（机械设计及理论专业论文）桑枝食用菌培养基自动加工设备控制系统研究.pdf

摘要 桑枝食用菌培养基是我国大部分木屑型食用菌理想的生长土壤。中国是世界食用菌生 产大国，但目前培养基的制各还相当落后，以手工为主的生产方式严重制约了培养基的产 品质量和加工效率。因此，提高培养基加工设备的自动化水平，保证产品质量，对促进我 国食用菌规模化、工厂化和产业化的发展，加快农业现代化进程具有重大的现实意义。 本论文以新型桑枝食用菌培养基自动加工设备为基础，对其控制系统进行了深入的研 究和设计，从而实现桑枝培养基配料、称重、搅拌、输送和包装的自动化作业。 首先，论文详细介绍了桑枝培养基的配方组成和生产工艺，并根据培养基自动化生产 的要求，对加工设备的控制系统进行总体设计，提出新的控制系统方案：以p c 和组态软 件m c g s 组成e 位机监控系统，p l c 、触摸屏和各种电。e 、2e 动元件组成下位机控制系 统。论文详细描述了各部分的功能。 其次，根据控制方案和现场设备的控制要求，对下位机控制系统进行硬件配置和软件 设计。p l c 作为主控单元，论文对其型号选择、i ，o 设计、外部硬件连线等进行了详细介 绍，采用顺序控制方法设计了系统的工作流程图和p l c 程序。根据触摸屏在生产现场的 操作优越性，论文还详细介绍了触摸屏实现的主要功能和硬、软件设计。 最后，采用组态软件m c g s 设计了上位机监控系统。通过与下位机p l c 的通讯，上 位机实现培养基生产流程显示、设备运行监控、实时报警处理、信息查询与打印等功能， 并分别详细阐述了各功能的具体实现方法。上位机监控系统画面简单直观，操作方便，具 有良好的人机交互性。 关键词：桑枝食用菌培养基； 自动加工设备；控制系统；p l c ；组态软件m c g s s t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t i cp r o c e s s i n ge q u i p m e n t f o r t h ee d i b l ef u n g u sc u l t u r em e d i u mo f m u l b e r r yb r a n c h e s a b s t r a c t t h ee d i b l ef u n g u sc u l t u r em e d i u mo fm u l b e r r yb r a n c h e si st h ei d e a ls o i lf o rm o s tc h i n c s e e d i b l e 凡n g u sw h i c hi s c u l t i v a t e do ns a w d u s t c h i n ai sam a j o re d i b l ef u n g u sp r o d u c e ri nt h e w o r l d ，b u tm em a n u f a c t u r eo fc u l t i l r em e d i u mj sf a i r l yo u t d a t e d ，a n dt h em a n u a lm o d eh a sa s e r i o u se 髓c to np r o d u c tq _ i l a l i t ya n dp r o d u c t i o ne 伍c i e n c y h e n c ei m p r o v i n gt h ea u t o m a t i c l e v o lo ft h ec u l t u r em e d i u mp r o c e s s i n ge q u i p m e n ta n de n h a n c i n gt h ep m d u c tq u a l i t yh a v ea j l i m p o n a n tp r a c t i c a ls i g n i n c a i l c ef o ra c c e l e r a t i n gt h ei n d u s 仃i a l i z a t i o no fe d i b 】cf h n g u si nc h i n a a n da g r j c u n u r a lm o d e m i z a t i o n t h ed i s s e r t a t o ni sb a s e do nt h en e wa u t o m a t i cp r o c e s s i n ge q u i p m e n tf o rt h ee d i b l ef l l l l g u s c u l t u r em e d i u mo f m u l b e r r yb r a i l c h e s ，a 1 1 di t sc o n t r o ls y s t e mt h a th a sa na u t o m a t i cm a n u f a c n l r e o ft h er a wm a t e r i a l s ，s u c ha sb m d e n i n g ，w e i g h i n g ，m i x i n g ，t r a n s p o n j n ga n dp a c k i n 舀i s r e s e a r c h e da n dd e s i g n e dd e t a i l e d l y f i r s t ly ，m ec o m p o n e n t sa n dm a n u f a c t u r et c c l l i l i c sa b o u tc u l t u r em e d i u mo fm u l b e r r y b r a n c h e sa r ei n t r o d u c e dd e t a i k d l y t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep r o c e s s i n ge q u i p m e n ti sd e s i g n e d t o t a l l ya c c o r d i n gt ot l er e q u e s to fa u t o m a t i cm a l l u f a c t u r e ，a n dt l l ed i s s e r t a t i o np u t sf b n v a r dt h e n e wc o n t r 0 1s c h e m e ：t h es u p e r o r d i n a t ec o m p u t e rs u p e r v i s i n gs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fp c a n dc o n f i g u r a t i o ns o r w a r em c g s ，a n db a s i cc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s c o m p o s e do fp l c ， t o u c h i l l gs c r e e n s ，a i l dv 丽o u se l e c t r o n j ca n da t m o s p h e r i c a lc o m p o n e n t s t h ed i s s e r t “o n d e s c r i b e st h ef u n c t i o n o fe v e r yp a ni nd e t a i j s e c o n d l y ，t h eb a