淺談食用菌菌種處理機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)

王密 李坤

摘 ? 要：食用菌菌種處理設(shè)備尚無(wú)定型標(biāo)準(zhǔn)，是需要根據(jù)實(shí)際功能來(lái)自行設(shè)計(jì)和制造的非通用性設(shè)備。目前日本富士高科生產(chǎn)的菌種處理機(jī)處于世界領(lǐng)先狀態(tài)，但是也有其弊端，生產(chǎn)效率低，備件可復(fù)制性差等。根據(jù)行業(yè)需求，設(shè)計(jì)的難度也較大。本文從食用菌菌種處理機(jī)的設(shè)計(jì)流程切入，分析菌種處理機(jī)特點(diǎn)，建立機(jī)械設(shè)備及過(guò)程控制系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出該過(guò)程控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性及較高的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：食用菌菌種處理機(jī) ?設(shè)計(jì) ?研發(fā) ?非通用性 ?過(guò)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：S646 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0127-02

菌種處理是接種生產(chǎn)前的重要環(huán)節(jié)。菌種處理機(jī)是對(duì)菌種進(jìn)行預(yù)處理，將老菌皮刮掉，老菌皮是不能夠供接種使用的部分。我公司為國(guó)內(nèi)真姬菇龍頭企業(yè)，以先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備替代傳統(tǒng)設(shè)備。這其中自動(dòng)化設(shè)備發(fā)揮著不可替代的重要作用，因此，設(shè)計(jì)研發(fā)菌種處理機(jī)是我公司提高生產(chǎn)產(chǎn)能的重要手段，可切實(shí)帶動(dòng)公司的發(fā)展，值得我們對(duì)其進(jìn)行深入的研究。

1 ?菌種處理機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)方案

菌種處理機(jī)設(shè)備總長(zhǎng)度為15.4m，主體設(shè)備8.32m，機(jī)械手分為機(jī)械臂、運(yùn)動(dòng)部分、抓取部分，其中菌種處理單元翻轉(zhuǎn)臂有效翻轉(zhuǎn)角度為180°，機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)部分行程為5.32m，機(jī)械手位移采用伺服電機(jī)搭配螺紋絲杠;抓取部分則為16臺(tái)行程為30mm氣缸配合專用夾具進(jìn)行，同時(shí)機(jī)械手臂升/降動(dòng)作由所缸帶動(dòng)，抓取高度范圍在670～985mm;菌種處理機(jī)翻轉(zhuǎn)臂采用伺服電機(jī)控制，能夠精準(zhǔn)將菌種精確移動(dòng)至導(dǎo)料模具內(nèi)同時(shí)菌種處理單元帶動(dòng)刀具對(duì)菌種精準(zhǔn)處理。

物料傳送單元采用鏈條傳轉(zhuǎn)模式，長(zhǎng)度為12.4m，寬度為0.45m，對(duì)菌種進(jìn)行傳送及物料跟蹤主體材料先用304不銹鋼材質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，選用不銹鋼方管焊接支撐配合304不銹鋼材質(zhì)鏈條進(jìn)行物流傳輸;如圖1所示。

2 ?菌種處理機(jī)自動(dòng)控制及工藝部分

菌種處理機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)，主控制單元為一套西門(mén)子S7400 PLC，通過(guò)ProfibusDP網(wǎng)與4個(gè)西門(mén)子ET200遠(yuǎn)程站通訊，完成菌種處理設(shè)備基本控制功能及通訊功能;程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為SIMATIC STEP 7。設(shè)置一臺(tái)PDA用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，設(shè)置一臺(tái)工業(yè)PC作為工程師站。設(shè)置一臺(tái)工業(yè)PC作為人機(jī)界面，人機(jī)界面軟件選用西門(mén)子WinCC，設(shè)置一臺(tái)過(guò)程計(jì)算機(jī)，即菌種處方管理平臺(tái)，主要完成菌種處理處方運(yùn)算等功能。

菌種處理系統(tǒng)主要工藝流程為：入料定位;機(jī)械手夾緊;前端鏈條傳送;入空箱定位;料到位定位;機(jī)械手落下;中端鏈條傳送;入空箱鏈條升;兩側(cè)定位;托盤(pán)升起;尾端鏈條傳送;刀具運(yùn)行;推空箱;刀具升降等主要部分，其中在入料定位前系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取二級(jí)處方模型，采用當(dāng)前菌種適用處方如菌種微跟蹤控制，在得到菌種的絕對(duì)位置跟蹤的基礎(chǔ)上，還需要通過(guò)安裝在傳輸線前入口檢測(cè)器和伺服電機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，保證跟蹤的準(zhǔn)確性，在菌種頭部進(jìn)入2號(hào)檢測(cè)器時(shí)，由該信號(hào)觸發(fā)菌種頭部跟蹤程序。通過(guò)前端鏈條傳輸區(qū)域菌種頭部微跟蹤程序，計(jì)算出菌種頭部距離菌種處理系統(tǒng)的距離，根據(jù)這個(gè)距離將對(duì)應(yīng)的機(jī)械手夾具打開(kāi)。菌種尾部微跟蹤，在菌種尾部離開(kāi)2號(hào)檢測(cè)器時(shí)，由該信號(hào)觸發(fā)菌種尾部微跟蹤程序。與頭部的跟蹤方法相同，計(jì)算出菌種尾部距菌種處理系統(tǒng)距離。根據(jù)這個(gè)距離將對(duì)應(yīng)的夾具關(guān)閉。在人機(jī)界面上可顯示菌種行進(jìn)的位置。

