基于PLC的食用菌裝袋機(jī)菌棒密度控制系統(tǒng)研究

中圖分類號： S24 ；TB486 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0086-05

DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2025.07.013

Abstract：To address thecommon problem of uneven density in mushroomsticks produced byedible mushroom bagging machines，a density control system was developed basedonthephysical propertiesofbulk edible mushroom cultivation media. The system employeda ProgrammableLogic Controller（PLC）as thecorecontroller andintegratedafuzzy PIDcontrol algorithm toestablishaclosed-loop densityregulation mechanism.Ahigh-precision pressure sensor was used to monitor the pressure at the end of thecylinder during the bagging process，with 300 N identifiedas the standard pressrecorresponding tooptimal mushroom stick density.Infield tests，presetvaluesof 250N 300N and 350N were used to assess the impact of pressure，bagging speed，and density uniformity（measured by coeficient of variation）oncontrol performance.Theresults showed that under three preset values，the fuzzy PID control system reached the target pressure in 0.413s ，0.477 s and 0.613s ，respectively，which were faster by 0.491s ， 0.427 sand O.291 scompared to the uncontrolled group.The corresponding coefficients of variation were 2.324% ， 1.913% ，and 2.649% ，representing reductions of 19.559% ， 19.970% ，and 19.234% ，respectively，overthe uncontroled group.These findings demonstrate that the proposed density control system significantly improved the uniformityof mushroom stick density，therebyoferingasolid theoreticalfoundation forenhancing the performanceof edible mushroom bagging machines.

Keywords：ediblefungi bagging machine；mushroomroddensity；control system；fuzzyPID;inteligent agricultural machinery

0 引言

食用菌營養(yǎng)價值豐富，其中 70%～90% 的營養(yǎng)都可被人體吸收。食用菌蛋白優(yōu)于植物蛋白，富含多種不存在于谷物中的氨基酸、色氨酸、賴氨酸和微量元素[]。食用菌產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)中繼糧、油、果、蔬之后的第五大產(chǎn)業(yè)。近年來，我國食用菌產(chǎn)量已達(dá)到40 000kt ，總產(chǎn)值突破3000億元，并且呈現(xiàn)出不斷上漲的趨勢[2，3]

隨著我國食用菌產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，食用菌菌棒的需求量也在不斷增加，菌棒加工廠呈現(xiàn)勞動力老齡化、生產(chǎn)自動化和生產(chǎn)集中化等特點(diǎn)。在實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，市面上大部分的食用菌裝袋機(jī)所生產(chǎn)出的菌棒都存在密度不均勻或者達(dá)不到理想狀態(tài)的問題，密度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的菌棒，在培育過程中出現(xiàn)出菇量少、出菇質(zhì)量低和容易壞棒等問題，嚴(yán)重影響菌棒加工廠和菇民的利益。

當(dāng)前，食用菌裝袋機(jī)在菌棒密度控制方面主要采用開環(huán)控制系統(tǒng)。王明友等4設(shè)計的自動膜式裝袋機(jī)，在裝袋機(jī)工作前，根據(jù)菌棒生產(chǎn)要求計算托料氣缸的回位速度，菌袋內(nèi)培養(yǎng)基的緊實(shí)度則通過托料板下部的托料氣缸回位速度進(jìn)行調(diào)控；范景峰等5設(shè)計的液動食用菌自動裝袋機(jī)，其抱筒由液壓缸提供動力，通過控制液壓缸的回位速度來控制抱筒的工退速度，從而控制菌袋中培養(yǎng)基的緊實(shí)度。上述裝袋機(jī)在一定程度上能控制菌棒密度，但都屬于開環(huán)控制，對菌棒密度的控制精度不高。

綜上，在菌棒生產(chǎn)中如何控制菌棒密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)食用菌產(chǎn)業(yè)穩(wěn)速發(fā)展的重要部分，為解決這一問題，本研究設(shè)計一種食用菌裝袋機(jī)菌棒密度控制系統(tǒng)。由于在食用菌裝袋機(jī)中干擾菌棒密度的因素較多，且傳統(tǒng)的PID控制無法實(shí)時對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得控制效果不理想，所以將模糊控制算法與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，設(shè)計一種模糊PID控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計的菌棒密度控制系統(tǒng)的高控制精度和魯棒性。

