0引言

食用菌作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的一種重要產(chǎn)業(yè),僅次于糧、棉、油、菜和果,居第6位,其需求量連年遞增,其生產(chǎn)方式也在不斷革新^[1]。袋栽食用菌是近年發(fā)展比較成熟的一種食用菌生產(chǎn)方式,主要用在平菇、香菇和黑木耳等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、經(jīng)濟(jì)效益好、市場(chǎng)需求量比較大的食用菌生產(chǎn)過(guò)程中,現(xiàn)在絕大多數(shù)食用菌生產(chǎn)基本都采用袋栽方式進(jìn)行。

食用菌在生產(chǎn)過(guò)程中需要保持一定的濕度、溫度、養(yǎng)分等才能保證有較好的品質(zhì),為此在食用菌的生產(chǎn)過(guò)程中必須對(duì)菌棒進(jìn)行多次注水肥作業(yè)才能保證菌生長(zhǎng)在最佳狀態(tài)。目前,菌棒補(bǔ)水主要有注水法、浸泡法、直接噴淋法^[2]。

通過(guò)人工方式注水肥雖然注水肥方式簡(jiǎn)單,投資少,但是存在著作業(yè)效率低下、水肥資源浪費(fèi)大、注水肥效果難以保證等問(wèn)題。而簡(jiǎn)易的機(jī)械方式注水肥存在著無(wú)法精準(zhǔn)定量注入問(wèn)題,造成同一批次不同菌棒的注水肥數(shù)量、效果不佳等問(wèn)題。

為了破解菌棒注水肥過(guò)程中存在的上述難題,設(shè)計(jì)了一款基于PLC控制的自動(dòng)化注水肥裝置,此裝置可以精確控制注入每只菌棒的水肥量,而且使水肥資源得到了高效充分的利用,提高了菌棒的產(chǎn)量,降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1菌棒注水肥裝置總體設(shè)計(jì)

菌棒自動(dòng)化注水肥裝置的主要功能是完成菌棒注水肥作業(yè)過(guò)程中的定時(shí)、定量、自動(dòng)注水肥作業(yè),要求作業(yè)時(shí)自動(dòng)化程度高,節(jié)約水肥資源,同一批次菌棒注水肥效果一致性好。

由其主要功能分析,菌棒注水肥裝置主要由控制器、泵、傳感器、電磁閥等元件組成?？刂破魇钦麄€(gè)注水肥裝置的控制核心模塊。在注水肥作業(yè)前,裝置由用戶設(shè)置注水劑量、注水時(shí)間、注水壓力等各種作業(yè)參數(shù);裝置應(yīng)該具備就地與遠(yuǎn)程操作多種工作模式;注水的各項(xiàng)作業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠通過(guò)報(bào)表、曲線等方式呈現(xiàn)與查閱,關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)便于用戶分析優(yōu)化作業(yè)流程。除此之外,裝置應(yīng)該設(shè)缺水、加工異常等報(bào)警功能。

菌棒注水作業(yè)的流程是菌棒先由操作人員將菌棒放入注水作業(yè)架,完成稱重作業(yè)?？刂茊卧邮芊Q重作業(yè)數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)置的注水參數(shù)經(jīng)過(guò)相關(guān)程序運(yùn)算之后完成定量注水作業(yè),注水結(jié)束再次進(jìn)行稱重作業(yè),判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的注水效果。如果達(dá)到預(yù)先設(shè)定的注水質(zhì)量,則完成本批菌棒的注水作業(yè);如果未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的注水質(zhì)量,則再次啟動(dòng)補(bǔ)水注水作業(yè)。由上述食用菌菌棒注水裝置的主要功能及作業(yè)流程設(shè)計(jì),菌棒智能注水裝置電氣控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

PLC是菌棒注水裝置電氣控制系統(tǒng)的核心部件,是一種專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制器,具備數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、過(guò)程控制、通信聯(lián)網(wǎng)等強(qiáng)大功能。PLC組成的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高,尤其是其具有的通信聯(lián)網(wǎng)功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的遠(yuǎn)程控制,極大地方便了用戶對(duì)設(shè)備的控制與管理。在此裝置中,PLC主要用來(lái)控制水箱抽水泵的運(yùn)行、菌棒注水細(xì)管電磁閥的啟閉等,除此之外,還需能夠處理注入菌棒水肥的劑量、菌棒的質(zhì)量等模擬量,因此在PLC的選型中既要考慮數(shù)字量處理能力又要考慮模擬量處理能力,同時(shí)還需要兼顧與其他外設(shè)的集成。最終選擇德國(guó)西門子公司的S7—1200系列PLC。S7—1200系列PLC因其組態(tài)靈活、設(shè)計(jì)緊湊、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高而在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。在此裝置中,選擇CPU1215C AC/DC/RLY型PLC。

