一種基于PLC的菌棒自動化注水肥裝置設(shè)計

摘要：當(dāng)前，袋栽是食用菌生產(chǎn)過程中廣泛采用的一種栽培方式。袋栽食用菌生產(chǎn)過程中要不斷根據(jù)菌棒培養(yǎng)基所含的水分、養(yǎng)分等因素進(jìn)行補水、補充養(yǎng)分等作業(yè)。傳統(tǒng)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(chǎn)量與品質(zhì)的下降。PLC具有強大的運算功能與較高的穩(wěn)定性，將PLC應(yīng)用到菌棒注水肥裝置中，實現(xiàn)了菌棒的精準(zhǔn)、定量、科學(xué)、高效注水肥，極大地節(jié)約了水肥資源，提高了菌棒注水肥的效率，降低了菌棒生產(chǎn)成本，提高了菌棒的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：PLC；菌棒；自動化注水肥

中圖分類號：TP23" " 文獻(xiàn)標(biāo)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟中的一種重要產(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、香菇和黑木耳等營養(yǎng)價值高、經(jīng)濟效益好、市場需求量比較大的食用菌生產(chǎn)過程中，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)過程中必須對菌棒進(jìn)行多次注水肥作業(yè)才能保證菌生長在最佳狀態(tài)。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(yè)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(zhǔn)定量注入問題，造成同一批次不同菌棒的注水肥數(shù)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(shè)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(chǎn)量，降低了作業(yè)人員的勞動強度。

1" " 菌棒注水肥裝置總體設(shè)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(yè)過程中的定時、定量、自動注水肥作業(yè)，要求作業(yè)時自動化程度高，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。控制器是整個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；注水的各項作業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠通過報表、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)過相關(guān)程序運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，則再次啟動補水注水作業(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，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

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)計的控制器，具備數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、過程控制、通信聯(lián)網(wǎng)等強大功能。PLC組成的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強、可靠性高，尤其是其具有的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可以實現(xiàn)對裝置的遠(yuǎn)程控制，極大地方便了用戶對設(shè)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(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，同時還需要兼顧與其他外設(shè)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(tài)靈活、設(shè)計緊湊、功能強大、性價比高而在國內(nèi)外市場得到廣泛應(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裝置能否成功設(shè)計的關(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行來實現(xiàn)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(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，用于交流電動機轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速和高精度控制，在自動控制中被廣泛應(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機轉(zhuǎn)速的控制精度，使增壓泵電機在最節(jié)能最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)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?？紤]到與其他自動控制設(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(xiàn)場調(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)是通過注水針將水肥注入菌棒內(nèi)部，注水針插入菌棒的運動需要一定的動力裝置完成。穩(wěn)定可靠的直線運動控制方案可選擇步進(jìn)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(zhǔn)控制，并且運動時需要克服菌棒內(nèi)培養(yǎng)基對注水針一定的阻力，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，且氣動裝置運行起來相對比較平穩(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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，完全滿足驅(qū)動注水針作業(yè)的工況要求。注水針是整個裝置控制的終端設(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(yè)廠家定制。

2.4" " 傳感器選型

菌棒注水作業(yè)過程對菌棒進(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）來實現(xiàn)。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(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(huán)境工作。為精準(zhǔn)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(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

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(shè)計主電路時，考慮到注水泵電機工作運行時需根據(jù)不同菌棒注水要求進(jìn)行調(diào)速，故設(shè)計了變頻器進(jìn)行調(diào)速；通常小型空壓機作為氣源工作時是在滿載工作狀態(tài)，且為斷續(xù)性工作，故直接由工頻電源驅(qū)動。主電路設(shè)計如圖2所示。

2.6" " 控制電路設(shè)計

由上述設(shè)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(jù)觸摸屏或者遠(yuǎn)程上位機發(fā)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(shù)等輸入條件，經(jīng)PLC編制的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)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(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

3.1" " PLC程序設(shè)計

由菌棒注水裝置的工作原理及注水作業(yè)流程，設(shè)計菌棒注水裝置PLC程序控制流程圖如圖4所示。根據(jù)流程圖，在TIA V16環(huán)境下對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化軟件平臺，將PLC編程軟件、運動控制軟件、可視化的組態(tài)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(jiān)控界面設(shè)計

菌棒注水裝置注水作業(yè)過程啟動前，作業(yè)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(shè)置發(fā)送到PLC控制單元，同時設(shè)備運行的參數(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，完成人機交互的任務(wù)。菌棒注水作業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)、啟停操作各種啟停命令、生產(chǎn)狀況等都需要實時與生產(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開發(fā)功能，設(shè)計菌棒智能注水裝置上位機主監(jiān)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(yè)效果進(jìn)行測試，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，但實際精度達(dá)不到這么高，故實際生產(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)行測試，試驗結(jié)果如表1所示。

由表1試驗數(shù)據(jù)可知，被測試的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%。試驗均值在裝置注水合格85%±2%范圍內(nèi)，說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)計指標(biāo)。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(chǎn)的需要，說明菌棒注水裝置設(shè)計科學(xué)合理。

5" " 結(jié)束語

本文以西門子S7-1200 PLC為控制單元設(shè)計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程中水肥的浪費，提高了菌棒生產(chǎn)的質(zhì)量。

隨著以PLC為代表的自動化技術(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)全過程，農(nóng)業(yè)作物的生產(chǎn)將會更加安全、優(yōu)質(zhì)、高效。

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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(nóng)業(yè)裝備。