系統(tǒng)整體設(shè)計

食用菌培養(yǎng)基散料是一種由多種成分組成的復(fù)合材料，表現(xiàn)出高度各向異性和可壓縮性，在裝袋過程中實(shí)時測量菌棒密度較難實(shí)現(xiàn)[。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，菌棒的密度與裝袋機(jī)抱筒尾部承受的壓力之間存在正相關(guān)關(guān)系，故在本文中通過監(jiān)測食用菌裝袋機(jī)在工作過程中抱筒尾部的壓力變化，以此來間接評估菌棒的密度，從而實(shí)現(xiàn)對菌棒密度的控制。

1. 1 硬件設(shè)計

1.1.1食用菌裝袋機(jī)結(jié)構(gòu)

食用菌裝袋機(jī)主要由抱筒裝置、機(jī)架、抱筒傳動、出料絞龍裝置、出料筒、抱筒電機(jī)、攪拌裝置、絞龍電機(jī)、料斗和絞龍傳動等組成，如圖1所示。

圖1食用菌裝袋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of edible mushroom bagging machine structure 1.抱筒機(jī)構(gòu)2.機(jī)架3.抱筒傳動系統(tǒng)4.出料絞龍系統(tǒng) 5.出料筒6.抱筒電機(jī)7.攪拌裝置8.絞龍電機(jī) 9.料斗10.絞龍傳動系統(tǒng)

食用菌裝袋機(jī)的工作原理：操作者將菌袋套在出料筒上，按下啟動按鈕。此時，抱筒電機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動抱筒裝置，使其能夠緊抱菌袋和出料筒。同時，食用菌培養(yǎng)基散料被投人料斗，絞龍電機(jī)通過傳動系統(tǒng)帶動攪拌裝置和出料絞龍，將培養(yǎng)基散料擠壓并輸送至抱筒內(nèi)部。抱筒與絞龍協(xié)同工作，當(dāng)菌袋中裝填的培養(yǎng)基達(dá)到預(yù)設(shè)量時，抱筒執(zhí)行卸料動作。此過程不斷重復(fù)，直至完成培養(yǎng)料的攪拌和裝袋工作[8]。

1.1.2控制設(shè)備與傳感器

密度控制系統(tǒng)采用 S7-200 Smart型PLC作為主要控制器，配有EMAQ02模擬量輸出模塊和EMAE04模擬量輸人模塊[9。人機(jī)界面選用的是SmartLine700IE，它整合了RS422/485串行接口和工業(yè)以太網(wǎng)等多種通信接口，并且兼容ModbusRTU通信協(xié)議。壓力傳感器采用NA22型壓力傳感器，配有YW一WT20壓力變送器，輸出信號為 0～10V 。PLC的數(shù)字量接口連接繼電器，繼電器分別連接接觸器、絞龍電磁離合器、換向電磁離合器，接觸器控制三相交流異步電機(jī)為絞龍傳輸動力；絞龍電磁離合器控制絞龍啟停；換向電磁離合器控制絞龍轉(zhuǎn)向。模擬量輸入模塊接壓力變送器，模擬量輸出模塊接伺服電機(jī)，用來控制抱筒的速度。PLC連接的觸摸屏提供人機(jī)交互系統(tǒng)，通過畫面組態(tài)和變量設(shè)置控制PLC中的變量。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 壓力采樣與處理

壓力傳感器采樣的壓力范圍為 0～600N ，壓力變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為 0～10V 的電壓信號[10]。模擬量輸入模塊采樣改電壓信號，將數(shù)據(jù)放入AIW16型寄存器中，經(jīng)計算得到整數(shù)型數(shù)據(jù)范圍為 0～27648 ，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將AIW16中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成范圍為 0～600 的實(shí)數(shù)，并顯示在觸摸屏上。

1.2.2 模糊PID閉環(huán)控制

食用菌裝袋機(jī)的菌棒密度控制系統(tǒng)采用模糊PID算法，模糊PID通過動態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，增強(qiáng)對復(fù)雜和非線性系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性，同時提高控制精度和響應(yīng)速度，適用于需要實(shí)時優(yōu)化控制性能的應(yīng)用場景[11]。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

模糊PID控制器中的模糊算法實(shí)質(zhì)上是模糊化、模糊邏輯推理和解模糊3種運(yùn)算的結(jié)合[12]。輸入量的模糊化過程實(shí)際上是模糊集通過隸屬度函數(shù)確定輸人值隸屬度的過程，在此過程中，對輸人量進(jìn)行歸一化和模糊化處理，在相應(yīng)的模糊論域中找出對應(yīng)的模糊值[13]。