2.2 變頻器選型

基于PLC的菌棒注水裝置的主要功能是向菌棒 注入精準(zhǔn)的水肥。為此精準(zhǔn)控制注入水肥是整個(gè)裝置能否成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。水肥在注入菌棒之前需要維持一定的壓力,在此裝置中注入水肥的壓力是由泵的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓效果的。由于菌棒的生長(zhǎng)周期不同,批次不同,其菌棒的滲水程度不同,故注入時(shí)的壓力每批次均不同,為此需要對(duì)增壓的泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。變頻器可將工頻交流電轉(zhuǎn)換成頻率可控制的交流電,用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速和高精度控制,在自動(dòng)控制中被廣泛應(yīng)用^[3]。應(yīng)用變頻器調(diào)速,由于其輸出頻率精度可達(dá)到0.01%,故極大地提高了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度,使增壓泵電機(jī)在最節(jié)能最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。在菌棒注入裝置中增壓泵的功率是1.5 kw,故選擇變頻器的功率也為1.5 kw?？紤]到與其他自動(dòng)控制設(shè)備產(chǎn)品的一致性,選擇西門子公司的G120系列變頻器,G120系列變頻器是模塊化的變頻器,具有精度高、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn),它由接口單元、控制單元、功率單元三個(gè)模塊組成。為了便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,變頻器需配置智能操作面板(IOP)。

2.3注水針及驅(qū)動(dòng)氣缸選型

基于PLC的菌棒注水裝置作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是向菌棒精量注水肥,具體的注水肥任務(wù)是通過(guò)注水針將水肥注入菌棒內(nèi)部,注水針插入菌棒的運(yùn)動(dòng)需要一定的動(dòng)力裝置完成。穩(wěn)定可靠的直線運(yùn)動(dòng)控制方案可選擇步進(jìn)電機(jī)或直線氣缸兩種配置方案。在此裝置中,注水針的直線運(yùn)動(dòng)精度不需要特別精準(zhǔn)控制,并且運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服菌棒內(nèi)培養(yǎng)基對(duì)注水針一定的阻力,優(yōu)先考慮選擇氣缸作為注水針的驅(qū)動(dòng)裝置。氣缸由于所需的工作介質(zhì)為空氣,空氣具有用取之不盡、用之不竭的優(yōu)良特點(diǎn),且氣動(dòng)裝置運(yùn)行起來(lái)相對(duì)比較平穩(wěn),投資維護(hù)成本也較低,為此選擇氣缸作為注水針的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置是最為理想的配置方案。在此裝置中選擇原裝SMC系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)型氣缸,其型號(hào)為CP96SDB80-400C-A93,此氣缸最大行程為400mm,缸徑為80mm,氣缸運(yùn)動(dòng)速度可在50~500 mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),完全滿足驅(qū)動(dòng)注水針作業(yè)的工況要求。注水針是整個(gè)裝置控制的終端設(shè)備,注水針的外徑為5 mm、內(nèi)徑為4 mm、針頭長(zhǎng)26 mm、針管長(zhǎng)360 mm,針管上周圍平均分布4個(gè)出水孔,為保證注水針注水的效果以及使用壽命,注水針委托專業(yè)廠家定制。

2.4傳感器選型

菌棒注水作業(yè)過(guò)程對(duì)菌棒進(jìn)行稱重作業(yè)以獲取菌棒注水量控制的基本參數(shù),為此裝置需要設(shè)計(jì)稱重電路。目前稱重電路一般選擇市面上現(xiàn)有的稱重模塊結(jié)合相應(yīng)的傳感器(變送器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在菌棒注水裝置中考慮到接線方式、測(cè)量精度、信號(hào)輸出方式以及工作環(huán)境等因素,綜合考慮選擇西門子稱重傳感器7MH5107-4GD01,此款稱重傳感器具有測(cè)量精度高,工作電壓寬,抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),特別適合在菌棒濕度比較大的車間環(huán)境工作。為精準(zhǔn)控制注水時(shí)注入水量的多少,還需計(jì)量注水量,在此裝置中,選擇流量傳感器作為注水量的計(jì)量設(shè)備,流量傳感器選擇歐姆龍公司的E2E—X22C330傳感器。

