食用菌工廠化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計

錢振華，王秦越，何彥虎，張 芹

（湖州職業(yè)技術學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000）

1 引言

食用菌由于其味道鮮美、營養(yǎng)豐富，一直以來是人們餐桌上的一道美食。所謂食用菌的工廠化生產(chǎn)，即根據(jù)食用菌的生長過程，采用工業(yè)化生產(chǎn)設施，人工創(chuàng)造食用菌的生長環(huán)境，并按照一定的工藝流程實現(xiàn)食用菌的周年化、標準化生產(chǎn)[1]。食用菌工廠化生產(chǎn)起源于上世紀50年代前后，之后在歐美、日韓等國家發(fā)展迅速。我國的食用菌工廠化生產(chǎn)模式起步較晚，從上世紀90年代后才逐漸興起。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國食用菌產(chǎn)量已居世界第一[2]。目前，隨著信息技術的日新月異，食用菌工廠化正在從機械化、自動化朝著智能化方向發(fā)展。

在食用菌的工廠化生產(chǎn)過程中，往往涉及到食用菌瓶或食用菌袋在不同車間的傳遞和輸送。以瓶栽食用菌為例，就包含了裝瓶、碼垛、輸送、拆垛、出菇、采菇包裝和挖瓶等輸送與控制工藝環(huán)節(jié)[3]。如何實現(xiàn)上述工藝環(huán)節(jié)的有機組合、自動高效及穩(wěn)定運行是保證食用菌工廠化生產(chǎn)的重要前提。本文以瓶栽食用菌的工廠化生產(chǎn)為例，分析了裝瓶車間、包裝車間和挖瓶車間的組成結構和工作原理；采用可編程控制器和人機界面技術來控制整條生產(chǎn)線的自動化運行，并運用結構化編程語言編寫了控制程序；采用變頻調速技術來控制碼垛機械手的升降，保證了食用菌工廠化生產(chǎn)的高效運行，減輕了工人的勞動強度。

2 食用菌工廠化生產(chǎn)線組成

以河北某大型食用菌工廠化生產(chǎn)線為例，其主要由裝瓶車間、滅菌車間、接種車間、育種車間、出菇車間、包裝車間、挖瓶車間等組成，產(chǎn)品為瓶栽金針菇。圖1為裝瓶車間輸送系統(tǒng)，由輥子輸送線、金針菇培養(yǎng)料裝瓶機和碼垛機等組成。其中，輥子輸送線需要將裝有空瓶的培養(yǎng)框分流輸送至每臺裝瓶機，并且要實時匹配每臺裝瓶機的裝瓶效率，保證每臺裝瓶機接收到的培養(yǎng)框數(shù)量相同。裝瓶機對空瓶裝填培養(yǎng)料后，再經(jīng)過輥子輸送線輸送至碼垛機，對培養(yǎng)框進行自動碼垛，再通過叉車集中搬運至滅菌車間。自動碼垛系統(tǒng)采用機械式升降橫移式結構，每小時最多可完成20個堆垛，并配有氣動機械手；機械手工作一次就能抓取一層6只培養(yǎng)框，共計96只培養(yǎng)瓶，且工作穩(wěn)定性高、操作與維護方便。整個裝瓶車間物流系統(tǒng)將輥子輸送線、裝瓶機、碼垛機等進行了系統(tǒng)集成，能按照生產(chǎn)節(jié)拍要求進行自動化運行，極大地提高了培養(yǎng)料裝瓶的效率。

圖1 裝瓶車間輸送系統(tǒng)

圖2 為包裝車間輸送系統(tǒng)，包括成菇輸送線、分流裝置、金針菇采摘后的廢料瓶輸送線等。裝有成菇的培養(yǎng)框通過成菇輸送線從菇房輸送至包裝車間，進行采摘、切根、包裝、打包等作業(yè)。包裝車間共有6條分支線，物流系統(tǒng)能夠按照每條分支線工人的工作效率自動分配成菇培養(yǎng)框的數(shù)量；并在每條分支線配備了獨立急停按鈕，保證了某條分支線在故障或工人離開情況下不會影響其他分支線的正常運行。工人采摘完成后，廢料瓶則通過輸送線自動輸送到挖瓶車間進行處理。

圖2 包裝車間輸送系統(tǒng)

圖3 為挖瓶車間輸送系統(tǒng)，包括了分流輸送線、挖瓶機、合流輸送線等。在裝有廢料瓶的培養(yǎng)框進入挖瓶機前，需通過分流輸送線按一定的規(guī)律和數(shù)量進行分配和輸送，通常先為每臺挖瓶機輸送2-3框廢料瓶，等挖瓶機工作完成后再進行下一批次的輸送，否則容易造成培養(yǎng)框的擠框和倒框。在挖瓶機挖完廢料瓶后，裝有空瓶的培養(yǎng)框將通過合流輸送線輸送至裝瓶車間。

圖3 挖瓶車間輸送系統(tǒng)

3 PLC控制系統(tǒng)的設計

PLC（可編程邏輯控制器）是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計[4]。PLC具有極高的工作穩(wěn)定性和可靠性，非常適合用于食用菌工廠化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。河北某大型食用菌工廠化生產(chǎn)線采用西門子CPU313C-2DP型PLC作為整條生產(chǎn)線的控制核心，以主從控制的模式同時對裝瓶、包裝、挖瓶車間的自動化設備進行集中協(xié)調控制，其控制結構如圖4所示。每一個從站模塊均具有64點數(shù)字量輸入和32點數(shù)字量輸出，可用于接收現(xiàn)場各類傳感器的信號、開關和急停信號，并控制生產(chǎn)線的輥子驅動電機、各類氣缸等執(zhí)行機構的運行和動作。各從站模塊與主站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線方式進行數(shù)據(jù)通訊，極大地簡化了布線，提高了信號傳輸?shù)目煽啃訹5]。