首先，壓力傳感器采集壓力信息，傳輸?shù)街骺刂破髦羞M(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；其次，計算預(yù)設(shè)值與傳感器輸出值之間的誤差 e 和誤差變化率 ec ，參考經(jīng)典的Mamdani模糊系統(tǒng)中的模糊規(guī)則，將輸入值偏差 e 和偏差變化率 ec 經(jīng)過模糊化變換成模糊論域上的值 e 和 ec ，模糊子集為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，其中N為負(fù)、P為正、Z為零、B為大、M為中、S為??；然后，在設(shè)計食用菌裝袋機(jī)的模糊PID控制器時，確定模糊規(guī)則是關(guān)鍵步驟，根據(jù)該裝袋機(jī)的操作特性和控制需求，采用Mamdani模糊推理方法，選擇具有高適用性的模糊語言變量，構(gòu)建有效的模糊規(guī)則庫；最后，選擇重心法作為解模糊的方法對輸出模糊值進(jìn)行反模糊化。

e 和 ec 在模糊控制器中經(jīng)過模糊化、模糊邏輯推理和解模糊后得到調(diào)整值 ΔK_PΔK_I 和 ΔK_D ，調(diào)整值經(jīng)過比例因子的放大后與PID參數(shù)的初始值進(jìn)行疊加得出 和 K_D ，輸人到PID控制器，通過PID控制器的比例、積分和微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出[14]。模糊PID控制中輸人和輸出的關(guān)系，如式（1）所示。

式中： K_P 、 K₁₀ K_D0 ——PID參數(shù)的初始值；k₁，k₂，k₃ ———比例因子。

2食用菌裝袋機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證食用菌裝袋過程中菌棒密度控制系統(tǒng)的效果，分別對搭載密度控制系統(tǒng)和未搭載密度控制系統(tǒng)的食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行對照試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。

圖3試驗(yàn)環(huán)境Fig.3Experimental environment

2.1 材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：含水量 60% 的食用菌培養(yǎng)基散料和規(guī)格為 18mm×55mm×5nm 的菌袋，其中培養(yǎng)基散料中含 78.8% 木屑（闊葉樹，細(xì)度小于 8mm ）、 15.7% 麩皮（細(xì)度小于 4mm）?2.5% 石膏粉、 2% 玉米粉、 1.5% 蔗糖、0.5%過磷酸鈣和0.2%尿素[15]

試驗(yàn)設(shè)備： DC-2B 食用菌裝袋機(jī)（所制菌棒容重500kg/m³ ，菌棒密度穩(wěn)定性的變異系數(shù)為 20% ）；S7—200SMART系列PLC；BT-604壓力傳感器；GMT一X1壓力變送器。

2.2 人機(jī)交互界面

為實(shí)現(xiàn)食用菌裝袋機(jī)的參數(shù)標(biāo)定和抱筒尾部的壓力監(jiān)測，采用McgsPro組態(tài)軟件對人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計，人機(jī)交互界面有主頁面和實(shí)時壓力監(jiān)測界面。如圖4所示，主頁面包括啟動、停止、歸位和裝袋按鈕，可以輸入預(yù)設(shè)壓力作為密度控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，并且可以顯示累計裝袋數(shù)量、電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)際壓力。如圖5所示，實(shí)時壓力監(jiān)測界面中可以觀察抱筒尾部的實(shí)時壓力，從而反映出密度控制系統(tǒng)的控制效果。

在裝袋機(jī)開始工作時，先按下啟動按鈕進(jìn)行開機(jī)啟動，再按下歸位按鈕，使抱筒回到初始位置，在設(shè)置預(yù)設(shè)壓力后完成準(zhǔn)備工作。將菌袋套入出料筒，按下裝袋按鈕進(jìn)行裝袋，每按下一次裝袋按鈕，抱筒就進(jìn)行一次裝袋。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 壓力測定

通過檢測食用菌裝袋機(jī)在運(yùn)行過程中抱筒尾部承受的壓力，來間接評估菌棒的密度，從而實(shí)現(xiàn)對菌棒密度的控制，故需選取密度合適區(qū)域所對應(yīng)的壓力值作為本試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力。

將木屑、麩皮、石膏粉、玉米粉、蔗糖、過磷酸鈣和尿素按照比例混合，加入 60% 的水進(jìn)行堆積自然發(fā)酵 24h ；根據(jù)食用菌裝袋機(jī)的型號、菌袋的尺寸、培養(yǎng)基散料的配方以及菌棒密度的標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)定抱筒電機(jī)的裝袋速度為（204號 185mm/s ，在不搭載密度控制系統(tǒng)的情況下進(jìn)行裝袋[16]。讀取抱筒尾部壓力傳感器的數(shù)據(jù)，選取標(biāo)準(zhǔn)壓力。

2.3.2 對照試驗(yàn)

