一種基于PLC的菌棒自動化注水肥裝置設計

摘要：當前，袋栽是食用菌生產過程中廣泛采用的一種栽培方式。袋栽食用菌生產過程中要不斷根據菌棒培養基所含的水分、養分等因素進行補水、補充養分等作業。傳統的食用菌菌棒補水肥方式主要靠人工操作完成，費時、費水，低效且容易傷菌絲，造成菌棒產量與品質的下降。PLC具有強大的運算功能與較高的穩定性，將PLC應用到菌棒注水肥裝置中，實現了菌棒的精準、定量、科學、高效注水肥，極大地節約了水肥資源，提高了菌棒注水肥的效率，降低了菌棒生產成本，提高了菌棒的生產效益。

關鍵詞：PLC；菌棒；自動化注水肥

中圖分類號：TP23" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0034-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.010

0" " 引言

食用菌作為農業經濟中的一種重要產業，僅次于糧、棉、油、菜和果，居第6位，其需求量連年遞增，其生產方式也在不斷革新[1]。袋栽食用菌是近年發展比較成熟的一種食用菌生產方式，主要用在平菇、香菇和黑木耳等營養價值高、經濟效益好、市場需求量比較大的食用菌生產過程中，現在絕大多數食用菌生產基本都采用袋栽方式進行。

食用菌在生產過程中需要保持一定的濕度、溫度、養分等才能保證有較好的品質，為此在食用菌的生產過程中必須對菌棒進行多次注水肥作業才能保證菌生長在最佳狀態。目前，菌棒補水主要有注水法、浸泡法、直接噴淋法[2]。

通過人工方式注水肥雖然注水肥方式簡單，投資少，但是存在著作業效率低下、水肥資源浪費大、注水肥效果難以保證等問題。而簡易的機械方式注水肥存在著無法精準定量注入問題，造成同一批次不同菌棒的注水肥數量、效果不佳等問題。

為了破解菌棒注水肥過程中存在的上述難題，設計了一款基于PLC控制的自動化注水肥裝置，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，提高了菌棒的產量，降低了作業人員的勞動強度。

1" " 菌棒注水肥裝置總體設計

菌棒自動化注水肥裝置的主要功能是完成菌棒注水肥作業過程中的定時、定量、自動注水肥作業，要求作業時自動化程度高，節約水肥資源，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。控制器是整個注水肥裝置的控制核心模塊。在注水肥作業前，裝置由用戶設置注水劑量、注水時間、注水壓力等各種作業參數；裝置應該具備就地與遠程操作多種工作模式；注水的各項作業數據應該能夠通過報表、曲線等方式呈現與查閱，關鍵生產數據能夠存儲便于用戶分析優化作業流程。除此之外，裝置應該設缺水、加工異常等報警功能。

菌棒注水作業的流程是菌棒先由操作人員將菌棒放入注水作業架，完成稱重作業。控制單元接受稱重作業數據后根據設置的注水參數經過相關程序運算之后完成定量注水作業，注水結束再次進行稱重作業，判斷是否達到預設的注水效果。如果達到預先設定的注水質量，則完成本批菌棒的注水作業；如果未達到預先設定的注水質量，則再次啟動補水注水作業。由上述食用菌菌棒注水裝置的主要功能及作業流程設計，菌棒智能注水裝置電氣控制系統的總體框圖如圖1所示。

2" " 硬件電路設計

2.1" " PLC選型

PLC是菌棒注水裝置電氣控制系統的核心部件，是一種專門為工業環境應用而設計的控制器，具備數據處理、邏輯控制、過程控制、通信聯網等強大功能。PLC組成的控制系統穩定性強、可靠性高，尤其是其具有的通信聯網功能，可以實現對裝置的遠程控制，極大地方便了用戶對設備的控制與管理。在此裝置中，PLC主要用來控制水箱抽水泵的運行、菌棒注水細管電磁閥的啟閉等，除此之外，還需能夠處理注入菌棒水肥的劑量、菌棒的質量等模擬量，因此在PLC的選型中既要考慮數字量處理能力又要考慮模擬量處理能力，同時還需要兼顧與其他外設的集成。最終選擇德國西門子公司的S7-1200系列PLC。S7-1200系列PLC因其組態靈活、設計緊湊、功能強大、性價比高而在國內外市場得到廣泛應用。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的水肥。為此精準控制注入水肥是整個裝置能否成功設計的關鍵。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行來實現增壓效果的。由于菌棒的生長周期不同，批次不同，其菌棒的滲水程度不同，故注入時的壓力每批次均不同，為此需要對增壓的泵進行轉速調節。變頻器可將工頻交流電轉換成頻率可控制的交流電，用于交流電動機轉速的無級調速和高精度控制，在自動控制中被廣泛應用[3]。應用變頻器調速，由于其輸出頻率精度可達到0.01%，故極大地提高了電動機轉速的控制精度，使增壓泵電機在最節能最經濟的轉速下運行。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。考慮到與其他自動控制設備產品的一致性，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、經濟性好的特點，它由接口單元、控制單元、功率單元三個模塊組成。為了便于現場調試，變頻器需配置智能操作面板（IOP）。