圖4 食用菌工廠化生產(chǎn)線控制結構

整條生產(chǎn)線控制工藝流程的實現(xiàn)依賴于PLC控制程序的設計。PLC程序主要包括主程序、系統(tǒng)邏輯控制程序、包裝車間輸送與運行程序、挖瓶車間輸送與運行程序和裝瓶車間輸送與運行程序等，程序運行流程如圖5所示。

圖5 PLC程序運行流程圖

該系統(tǒng)的控制程序采用基于結構化編程的思路進行編寫，便于后期的修改和調試。系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)對包裝車間、挖瓶車間等輸送與運行控制程序進行調用，并采用組織塊（OB）的方式進行編寫。采用西門子Simatic Manager軟件編寫的PLC部分主程序（OB1）如圖6所示。

圖6 PLC部分主程序

各車間輸送與運行程序是PLC控制程序的關鍵。由于各車間的輸送均是采用電機帶動輥子輸送機的執(zhí)行方式，分配均是采用氣動分路器與電機的執(zhí)行方式，控制對象具有相似性，故采用了功能塊（FB）的編程方式。以包裝車間分路器的控制為例，根據(jù)控制要求得出單個分路器所需的輸入、輸出接口，并為其建立數(shù)據(jù)塊（DB），用于存放分路器的運行參數(shù)；然后在FB功能塊中編寫分路器的控制子程序。

包裝車間1號分路器的功能塊程序（FB1）如圖7所示。

圖7 包裝車間1號分路器的功能塊程序

4 裝瓶車間碼垛機械手的升降控制

裝瓶車間碼垛機主要用于對培養(yǎng)框的自動碼垛，其機械手的升降控制采用了變頻調速技術。如圖8所示，在碼垛機機械手升降電機的變頻控制電路中，采用了西門子MM440（4KW）變頻器來控制額定功率為3.7kW的提升電機。為了提高機械手的抓取效率，機械手的升降過程需要快速制動，故采用了變頻器外接制動電阻的動態(tài)制動方式[6]。動態(tài)制動是一種能耗制動，它將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。正確地選擇和安裝制動電阻是保證制動效果并避免設備損壞的必要條件。一般情況下，所選制動電阻的阻值不能小于選型手冊中規(guī)定的數(shù)值，否則將造成變頻器損壞。西門子標準傳動產(chǎn)品提供的MM440系列制動電阻均按照P1237=1即5%制動周期的電阻。

變頻器主要參數(shù)設置為：P700=2，P1 000=3，P1 001=50，P1 002=25，P1 003=10，P1 004=-50，P1 005=-18，P1 006=-5。通過參數(shù)P1 001～P1 006可設定變頻器的多段速工作頻率，即可控制機械手提升與下降的速度快慢。

圖8 碼垛機機械手升降電機的變頻控制電路

5 系統(tǒng)人機界面的設計

人機界面是一種用于連接PLC、變頻器、直流調速器、儀表等工業(yè)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設備[7]。上述食用菌工廠化生產(chǎn)線采用了國產(chǎn)步科（Kinco）MT4513TE觸摸屏作為人機界面，用于對整條生產(chǎn)線進行啟停控制、狀態(tài)顯示、產(chǎn)量統(tǒng)計等。MT4513TE觸摸屏采用高性能32位400MHz RISC CPU，具有快速處理各類信息的能力；具備800*600的高分辨率，顯示畫面較為清晰；配備了RS232/RS485、10M/100M自適應以太網(wǎng)口等通訊接口，便于與上、下位機進行數(shù)據(jù)通訊。采用步科Kinco HMI-ware軟件設計的人機界面如圖9所示，操作者和管理人員可以通過人機界面控制整條生產(chǎn)線的運行，清晰地了解生產(chǎn)線的實時產(chǎn)量和工作狀態(tài)，并可根據(jù)故障信息及時采取相應措施保障生產(chǎn)的正常進行，極大地提高了生產(chǎn)效率。

6 結論

介紹了瓶栽食用菌工廠化生產(chǎn)線中的裝瓶車間輸送與運行系統(tǒng)、培養(yǎng)框碼垛輸送與運行系統(tǒng)、包裝車間輸送與運行系統(tǒng)和挖瓶車間輸送與運行系統(tǒng)的組成和工作原理。采用西門子CPU313C型PLC作為主控單元控制整條生產(chǎn)線的自動化運行，并通過結構化編程方法編寫了系統(tǒng)控制程序。在裝瓶車間碼垛機中，采用西門子MM440變頻器控制碼垛機械手的升降，并給出了變頻器的參數(shù)設置。系統(tǒng)采用步科MT4513TE觸摸屏作為人機界面，用于對整條生產(chǎn)線進行啟停控制、狀態(tài)顯示、產(chǎn)量統(tǒng)計等。目前該系統(tǒng)已在河北某大型食用菌生產(chǎn)基地投入使用，且運行穩(wěn)定，日產(chǎn)食用菌達100t以上。

圖9 系統(tǒng)人機界面