利用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)表來(lái)存儲(chǔ)處方，處方管理程序開(kāi)發(fā)，該程序可查看處方列表，在處方列表中雙擊任意處方可打開(kāi)處方編輯畫(huà)面。該畫(huà)面提供新建、編輯和刪除處方等功能;也可在數(shù)據(jù)庫(kù)中新增菌種處方。

操作界面增加數(shù)據(jù)請(qǐng)求按鈕，點(diǎn)擊后向管理平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文。管理平臺(tái)收到請(qǐng)求后，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)菌種型號(hào)篩選可用處方，并將找到的唯一匹配數(shù)據(jù)發(fā)送給WinCC，顯示到人機(jī)界面中。操作工可以修改，但是修改后的數(shù)值不寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)加載相應(yīng)的菌種處方，調(diào)用處方后系統(tǒng)會(huì)按該菌種處方執(zhí)行命令，按菌種微跟蹤系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輥道速度，同時(shí)結(jié)合菌種處理機(jī)自動(dòng)處理。

3 ?菌種處理機(jī)電氣控制部分設(shè)計(jì)及過(guò)程控制

菌種處理機(jī)工藝的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)精確的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）物料跟蹤控制;（2）處理規(guī)程制定（包括菌種處理模型調(diào)用及菌種選料）;（3）菌種處理速度及料面處理位置計(jì)算;（4）個(gè)體菌種處理過(guò)程微跟蹤;（5）過(guò)程控制數(shù)據(jù)庫(kù)管理;（6）與設(shè)備之間通訊管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、設(shè)備參數(shù)反饋等功能。具體功能示意圖如圖2所示。

4 ?人機(jī)界面上主要參數(shù)的計(jì)算原理

機(jī)械臂的實(shí)際行進(jìn)距離：從程序中功能塊中可知道其計(jì)算原理，簡(jiǎn)單描述如下：其定位原理依據(jù)兩個(gè)自動(dòng)化元件，接近開(kāi)關(guān)和伺服電機(jī)搭配。當(dāng)機(jī)械手向前移動(dòng)離開(kāi)后極限位置時(shí)，觸發(fā)一個(gè)下降沿的信號(hào)，記錄下此時(shí)伺服電的數(shù)值，并以此數(shù)值為零點(diǎn)，然后伺服電機(jī)會(huì)隨著機(jī)械手臂的動(dòng)作而改變數(shù)值，與零點(diǎn)數(shù)值的差經(jīng)過(guò)換算后得到的就是機(jī)械手臂的實(shí)際距離。

機(jī)械手前翻轉(zhuǎn)設(shè)定值的換算公式如下。

機(jī)械手設(shè)定值=3310-菌種過(guò)激光線距離（A）+菌料寬度（B）-200+調(diào)整值（C），由此可見(jiàn)決定機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)距離的重要因素是A、B、C三個(gè)重要的變量。

注意：操作工進(jìn)行菌種處理操作時(shí)，應(yīng)首先觀看此數(shù)值是否在正常的范圍內(nèi)，因?yàn)橐磺械姆D(zhuǎn)動(dòng)作都是以次數(shù)為基礎(chǔ)的，一旦出現(xiàn)非正常狀態(tài)，要立刻轉(zhuǎn)換到手動(dòng)狀態(tài)或通過(guò)調(diào)整值來(lái)進(jìn)行修改。

后翻轉(zhuǎn)設(shè)定值的計(jì)算公式：

后退設(shè)定值=1/2×菌料寬度-500+后退調(diào)整-（設(shè)定值-上升時(shí)的機(jī)械手水平實(shí)際值）

5 ?結(jié)語(yǔ)

2019年底，河北豐科生物科技有限公司自主研發(fā)食用菌菌種處理機(jī)試運(yùn)行。該系統(tǒng)采用二級(jí)自動(dòng)化進(jìn)行過(guò)程控制，能夠?qū)N處理進(jìn)行全自動(dòng)控制。不同菌種通過(guò)處方平臺(tái)制定相應(yīng)的菌種處理規(guī)程。同時(shí)具有通訊、微跟蹤、數(shù)據(jù)記錄、離線計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)積累單元及界面顯示等多種功能，能有效完成菌種在線處理控制任務(wù)。產(chǎn)能提高50%的同時(shí)合格率達(dá)到99.9%，可以較好地為過(guò)程控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 初文博，劉明哲.非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)及加工分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（10）：35.

[2] 梁穎星.非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)分析[J].科技資訊，2019，17（26）：50，52.

[3] 張攀，張勇，吳斌，等.某非標(biāo)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工藝師，2019（8）：49-52.