè)［2］，全國有超過70%的貧困地區(qū)將食用菌產(chǎn)業(yè)作為帶動農(nóng)民脫貧致富的產(chǎn)業(yè)進行重點支持［3］，食用菌產(chǎn)業(yè)自此走向了發(fā)展的快車道。

食用菌以料基劃分，主要有木腐菌和草腐菌2種。無論哪種方式，裝袋是袋料栽培的基礎環(huán)節(jié)，也是用工量最多，勞動強度最大的工序之一。除環(huán)境因素外，勞動力成本已經(jīng)成為制約食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵因素［4］，面對農(nóng)村勞動力短缺和當前國內(nèi)對菌袋裝料設備研究主要以菌袋裝料作業(yè)的單工序設備為主的局面［5］，研制一種應用于國內(nèi)農(nóng)村市場的袋料自動裝袋裝置十分必要，也是推動農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關鍵。

在食用菌袋料栽培研究基礎上，文獻［6］通過單片機、傳感器、電動機配合絞龍裝置完成裝袋，提升了食用菌裝袋環(huán)節(jié)的安全性；文獻［7］更換驅動方式，引入氣動系統(tǒng)，使裝袋機在運行、參數(shù)調(diào)整的便捷性方面得到改善；文獻［8］引入三工位轉盤結構，充分利用套袋工作間隙，使套袋和裝袋在空間分離，提升設備安全性，同時提升工作效率。上述文獻在食用菌裝袋的實現(xiàn)方式、安全性和工作效率上進行了改善和升級，但還是手動作業(yè)，并沒有實現(xiàn)套—裝一體化，裝袋的勞動強度并沒有得到明顯改善，食用菌自動裝袋設備還待繼續(xù)研究。

結合當前農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來工廠化需求，考慮到氣動技術的特征和優(yōu)點［9］，設計一種PLC控制的兩工位自動裝袋裝置。利用PLC控制和氣動驅動完成取袋［10］、開口、撐袋、套袋、裝袋5個基本動作，從而完成自動套袋、自動裝袋的工藝操作，徹底解決袋料栽培中裝袋環(huán)節(jié)勞動強度大［11］、自動化程度低的問題，加快食用菌產(chǎn)業(yè)裝備轉型升級，促進農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 兩工位自動裝袋裝置組成和工作原理

1.1 裝置的組成

兩工位自動裝袋裝置主要由機架本體、觸摸屏、兩工位轉盤、自動套袋、自動裝袋等部分組成，見圖1所示。

圖1 裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of bag device

1.2 裝置的工作原理

按照人工裝袋的工藝操作規(guī)范，將兩工位自動裝袋裝置抽象為以下幾個工藝部分：取袋→送袋→開口→撐袋→套袋→工位盤轉動→尾座前移→裝袋（絞龍旋轉）→成品袋入倉等。工作流程如圖2所示。

圖2 裝袋裝置工作流程圖Fig.2 Working flow chart of bag device

裝置將混合料料基自動裝入直徑為18 cm，長58 cm塑料袋中，且裝袋硬度均勻，完成后自動放入成品落料倉內(nèi)?；竟ぷ鬟^程如下：

裝置初始化后，送料機構將裝袋混合料（木屑、麥麩、石膏粉等）送入料斗中，入料口中的攪拌裝置將混合料推進混料室，此時上吸盤運行到儲料倉上方，完成吸袋；并攜帶空袋運動至下吸盤上方，到位后下吸盤動作完成開袋操作；之后撐袋裝置中的上下鴨嘴向后方移動，進入空袋后，鴨嘴張開完成撐袋操作；張開后的鴨嘴沿著導軌向轉盤的料筒移動，套在料筒外壁上，隨后鴨嘴快速退出完成套袋；此時轉盤轉過180°，讓兩工位套筒（已套袋的料筒）與尾座抱筒共線，尾座抱筒快速套在裝袋筒上，絞龍裝置運動，混合料推動尾座抱筒向后移動，檢測裝滿后，尾座快速向后移動，裝滿的袋子進入成品落料倉完成裝袋操作；與此同時兩工位的另外一個重新進入套袋工位，進行套袋作業(yè)，實現(xiàn)裝置在相同時間內(nèi)完成套袋和裝袋。

