雙孢蘑菇上料裝備從自動化到智能化的發(fā)展升級

顏衛(wèi)兵 李偉偉 張曉召

（浙江宏業(yè)裝備科技有限公司，浙江 溫嶺 317502）

自1980—1985年我國從歐美引進(jìn)5 套雙孢蘑菇工廠化設(shè)備線進(jìn)行工廠化生產(chǎn)[1]，我國雙孢蘑菇種植開始進(jìn)入以自動化設(shè)備為主導(dǎo)的工廠化種植路線。近40年來，工廠化種植企業(yè)不斷增加，國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批進(jìn)入該領(lǐng)域的裝備制造企業(yè)。在一定程度上，國內(nèi)裝備制造企業(yè)的加入限制了國外裝備企業(yè)對國內(nèi)市場的占領(lǐng)，其中一些企業(yè)，在多年的發(fā)展中不斷完善產(chǎn)品線，提高產(chǎn)品的自動化程度，已經(jīng)在國內(nèi)市場占有大量份額，甚至開始拓展海外市場。盡管如此，我們的設(shè)備與國外相比尚有差距。

目前我國食用菌種植企業(yè)已普遍采用自動化裝備用于生產(chǎn)。自動化裝備主要替代技術(shù)含量低且重復(fù)性高的常規(guī)勞作，解放了人力，提高了生產(chǎn)力。然而，裝備使用中出現(xiàn)的非常規(guī)故障往往千奇百怪，解決這些故障對一般操作人員來說并非易事。因此，要求新一代裝備需配備智能系統(tǒng)，以幫助使用者快速解決出現(xiàn)的故障問題。

1 “智能制造”是食用菌裝備發(fā)展的必然路徑

1.1 新一代智能裝備的提出

《中國制造2025》（國家行動綱領(lǐng)）是國務(wù)院于2015年5月印發(fā)的部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略文件，是中國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)。其對農(nóng)業(yè)裝備制造提出新要求：提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力，推進(jìn)形成面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化整體解決方案[2]?！爸悄苤圃臁钡奶岢鍪羌夹g(shù)創(chuàng)新累積到一定程度的必然結(jié)果[3]，是制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的必經(jīng)路線。而信息技術(shù)、檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)、人工智能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)的大力應(yīng)用，表明傳統(tǒng)行業(yè)結(jié)合新一代信息技術(shù)應(yīng)用，將煥發(fā)新的生機(jī)。

1.2 當(dāng)前自動化設(shè)備使用中存在的問題

國內(nèi)農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品，目前大多采用傳統(tǒng)的電氣控制，少數(shù)擁有自動化技術(shù)，可以完成一些工藝的過程控制。以國內(nèi)雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)線為例，雖說采用了自動化生產(chǎn)線，但大多自動化程度較低，為“孤島式”、單一、分散的自動化產(chǎn)品，整體缺少內(nèi)部信息數(shù)據(jù)的共享；無法給使用者反饋有用信息，如設(shè)備參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整、故障信息的有效解決思路等，也無法自動調(diào)取歷史最優(yōu)參數(shù)。

多數(shù)自動化設(shè)備，通過觸摸屏和PLC 的通信進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的更改，但觸摸屏一旦發(fā)生故障，設(shè)備就會停止運(yùn)作，只有更換新的觸摸屏、更新程序，才能重新使用。這需要專業(yè)的技術(shù)人員操作，并無形中浪費(fèi)了時間成本。如何在觸摸屏故障時，設(shè)備依舊能夠運(yùn)作，是當(dāng)前需要解決的一個問題。

下面以菇房上料設(shè)備從自動化走向智能化為例，說明如何解決以上問題。

2 菇房自動化上料系統(tǒng)的組成及運(yùn)行情況

2.1 系統(tǒng)的組成框圖

菇房自動化上料設(shè)備作為雙孢蘑菇工廠化種植中重要的一環(huán)，其性能的好壞，直接影響生產(chǎn)能否順暢高效進(jìn)行，間接影響雙孢蘑菇的產(chǎn)品質(zhì)量。目前菇房自動化上料設(shè)備主要由6 部分組成（圖1），其中05 基料上料機(jī)模塊是整個系統(tǒng)的核心。

2.2 系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理分析

如圖1所示，01～04 四大部分協(xié)調(diào)運(yùn)作，是把三次基料經(jīng)上料機(jī)輸送到菇床，并一次性完成覆土的生產(chǎn)工藝過程。

圖1 菇房自動化上料系統(tǒng)的組成框圖

01 基料運(yùn)輸車模塊和03 基料輸送帶模塊，完成基料供應(yīng)和輸送；通過05 上料機(jī)模塊的檢測給出信號啟停01 和03 模塊，保證上料機(jī)內(nèi)擁有適宜的料量。02 覆土運(yùn)輸車模塊和04 覆土輸送帶模塊，完成覆土的供應(yīng)和輸送；通過05 上料機(jī)模塊的檢測給出信號啟停02 和04 模塊，保證上料機(jī)內(nèi)擁有適宜的覆土量。