將菌棒密度控制系統(tǒng)搭載到食用菌裝袋機(jī)[17]。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性，將無控制系統(tǒng)組作為對照組，分別將低于標(biāo)準(zhǔn)壓力 50N 、標(biāo)準(zhǔn)壓力和高于標(biāo)準(zhǔn)壓力 50N 作為菌棒密度控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用MicrosoftExcel2O21進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin2022進(jìn)行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力測定

使用未搭載菌棒密度控制系統(tǒng)的食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行裝袋，測得抱筒尾部所受壓力情況如圖6所示。

圖6裝袋過程壓力變化曲線 Fig. 6Pressure variation curve during bagging process

在沒有安裝菌棒密度控制系統(tǒng)的食用菌裝袋機(jī)生產(chǎn)過程中，菌棒的密度均勻性較差，特別是菌棒的兩端。通過觀察發(fā)現(xiàn)，菌棒的中段區(qū)域密度符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，選擇該區(qū)域?qū)?yīng)的壓力 （300N） 作為標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行試驗(yàn)。

菌棒中段的實(shí)際壓力區(qū)間為［180，420]，與所設(shè)定的壓力差值為［-120，120]，輸入值偏差 e 的模糊論域設(shè)為[一60，60]；由于在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)抱筒壓力對抱筒速度反應(yīng)較為敏感，故輸入值偏差 e 的模糊論域設(shè)為[—5，5]； K_p0、K_I0、K_D0 分別為5.4、0.8、3.1。ΔK_P 模糊論域?yàn)椋垡?，3」，量化因子為1，模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}所對應(yīng)的范圍設(shè)為{-3，-2.02，-0.99，0，0.99，2.02，3};Δ ΔK_P 模糊論域?yàn)閇一3，3]，量化因子為1，模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}所對應(yīng)的范圍設(shè)為 {-3，-2.02 ，-0.99，0，0.99，2.02，3};ΔK 模糊論域?yàn)?[-0.8 .0.8，量化因子為1，模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM， PB} 所對應(yīng)的范圍設(shè)為 {-0.8，-0.45 -0.2，0，0.2，0.45，0.8};Δ ΔK_D 模糊論域?yàn)閇—2，2」，量化因子為1，模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB所對應(yīng)的范圍設(shè)為 {-2，-1.3，-0.5，0. 0.5，1.3，2} ；將上述模糊PID參數(shù)寫入PLC。

3.2 密度控制

使用搭載菌棒密度控制系統(tǒng)的食用菌裝袋機(jī)進(jìn)行裝袋，密度控制系統(tǒng)壓力預(yù)設(shè)值為 250N，300N 和350N 。測得抱筒尾部所受壓力情況如圖7所示。

圖7不同預(yù)設(shè)值下壓力變化曲線

Fig.7Pressure variation curve under different preset values

由圖7可知，在模糊PID閉環(huán)控制下，壓力傳感器輸出的壓力誤差均在 10N 內(nèi)浮動，極個別采樣點(diǎn)的壓力誤差值超出 10N 。對壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示。

表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.1Experimental data processing results

由表1可知，在模糊PID控制下，壓力值達(dá)到250N.300N 和 350N 的時間分別為 0.413s，0.477 S和0.613s，相比無控制組分別快 54.314%.47.235% 和 32.191% ；在不同預(yù)設(shè)值下抱筒尾部所受壓力的變異系數(shù)分別為 2.324%.1.913%.2.649% ，遠(yuǎn)小于無控制組，這說明在控制系統(tǒng)的作用下，食用菌裝袋機(jī)生產(chǎn)的菌棒密度更均勻，合格率更高。

4結(jié)論

1）針對食用菌裝袋機(jī)生產(chǎn)的菌棒密度不均勻的問題，結(jié)合模糊控制與PID控制設(shè)計一種食用菌裝袋機(jī)菌棒密度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對菌棒密度的實(shí)時控制。

2）對食用菌裝袋機(jī)菌棒密度控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。結(jié)果表明，與無控制組相比，模糊PID控制達(dá)到預(yù)設(shè)值所需要的時間平均減少 44.581% ；在壓力值為250N，300N，350N 時，模糊PID控制的菌棒密度變異系數(shù)分別為 2.324%.1.913%.2.649% 。表明該菌棒密度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性滿足菌棒生產(chǎn)要求。

本研究仍存在一些不足，例如在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，可能存在一些未考慮的變量或干擾因素，這些因素可能會對控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。同時，為確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還需要在更廣泛的生產(chǎn)環(huán)境中對其進(jìn)行進(jìn)一步的測試和驗(yàn)證。

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