2.3" " 注水針及驅動氣缸選型

基于PLC的菌棒注水裝置作業的關鍵環節就是向菌棒精量注水肥，具體的注水肥任務是通過注水針將水肥注入菌棒內部，注水針插入菌棒的運動需要一定的動力裝置完成。穩定可靠的直線運動控制方案可選擇步進電機或直線氣缸兩種配置方案。在此裝置中，注水針的直線運動精度不需要特別精準控制，并且運動時需要克服菌棒內培養基對注水針一定的阻力，優先考慮選擇氣缸作為注水針的驅動裝置。氣缸由于所需的工作介質為空氣，空氣具有用取之不盡、用之不竭的優良特點，且氣動裝置運行起來相對比較平穩，投資維護成本也較低，為此選擇氣缸作為注水針的驅動動力裝置是最為理想的配置方案。在此裝置中選擇原裝SMC系列歐洲標準型氣缸，其型號為CP96SDB80-400C-A93，此氣缸最大行程為400 mm，缸徑為80 mm，氣缸運動速度可在50～500 mm范圍內進行調節，完全滿足驅動注水針作業的工況要求。注水針是整個裝置控制的終端設備，注水針的外徑為5 mm、內徑為4 mm、針頭長26 mm、針管長360 mm，針管上周圍平均分布4個出水孔，為保證注水針注水的效果以及使用壽命，注水針委托專業廠家定制。

2.4" " 傳感器選型

菌棒注水作業過程對菌棒進行稱重作業以獲取菌棒注水量控制的基本參數，為此裝置需要設計稱重電路。目前稱重電路一般選擇市面上現有的稱重模塊結合相應的傳感器（變送器）來實現。在菌棒注水裝置中考慮到接線方式、測量精度、信號輸出方式以及工作環境等因素，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量精度高，工作電壓寬，抗干擾能力強的特點，特別適合在菌棒濕度比較大的車間環境工作。為精準控制注水時注入水量的多少，還需計量注水量，在此裝置中，選擇流量傳感器作為注水量的計量設備，流量傳感器選擇歐姆龍公司的E2E-X22C330傳感器。

2.5" " 主電路設計

根據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臺斷路器QF1-QF3、1臺變頻器G120、2臺交流接觸器KM1-KM2、注水泵電機M1、空壓機電機M2等電氣元件組成。在設計主電路時，考慮到注水泵電機工作運行時需根據不同菌棒注水要求進行調速，故設計了變頻器進行調速；通常小型空壓機作為氣源工作時是在滿載工作狀態，且為斷續性工作，故直接由工頻電源驅動。主電路設計如圖2所示。

2.6" " 控制電路設計

由上述設計的菌棒注水裝置主電路及其注水工藝流程分析得出，控制電路主要根據觸摸屏或者遠程上位機發送的主令信號、稱重傳感器等各類傳感器檢測到的待注水菌棒的基本參數等輸入條件，經PLC編制的程序進行數據運算處理后，控制變頻器、加壓泵、電磁閥、直線氣缸、注水針等菌棒注水執行器件完成注水作業，具體電路如圖3所示。

3" " 裝置軟件設計

3.1" " PLC程序設計

由菌棒注水裝置的工作原理及注水作業流程，設計菌棒注水裝置PLC程序控制流程圖如圖4所示。根據流程圖，在TIA V16環境下對菌棒注水裝置控制程序進行編程、調試。TIA軟件是西門子公司推出的全集成自動化軟件平臺，將PLC編程軟件、運動控制軟件、可視化的組態軟件集成在一起，形成功能強大的自動化軟件。

3.2" " 上位機監控界面設計

菌棒注水裝置注水作業過程啟動前，作業人員要把菌棒注水的時間、壓力等基本信息通過上位機或觸摸屏設置發送到PLC控制單元，同時設備運行的參數也要能夠被操作人員監視，為此選擇觸摸屏作為上位機，完成人機交互的任務。菌棒注水作業設備的運行狀態、啟停操作各種啟停命令、生產狀況等都需要實時與生產人員等進行交互與監控。利用TIA V16環境下集成的HMI開發功能，設計菌棒智能注水裝置上位機主監控界面運行畫面如圖5所示。

4nbsp; " 裝置功能測試

通過試驗對食用菌菌棒智能注水裝置的實際注水作業效果進行測試，菌棒注水后的注水量是影響菌棒產量的重要因素，一般注水后重量比達到85%即認為合格，但實際精度達不到這么高，故實際生產中菌棒重量比只要達到85%±2%即視為合格。將需注水的25只菌棒分成5組進行測試，試驗結果如表1所示。

由表1試驗數據可知，被測試的5組菌棒注水后的質量比分別為84.8%、85.9%、85.2%、83.7%、84.1%，均值達到了84.74%。試驗均值在裝置注水合格85%±2%范圍內，說明菌棒注水裝置控制系統控制精度較高，達到了預期的設計指標。5組菌棒注水時間均值為120 s，注水時間、重量比均能夠滿足菌棒注水實際生產的需要，說明菌棒注水裝置設計科學合理。

5" " 結束語

本文以西門子S7-1200 PLC為控制單元設計了菌棒智能注水肥裝置，裝置能夠根據不同批次菌棒的實際注水肥需要進行注水肥作業，極大地提高了菌棒注水肥的效率，減少了菌棒注水肥過程中水肥的浪費，提高了菌棒生產的質量。

隨著以PLC為代表的自動化技術的進一步發展以及食用菌生產方式的不斷改進，未來將有更加智能的設備應用到食用菌注水肥等農業作物生產全過程，農業作物的生產將會更加安全、優質、高效。

[參考文獻]

[1] 郭洪恩，李寅男，楊化偉，等.袋栽食用菌打孔增氧注水裝置研制[J].農業裝備與車輛工程，2022，60（6）：24-27.

[2] 柯雙鏈，陳紅，周建飛，等.香菇菌棒在架注水機的設計與試驗[J].華中農業大學學報，2024，43（2）：227-233.

[3] 高楊，黃一哲.基于G120C變頻器的龍門刨床多段速控制應用[J].黃河水利職業技術學院學報，2023，35（3）：46-50.

收稿日期：2024-04-08

作者簡介：孔祥（1983—），男，甘肅武威人，講師，國家注冊二級建造師（機電），研究方向：電氣工程、智能農業裝備。