當(dāng)上料機(jī)內(nèi)部基料量和覆土量足夠時，上料機(jī)運(yùn)行并傳出控制信號啟停06 拖網(wǎng)機(jī)模塊，此時上料機(jī)往前輸送處理后的基料；當(dāng)基料傳遞到菇床網(wǎng)布上面時，啟動拖網(wǎng)機(jī)往前拖動網(wǎng)布，直到網(wǎng)布和網(wǎng)布上的基料覆蓋整個菇床，在拖網(wǎng)機(jī)側(cè)按下停止按鈕，系統(tǒng)停機(jī)，上料完畢。

2.3 系統(tǒng)存在的缺陷

以上所述為自動化上料系統(tǒng)單層上料的運(yùn)行過程，而整個菇房的上料則是重復(fù)這一過程。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)自動化，為使用者帶來便利，也為企業(yè)節(jié)省了大量人力。但從精細(xì)化方面看，其仍顯“粗放”，具體表現(xiàn)為：

（1）當(dāng)發(fā)生故障時，機(jī)器無法與人“對話”，就如何解決故障進(jìn)行有效“交流”。

（2）現(xiàn)有國內(nèi)外上料設(shè)備均依靠人眼進(jìn)行設(shè)備和料床之間的銜接對齊操作，而菇房內(nèi)每層料床的間距為定值，完全可以通過上料機(jī)智能化的信息存儲處理，讓上料機(jī)自動升降到適宜高度，從而實(shí)現(xiàn)智能化對接每層菇床。

（3）上料過程中依靠啟停01 和03 模塊、02 和04 模塊來保證上料機(jī)內(nèi)部具備合適的基料量和覆土量；依靠啟停05 上料機(jī)和06 拖網(wǎng)機(jī)，以等待上料機(jī)內(nèi)部的基料達(dá)到合適的量。這一操作過程勢必造成基料供應(yīng)線的斷裂，以及設(shè)備的多次重復(fù)啟停，影響上料效率。

（4）基料和覆土的比例配合依靠人眼識別、手動調(diào)整，設(shè)備本身不能反饋數(shù)據(jù)。

（5）觸摸屏是目前相關(guān)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和簡易報警顯示的主要窗口，其在設(shè)備應(yīng)用過程中居于重要地位，其一旦出現(xiàn)故障，整個設(shè)備將無從下手。因此淡化觸摸屏在設(shè)備中的重要性或者提供一種備選，顯得十分重要。

綜上，結(jié)合國家對行業(yè)的整體規(guī)劃和人民對智能化設(shè)備日益增長的需求，我們的食用菌上料裝備雖已實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行，但在智能化、人性化方向上仍有較大的提升空間。

3 智能化改造與實(shí)施

3.1 智能化上料系統(tǒng)方案設(shè)計

對原有設(shè)備的智能化升級和改進(jìn)，是采用新技術(shù)在原裝備的基礎(chǔ)上豐富、完善其功能。新的設(shè)備框圖見圖2。

圖2 智能化上料系統(tǒng)設(shè)備框圖

3.2 新增系統(tǒng)框架說明

新一代系統(tǒng)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增了智能傳感器、智能移動終端、智能算法、專家系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡(luò)模塊。其中，智能移動終端可采用智能手機(jī)；無線網(wǎng)絡(luò)模塊即WIFI 接入點(diǎn)和服務(wù)點(diǎn)，用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)更新和智能移動終端通信；智能傳感器可以提供精準(zhǔn)的物料信息和設(shè)備狀況；智能算法模塊和專家系統(tǒng)模塊，為控制系統(tǒng)需要增加的部分，通過軟件實(shí)現(xiàn)。

3.3 新一代智能系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)

智能傳感器。引入智能傳感器可以對物料生產(chǎn)過程進(jìn)行精準(zhǔn)的分析和控制，是實(shí)現(xiàn)裝備智能化的重要基礎(chǔ)。如高度傳感器可以采集物料的高度，得出物料的實(shí)際傳送量，從而調(diào)整各物料的輸送速度，自動調(diào)節(jié)各物料的混合比例，滿足一定的工藝需求。

智能手機(jī)。豐富和方便了我們的日常生活，其轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茉O(shè)備移動終端早已屢見不鮮。從空調(diào)電視遙控器的應(yīng)用，到電磁爐、洗澡水的實(shí)時控制、監(jiān)視，再到智能家居的萬物互聯(lián)，如今智能手機(jī)早已超出了通訊的范疇，成為我們?nèi)找嬉蕾嚨闹匾?。這一切得益于信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和大力應(yīng)用。在裝備制造業(yè)，把智能手機(jī)作為人與設(shè)備信息交互的一個接口，既解決目前裝備高度依賴觸摸屏的問題，又提升了設(shè)備的智能化水平。尤其在觸摸屏故障時，智能手機(jī)可以無縫切入使用，解決燃眉之急。