2 裝置的氣動回路設計

裝置中絞龍裝置使用三相交流電機拖動，其他部件均采用氣動實現(xiàn)，通過氣缸完成轉盤的轉動，下、上吸盤開口，鴨嘴撐袋、套袋以及抱筒的共進和快速回退實現(xiàn)裝袋等動作，從而完成取袋、開袋、撐袋、套袋和裝袋等5個工藝流程自動化作業(yè)，氣動回路如圖3所示。

圖3 裝置氣動回路圖Fig.3 Pneumatic circuit diagram of bag device

3 裝置電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 PLC選型與I/O分配

根據(jù)兩工位自動裝袋裝置的工藝需求和PLC選型的基本原則，裝置選用信捷PLC（XC3-24R-E型）做主控單元，配合電磁離合器和多個位置傳感器，同時加配I/O擴展模塊（XCE16PXYR-E型），實現(xiàn)對裝置的全面控制要求，系統(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1 裝袋裝置系統(tǒng)I/O分配表Tab.1 I/O allocation table of bag device system

3.2 裝置PLC電氣控制接線圖

根據(jù)食用菌裝袋工藝要求，按照工藝完整、時序準確原則，裝置選用PLC配合傳感器、電磁閥［12］、觸摸屏等實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，其裝置控制系統(tǒng)主電路如圖4所示；裝置PLC主模塊接線如圖5所示；裝置PLC擴展模塊接線如6圖所示。

圖4 裝置控制系統(tǒng)主電路Fig.4 Main circuit of the device control system

圖5 裝置PLC主模塊接線圖Fig.5 PLC main module wiring diagram of the device

圖6 裝置PLC擴展模塊接線圖Fig.6 PLC expansion module wiring diagram of the device

3.3 PLC程序設計

根據(jù)自動裝袋裝置的工藝、時序和位置控制需求，PLC嚴格邏輯時序和位置控制要求編寫功能圖程序如圖7所示。

圖7 裝置PLC程序Fig.7 Device PLC program

為了能夠顯示裝置工作的實時狀態(tài)，確保系統(tǒng)運行的可靠性，便于故障診斷，裝置采集系統(tǒng)運行的關鍵動作和參數(shù)，通過觸摸屏來實現(xiàn)人與裝置之間的人機交互，提高裝置操作的便捷性和監(jiān)控的直觀性。裝置對套袋和裝袋2個工位的監(jiān)控，詳細界面如圖8和圖9所示。

圖8 裝置套袋環(huán)節(jié)監(jiān)控界面Fig.8 Device bagging link monitoring interface

圖9 裝置裝袋環(huán)節(jié)監(jiān)控界面Fig.9 Loading-in-bag link monitoring interface of the device

4 測試結果與結語

2020年12月，系統(tǒng)樣機組裝完畢在某食用菌菌袋生產(chǎn)廠進行測試，測試結果如表2所示。

表2 裝置測試統(tǒng)計結果Tab.2 Statistical results of device test

（1）設計的兩工位自動裝袋裝置完成組裝并進行實踐測試，測試統(tǒng)計結果表明，能滿足實際生產(chǎn)要求。

（2）采用兩工位設計，充分利用套袋-裝袋工作工藝時間，提升了設備工作效率，實現(xiàn)食用菌裝袋生產(chǎn)中的套-裝一體化自動作業(yè)，有效助推農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）性能測試表明，兩工位自動裝袋裝置的平均生產(chǎn)率可以達到1 070袋/h以上，套-裝袋平均成功率達90%以上，裝袋后菌袋的平均重量約為2.91 kg/袋，且裝袋質(zhì)量均勻，能滿足生產(chǎn)實際需要。

綜上所述，設計的兩工位自動裝袋裝置能有效實現(xiàn)食用菌裝袋作業(yè)過程中套-裝環(huán)節(jié)的自動化生產(chǎn)，提升食用菌裝袋效率和產(chǎn)業(yè)化進程，加快農(nóng)村食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。