袋栽食用菌液體菌種接種機智能控制系統設計

張 曄，徐名漢，景全榮，馬顯軍，陳月鋒，崔 亮，黃允魁

(1.中國包裝和食品機械有限公司，北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機械有限公司，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、氨基酸，低脂、低熱、易消化，符合現代人們健康飲食的需求。目前，我國食用菌產值占比在農業中僅次于糧油果蔬，居第5位[1-3]。2000年全國食用菌總產量為660多萬t(鮮品，下同)，2019年發展到3 933.87萬t。按品種統計，產量在前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，成為我國食用菌產業的主要栽培方式[4]。但袋栽設備的技術發展還相對滯后，特別是液體菌種接種環節，尚處在人工接種狀態，機械化程度較低，很難保證接種時的清潔度，極易造成雜菌感染，而液體菌種具有純度高、活力強和繁殖力快，以及接入到培養基內具有流動性好、萌發快、發菌質量高和出菇周期短的特點，有著固體菌種不可比擬的優越性，成為食用菌行業的菌種發展方向，因此開發袋栽食用菌液體菌種高效接種技術與裝備是食用菌規模化發展和安全生產的必然要求，開展液體菌種接種機智能控制系統研究是當務之急[5-7]。

食用菌自動化設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[8-9]。PLC在工廠化生產中抗干擾性強、穩定性高，友好的人機交互平臺及多樣的通訊接口為生產提供了更加智能化的操作體驗。伺服控制系統通過通訊接口與PLC互聯，可增強機械動作的精準性[10]。本文研究設計一種以PLC為核心的袋栽香菇液體菌種接種機智能控制系統，實現對不規則形態的袋栽香菇菌棒的上料、打孔、接種、貼膜四位一體功能。實踐表明，裝備本智能控制系統的袋栽香菇液體菌種接種機運行穩定、可操作性強、接種量準確、接種效率高，種穴貼膜成功率高達95%以上，可以滿足袋栽香菇規模化生產液體接種的需要。

1 工作原理與控制要求

袋栽香菇液體菌種接種機結構如圖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 5.貼膜光纖傳感器 6.貼膜步進電機 7.接種擋板 8.輸送帶2電機 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 13.打孔擋板 14 .打孔工位檢測傳感器 15.打孔工位夾板圖1 接種機結構Fig.1 Structure of inoculator

該接種機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根菌棒同時作業，每根菌棒可接種4個孔穴，完成一次作業共接種16孔穴。香菇菌棒液體接種工藝由打孔、接種和貼膜3個工序組成，每道工序之間為連續作業。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作，接種過程時序如圖2所示。接種工序作用是在菌棒上打好的孔內接種菌液，包括菌棒輸送、菌棒定位、菌棒夾持和菌棒接種動作。貼膜工序作用是保證接種的菌液不受外界細菌感染，包括菌棒輸送、信號檢測和菌棒貼膜動作。

圖2 接種時序Fig.2 Timing of inoculation

打孔子程序包括上料和打孔兩個工位的控制，兩個工位共用一條傳送帶。上料工位位于設備最前端，可由人工手動上料，也可由機械手自動上料，但無論人工或機械上料，4個菌棒不可能整齊歸一，為防止個別菌棒沒有對齊造成的打孔、接種和貼膜工作錯亂，上料工位采用全通道光電檢測智能識別，特在擋板前端每個菌棒通道上分別設有1個光電傳感器，對每個菌棒到達位置進行檢測，當4個光電傳感器全部得電，則說明4個菌棒全部到位，進行上料等待。待打孔工位已完成上一組菌棒打孔作業發出指令后，上料擋板抬起，后續菌棒方可進入打孔工序。當菌棒全部離開上料工位，即4個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，培養基料擠壓易變形，因此在打孔工位左右設有對中夾板，打孔時夾板夾緊菌棒，防止菌棒因打孔變形過大而產生錯位。菌棒到達打孔工位后，位于打孔擋板前的光電傳感器得電，傳送帶1停止運行，打孔夾板夾緊，打孔氣缸下降并完成打孔。打孔氣缸運行至中位，且接種工位空閑時，打孔擋板上升、傳送帶1運行，菌棒進入接種工位。當菌棒全部離開打孔工位，擋板下降，等待下一批菌棒到達打孔工位。

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，接種工位也設置了擋板和左右夾板，以確保接種定位準確。接種裝置上方設有菌液緩沖壓力罐，接種時保證壓力均衡，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。貼膜是接種機自動化難度最大的部分，其控制難點在于菌棒前端形狀不規則、外徑尺寸不一致，導致位置檢測難度增大。一組4孔位連續貼膜，對貼膜精度要求較高。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，控制步進電機位移，完成貼膜，步進電機的位移由PLC發出高速脈沖數控制。