裝備的網(wǎng)絡(luò)化功能。通過互聯(lián)網(wǎng)，廠家可以遠(yuǎn)程進(jìn)入裝備的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級、故障查看、代碼優(yōu)化等功能。既節(jié)約技術(shù)人員的出差調(diào)試費(fèi)用，又能以最快的速度根據(jù)現(xiàn)場問題點(diǎn)給予客戶中肯的指導(dǎo)意見。

3.4 新一代智能系統(tǒng)的軟件算法

軟件是硬件的大腦，軟件系統(tǒng)指揮硬件的動作，一個好的軟件算法可以讓現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備運(yùn)用起來更加的人性化、智能化。自動化設(shè)備往往依靠精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或者采用接近開關(guān)、行程開關(guān)、檢測動作的工步，切換到下一個動作，完成自動化的閉環(huán)運(yùn)行。應(yīng)用PLC（可編程邏輯控制器），也可實(shí)現(xiàn)采用繼電器控制的電氣系統(tǒng)的自動化設(shè)備的運(yùn)行，但這一過程受制于傳感器的狀態(tài)，有時會發(fā)生誤動作，如在測量模擬量時，干擾信號的輸入可能會造成誤動作。而智能化算法的引入，可以很方便地對輸入信號進(jìn)行二次處理，如不同濾波算法的選用可以濾除不同形式的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少因誤差造成的誤動作。

在雙孢蘑菇上料設(shè)備對物料的檢測中，引入濾波算法可以有效消除基料亂飛、大塊料堆積所引起的干擾，從而優(yōu)化供料過程的邏輯啟停關(guān)系。在上料設(shè)備應(yīng)用中，各模塊的速度運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)含有一定的運(yùn)算關(guān)系，因此可通過智能化的程序算法設(shè)計，使得各部分速度按照一定函數(shù)約束關(guān)系運(yùn)行，滿足不同工況、不同設(shè)備間的速度匹配，從而讓設(shè)備連續(xù)地工作。如新引進(jìn)的設(shè)備，要與現(xiàn)有設(shè)備構(gòu)成一個整體，協(xié)調(diào)運(yùn)作，這時只需知道新引入設(shè)備的運(yùn)行速度，再在原有系統(tǒng)參數(shù)上略作修改，即可投入良好的運(yùn)行，從而讓各設(shè)備整體協(xié)作運(yùn)行，而非以往的“孤島式”運(yùn)行方式。

3.5 專家系統(tǒng)的應(yīng)用

專家控制是把專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[4]。通過計算機(jī)存儲專家的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備計算機(jī)內(nèi)部通過程序語言進(jìn)行邏輯判斷，讓專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。該系統(tǒng)在故障診斷方面運(yùn)用效果良好。故障以選擇的形式進(jìn)行，對目前設(shè)備可能故障狀況進(jìn)行列表，供客戶逐級往下選擇，系統(tǒng)最終根據(jù)客戶選擇的結(jié)果進(jìn)行組合判斷，給出故障可能點(diǎn)和維修方案。

每次的故障處理判斷都能給系統(tǒng)一個學(xué)習(xí)機(jī)會，最終給出方案的數(shù)據(jù)結(jié)果會存儲到數(shù)據(jù)庫，并給出正確率的權(quán)值，以方便優(yōu)化下次故障處理時正確調(diào)用解決方案。在互聯(lián)的機(jī)制下，這些故障信息及解決方案，可以很方便地匯總搜集。所有的設(shè)備都構(gòu)成一張網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫，最終設(shè)備制造商可根據(jù)這些信息優(yōu)化故障庫，統(tǒng)一向客戶推送、更新故障診斷信息。

綜上所述，智能算法的引入，增強(qiáng)了原有控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力和系統(tǒng)的健壯性；智能系統(tǒng)的引入能夠給使用者提供建議，為人機(jī)交互提供了一個新的方法和平臺。

4 結(jié) 語

食用菌設(shè)備從自動化走向智能化，是新技術(shù)在原有設(shè)備基礎(chǔ)上綻放生命力的體現(xiàn)，也是發(fā)展的必然趨勢。雙孢蘑菇料床上料設(shè)備同樣可實(shí)現(xiàn)從自動化到智能化的改進(jìn)，而智能化的食用菌裝備的研發(fā)，必將給原有食用菌裝備行業(yè)帶來一次革新，也將給廣大的食用菌種植企業(yè)帶來使用上的便利和人性化的體驗(yàn)。