2.5 主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)菌棒注水裝置的工作原理及菌棒注水工藝要求 , 菌棒注水裝置主電路主要由3 臺(tái) 斷 路器QF1—QF3、1臺(tái)變頻器G120、2 臺(tái)交流接觸器 KM1-KM2、注水泵電機(jī)M1、空壓機(jī)電機(jī)M2等電氣元件組成。在設(shè)計(jì)主電路時(shí),考慮到注水泵電機(jī)工作運(yùn)行時(shí)需根據(jù)不同菌棒注水要求進(jìn)行調(diào)速,故設(shè)計(jì)了變頻器進(jìn)行調(diào)速;通常小型空壓機(jī)作為氣源工作時(shí)是在滿載工作狀態(tài),且為斷續(xù)性工作,故直接由工頻電源驅(qū)動(dòng)。主電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.6控制電路設(shè)計(jì)

由上述設(shè)計(jì)的菌棒注水裝置主電路及其注水工藝流程分析得出,控制電路主要根據(jù)觸摸屏或者遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送的主令信號(hào)、稱重傳感器等各類傳感器檢測(cè)到的待注水菌棒的基本參數(shù)等輸入條件,經(jīng) PLC編制的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后,控制變頻器、加壓泵、電磁閥、直線氣缸、注水針等菌棒注水執(zhí)行器件完成注水作業(yè),具體電路如圖3所示。

3 裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

由菌棒注水裝置的工作原理及注水作業(yè)流程,設(shè)計(jì)菌棒注水裝置PLC程序控制流程圖如圖4所示。根據(jù)流程圖,在TIAV16環(huán)境下對(duì)菌棒注水裝置控制程序進(jìn)行編程、調(diào)試。TIA軟件是西門子公司推出的全集成自動(dòng)化軟件平臺(tái),將PLC編程軟件、運(yùn)動(dòng)控制軟件、可視化的組態(tài)軟件集成在一起,形成功能強(qiáng)大的自動(dòng)化軟件。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

菌棒注水裝置注水作業(yè)過(guò)程啟動(dòng)前,作業(yè)人員要把菌棒注水的時(shí)間、壓力等基本信息通過(guò)上位機(jī)或觸摸屏設(shè)置發(fā)送到PLC控制單元,同時(shí)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)也要能夠被操作人員監(jiān)視,為此選擇觸摸屏作為上位機(jī),完成人機(jī)交互的任務(wù)。菌棒注水作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、啟停操作各種啟停命令、生產(chǎn)狀況等都需要實(shí)時(shí)與生產(chǎn)人員等進(jìn)行交互與監(jiān)控。利用TIA V16環(huán)境下集成的HMI開(kāi)發(fā)功能,設(shè)計(jì)菌棒智能注水裝置上位機(jī)主監(jiān)控界面運(yùn)行畫(huà)面如圖5所示。

4 裝置功能測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)食用菌菌棒智能注水裝置的實(shí)際注水作業(yè)效果進(jìn)行測(cè)試,菌棒注水后的注水量是影響菌棒產(chǎn)量的重要因素,一般注水后重量比達(dá)到85%即認(rèn)為合格,但實(shí)際精度達(dá)不到這么高,故實(shí)際生產(chǎn)中菌棒重量比只要達(dá)到85%±2%即視為合格。將需注水的25只菌棒分成5組進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,被測(cè)試的5組菌棒注水后的質(zhì)量比分別為84.8%、85.9%、85.2%、83.7%、84.1%,均值達(dá)到了84.74%。試驗(yàn)均值在裝置注水合格85%±2%范圍內(nèi),說(shuō)明菌棒注水裝置控制系統(tǒng)控制精度較高,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。5組菌棒注水時(shí)間均值為120 s,注水時(shí)間、重量比均能夠滿足菌棒注水實(shí)際生產(chǎn)的需要,說(shuō)明菌棒注水裝置設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

5結(jié)束語(yǔ)

本文以西門子S7-1200 PLC為控制單元設(shè)計(jì)了菌棒智能注水肥裝置,裝置能夠根據(jù)不同批次菌棒的實(shí)際注水肥需要進(jìn)行注水肥作業(yè),極大地提高了菌棒注水肥的效率,減少了菌棒注水肥過(guò)程中水肥的浪費(fèi),提高了菌棒生產(chǎn)的質(zhì)量。

隨著以PLC為代表的自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及食用菌生產(chǎn)方式的不斷改進(jìn),未來(lái)將有更加智能的設(shè)備應(yīng)用到食用菌注水肥等農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)全過(guò)程,農(nóng)業(yè)作物的生產(chǎn)將會(huì)更加安全、優(yōu)質(zhì)、高效。

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《機(jī)電信息》2024年第16期第10篇