2 控制系統設計

2.1 總體設計

液體菌種接種機共設有上料、打孔、接種和貼膜4個工位，其中上料和打孔共用一個輸送電機。上料、打孔、接種和貼膜4個工序相互獨立又存在關聯。當任意工位出現故障時，其前段工序全部停止，后段工序可繼續工作到本次作業結束。本系統涉及生產節拍控制、順序控制、報警系統和數據整理等控制方式。控制終端：傳送帶變頻電機；貼膜步進電機；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。信號發送設備：送料、打孔、接種光電傳感器；全部氣缸動作到位信號；貼膜定位光纖傳感器。

2.2 硬件系統設計

本系統硬件設計如圖3所示。PLC使用西門子公司的S7-1200系列產品。S7-1200系列產品可靠性高、支持協議多樣并帶有豐富的擴展模塊，在生產的各個領域具有極其廣泛的應用。CPU選用型號為1214C，本機帶有1個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，可發送4組高速脈沖，滿足貼膜機4臺伺服電機控制的要求。另外，該CPU可連接7個擴展模塊，滿足本系統數字量I/O點的要求。

圖3 硬件系統設計Fig.3 Hardware system design

目前，多數控制系統采用模擬信號控制變頻器，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在傳輸過程中存在干擾，很難達到精確控制的要求。為避免上述問題，本系統變頻器選用內置有IE通訊接口的西門子公司G120C系列產品，PLC通過IE通訊端口變頻器進行通信，對電機轉速進行設定，同時讀取變頻器的相關運行參數。

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，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 軟件系統設計

軟件設計采用西門子博途(TIA Portal V15.1)軟件平臺，該平臺集成了STEP 7、WinCC和SINAMICS Startdrive等設計軟件，在同一平臺上即可完成程序編寫、HMI設計及變頻器的調式工作，極大地增加了設計的協同性，減輕工作量。

系統包括主程序、打孔子程序、接種子程序、貼膜子程序、報警子程序、數據統計及參數設定子程序。系統設有初始化過程，確保系統上電處于安全狀態。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。所有氣缸及單機都帶有手動模式，方便設備檢修。當設備故障時，會觸發報警，并在觸摸屏上顯示報警信息。數據統計功能可統計一個生產周期的產量，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

接種機正常工作時處于全自動運行狀態，當菌棒或設備發生異常時會自動發生警報，并精確顯示故障點及排除故障方式。故障排除后，用戶可根據現場情況選擇在當前狀態下繼續自動接種，也可重新初始化設備后再繼續自動接種。

2.4 HMI設計

PLC與HMI的連接使用IE通訊。HMI選用西門子公司推出的SIMATIC HMI設備TP900，并使用西門子設計軟件WinCC Advanced V15進行畫面設計。

HMI畫面包括設備總覽畫面、貼膜畫面、參數設置畫面及手動操作畫面，如圖6所示。總覽畫面可 監控接種機的運行狀態，包括傳送帶電機、氣缸位置和傳感器狀態等。貼膜畫面可監控4個貼膜機的狀態，以及參數的修改。全部系統參數均可在觸摸屏上進行修改，包括各個氣缸動作的延時等。實踐證明，恰當地調整氣缸工作時間間隔，可最大程度增加接種機的工作效率。

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

3 試制與試驗

設計的智能控制系統安裝布置在試制的接種機上，如圖7所示。經負載試驗，該機可在輔助上料的情況下，連續自動完成打孔、接種和貼膜作業，抗干擾能力強，故障率低。經過反復測試調整各時間參數、貼膜參數，不斷優化邏輯關系參數，最終達到每組菌棒接種時間為4.5 s，實現接種效率3 200袋/h，貼膜成功率>95%。

圖7 接種機樣機Fig.7 Prototype of inoculation machine

4 結論

本控制系統使用Profinet工業以太網通訊技術實現了PLC、變頻器和HMI間的數據傳輸。提供以太網接口，可加入企業內網，方便客戶讀取數據信息，為實現工業4.0打下基礎。全部設備均可在操作屏上進行監控；全部系統參數均可在觸摸屏上進行修改；設有手動/自動切換功能，方便設備維修；設有報警功能，保證安全生產；設有數據統計功能，方便企業管理。

袋栽香菇液體菌種接種機控制系統經過測試，全部信號、電機和氣缸運轉正常，一次作業可完成輸送、打孔、接種和貼膜動作，實現產能3 200袋/h，經生產試驗，設備運轉平穩，開發的智能控制系統操作方便，系統穩定，該機既可單機使用，也可方 便與生產線并線聯動使用，整體技術填補了國內空白，該機研制成功，將為我國袋栽食用菌產業生產模式的轉型升級提供裝備。