淺談食用菌菌種處理機的設計研發

王密 李坤

摘 ? 要：食用菌菌種處理設備尚無定型標準，是需要根據實際功能來自行設計和制造的非通用性設備。目前日本富士高科生產的菌種處理機處于世界領先狀態，但是也有其弊端，生產效率低，備件可復制性差等。根據行業需求，設計的難度也較大。本文從食用菌菌種處理機的設計流程切入，分析菌種處理機特點，建立機械設備及過程控制系統。結合現場實測數據得出該過程控制系統具有較好的穩定性及較高的生產效率。

關鍵詞：食用菌菌種處理機 ?設計 ?研發 ?非通用性 ?過程控制

中圖分類號：S646 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0127-02

菌種處理是接種生產前的重要環節。菌種處理機是對菌種進行預處理，將老菌皮刮掉，老菌皮是不能夠供接種使用的部分。我公司為國內真姬菇龍頭企業，以先進的自動化設備替代傳統設備。這其中自動化設備發揮著不可替代的重要作用，因此，設計研發菌種處理機是我公司提高生產產能的重要手段，可切實帶動公司的發展，值得我們對其進行深入的研究。

1 ?菌種處理機設備設計方案

菌種處理機設備總長度為15.4m，主體設備8.32m，機械手分為機械臂、運動部分、抓取部分，其中菌種處理單元翻轉臂有效翻轉角度為180°，機械手臂運動部分行程為5.32m，機械手位移采用伺服電機搭配螺紋絲杠;抓取部分則為16臺行程為30mm氣缸配合專用夾具進行，同時機械手臂升/降動作由所缸帶動，抓取高度范圍在670～985mm;菌種處理機翻轉臂采用伺服電機控制，能夠精準將菌種精確移動至導料模具內同時菌種處理單元帶動刀具對菌種精準處理。

物料傳送單元采用鏈條傳轉模式，長度為12.4m，寬度為0.45m，對菌種進行傳送及物料跟蹤主體材料先用304不銹鋼材質框架結構，選用不銹鋼方管焊接支撐配合304不銹鋼材質鏈條進行物流傳輸;如圖1所示。

2 ?菌種處理機自動控制及工藝部分

菌種處理機采用PLC控制系統，主控制單元為一套西門子S7400 PLC，通過ProfibusDP網與4個西門子ET200遠程站通訊，完成菌種處理設備基本控制功能及通訊功能;程序設計語言為SIMATIC STEP 7。設置一臺PDA用于實時數據采集，設置一臺工業PC作為工程師站。設置一臺工業PC作為人機界面，人機界面軟件選用西門子WinCC，設置一臺過程計算機，即菌種處方管理平臺，主要完成菌種處理處方運算等功能。

菌種處理系統主要工藝流程為：入料定位;機械手夾緊;前端鏈條傳送;入空箱定位;料到位定位;機械手落下;中端鏈條傳送;入空箱鏈條升;兩側定位;托盤升起;尾端鏈條傳送;刀具運行;推空箱;刀具升降等主要部分，其中在入料定位前系統自動調取二級處方模型，采用當前菌種適用處方如菌種微跟蹤控制，在得到菌種的絕對位置跟蹤的基礎上，還需要通過安裝在傳輸線前入口檢測器和伺服電機進行校驗，保證跟蹤的準確性，在菌種頭部進入2號檢測器時，由該信號觸發菌種頭部跟蹤程序。通過前端鏈條傳輸區域菌種頭部微跟蹤程序，計算出菌種頭部距離菌種處理系統的距離，根據這個距離將對應的機械手夾具打開。菌種尾部微跟蹤，在菌種尾部離開2號檢測器時，由該信號觸發菌種尾部微跟蹤程序。與頭部的跟蹤方法相同，計算出菌種尾部距菌種處理系統距離。根據這個距離將對應的夾具關閉。在人機界面上可顯示菌種行進的位置。

利用Oracle數據庫建立數據表來存儲處方，處方管理程序開發，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處方編輯畫面。該畫面提供新建、編輯和刪除處方等功能;也可在數據庫中新增菌種處方。

操作界面增加數據請求按鈕，點擊后向管理平臺發送數據請求報文。管理平臺收到請求后，連接數據庫，根據菌種型號篩選可用處方，并將找到的唯一匹配數據發送給WinCC，顯示到人機界面中。操作工可以修改，但是修改后的數值不寫入數據庫。同時加載相應的菌種處方，調用處方后系統會按該菌種處方執行命令，按菌種微跟蹤系統，自動調節輥道速度，同時結合菌種處理機自動處理。

3 ?菌種處理機電氣控制部分設計及過程控制

菌種處理機工藝的實現離不開精確的計算機控制系統，其中過程控制系統發揮了重要作用，該系統主要實現如下功能：（1）物料跟蹤控制;（2）處理規程制定（包括菌種處理模型調用及菌種選料）;（3）菌種處理速度及料面處理位置計算;（4）個體菌種處理過程微跟蹤;（5）過程控制數據庫管理;（6）與設備之間通訊管理實現設備控制、設備參數反饋等功能。具體功能示意圖如圖2所示。

4 ?人機界面上主要參數的計算原理

機械臂的實際行進距離：從程序中功能塊中可知道其計算原理，簡單描述如下：其定位原理依據兩個自動化元件，接近開關和伺服電機搭配。當機械手向前移動離開后極限位置時，觸發一個下降沿的信號，記錄下此時伺服電的數值，并以此數值為零點，然后伺服電機會隨著機械手臂的動作而改變數值，與零點數值的差經過換算后得到的就是機械手臂的實際距離。

機械手前翻轉設定值的換算公式如下。

機械手設定值=3310-菌種過激光線距離（A）+菌料寬度（B）-200+調整值（C），由此可見決定機械手的翻轉距離的重要因素是A、B、C三個重要的變量。

注意：操作工進行菌種處理操作時，應首先觀看此數值是否在正常的范圍內，因為一切的翻轉動作都是以次數為基礎的，一旦出現非正常狀態，要立刻轉換到手動狀態或通過調整值來進行修改。

后翻轉設定值的計算公式：

后退設定值=1/2×菌料寬度-500+后退調整-（設定值-上升時的機械手水平實際值）

5 ?結語

2019年底，河北豐科生物科技有限公司自主研發食用菌菌種處理機試運行。該系統采用二級自動化進行過程控制，能夠對菌種處理進行全自動控制。不同菌種通過處方平臺制定相應的菌種處理規程。同時具有通訊、微跟蹤、數據記錄、離線計算、經驗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。產能提高50%的同時合格率達到99.9%，可以較好地為過程控制系統的有效運行提供保證。

參考文獻

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