s i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i 印e df o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h eb a s i so f c o n t r o ls c h e m ea 1 1 df i e l d e q u i p m e n tc o n t r 0 1r e q u e s t t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h es e l e c t i v es t y l e o fp l c ，w h j c hi sam a i nc o n t r o lu m t ，i 0a d d r e s sd i s 埔b u t i o n t h ed e s i g nf o re l e c t r i cc o n n e c t i o n m a po f t h eh a r d w a r co 唱a n i z a t i o na n d s oo nd e 诅订e d l y ，a n dd e s i g n st h ef l o wc h a r to f s y s t e m a t i c p r o c e d u r ea n dt h ep l cp r o g r a mb yu s i n g 幽eo r d e rc o n t r o 】1 1 n gd e s i g nm e t h o d m o r e o v e r ，t h e m a i nf 血c t i o na 1 1 dt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o r w a r ea b o u tt h et o u c h i n gs c r e e na r ep r e s e n t e d i na c c o r d a n c eo f i t so p e r 撕o n a is u p e r i o r i t yi nt h ep r o c e s s i n gf i e l d f i n a l ly ，t h es u p e r o r d i n a t ec o m p u t e rs u p e r v i s i n gs y s t e mi sd e s 追n e db yt h ec o n f i g u r a t i o n s o n w a r em c g s i tc a j ld i s p l a yt h em a l l u f h c t u r i n gp r o c e s so fc u l t l l r em e d i u m ，s u p e r v i s et h e r u 删n go fe q u i p m e n t s ，d e a lw i t ht h er e a l t i m ea l a r i n ，a n ds e a r c ha n dp r i n tt h es v s t e m i c i n f o m a t i o n i na d d i t i o n ，t h ed i s s c r t a t i o nd e s c r i b e sh o wt of u l f i l la l lf h n c t i o n sw h i c ha r es t a t e d a b o v ei nd e t a i l f u n h e 珊o r e ，t h eg o o di n t e r a c t i v ei n t e r f a c eo fs u p c r v i s i n gs y s t e mi ss i m p l e ， v i s u a 】a n dc o n v e n j e n tt ou s e k e y w o r d s ：e d i b l ef u n g u sc u l t u r cm e d i u mo fm u l b e r r yb r a n c h e s ；a u t o m a t i cp r o c e s s i n g e q u i p m e n t ； c o n t r 0 1s y s t e m ；p l c ； c o n f l g u r a t i o ns o r w a r em c g s w a n gf a l l g ( m e c h a n i c a ld e s i g n 柚dt h e o r ” s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f y uh a o 致谢 y9 0 6 5 7 2 光阴如梭，日月如箭，三年的学习生活又要告一段落。值此论文完稿之日，谨向教育 我、支持我、帮助我、关心我的人致敬。 本硕士学位论文是在导师郁吴副教授悉心指导下完成的。从论文的前期材料准备、选 题、思路、撰写到最后的定稿，郁老师都花费了大量的时间和精力，给予了我最大的指导 和帮助。导师i i 阿博的知识、严谨的治学态度、活跃的思维方式、敏锐的学术洞察力、豁达 开朗的性格和平易近人的为人风格深深地感染着我、激励着我，使我在人生成长的关键道 路上受益很多。谨此，向导师致以最诚挚的感谢! 在课题的研究过程中，得到了南京林业大学机械电子工程学院冯谦院长、陈惠明教授、 涂桥安教授以及南京食品包装机械研究所居荣华所长、宋小宁工程师、薛建工程师的大力 支持和无私帮助，他们为我提出了许多宝贵的意见和建议，在此表示最衷心地感谢! 另外， 在课题的实验过程中，还得到了自动化教研组以及过程装备教研组各位老师的关心和支 持，在此特向他们表示深深的谢意! 在整个课题的实验和研究过程中，我还要感谢同学钱春华、孙佩韦、邵海、王月磊、 陈磊以及师弟郁荣华，他们的帮助和支持是使本课题顺利完成的重要保障。 我还要感谢我的父母，他们无私的奉献、无尽的关怀、严格的教育是我不断成长和进 取的动力，是激励我在科学的道路上不断前进的精神源泉，我所取得的每一点进步无不凝 聚着他们的心血和汗水。谨以此文表达我对他们的谢意和深深的爱。 在项目研究与实施过程中，汗水与欢笑并存，我将珍藏这一段难忘的时光经历，欣然 翻开人生又一崭新的篇章，往梦想的路，没有想象简单，我还要更勇敢，更努力! 王芳 2 0 0 6 年4 月于南京林业大学 1 1 课题的来源 第一章绪论 2 0 0 4 年江苏省科技攻关项目( 农业部分) 桑枝食用菌培养基自动化加工成套装备与 技术的研究，项目编号：b 2 0 0 4 3 3 6 。 1 2 课题的研究背景 食用菌是非光合作用依靠特定的生物活体营养而生长的、可供人食用的菌体植物。 食用菌人工栽培伴随着人类文明的进步经历了悠久岁月，东西方文明古国的早期历史文献 中，都记述了关于菌类的栽培。据历史记载，人类最早栽培的食用菌是木耳，约1 4 0 0 年 前起源于我国，苏恭等人著的唐本草注中记载了“煮浆粥安诸木上，以草覆之，即生 蕈尔”的原始木耳栽培法；香菇栽培在1 3 0 0 多年前始于我圈浙江省的庆元县，是人工栽 培的第二种食用菌；人工栽培的第三种食用菌是金针菇，也有1 2 0 0 年的历史f 2 i ，唐末韩 鄂编撰的四时纂要中，比较详细地叙述了用烂构木及树叶埋在畦床上栽培构菌的方法。 在西方国家中，希腊有一名医师在公元l 世纪提出用木屑在畦床上栽培杨树鳞耳的方法； 到1 6 世纪末，意大利的一位名医用这种方法栽培成功，后来大力传播。虽然这些办法比 较原始，但它具体记载了食用菌科学知识的渊源，具备了为后来半人工栽培的雏形。 食用菌在我国的传统食谱里被归为山珍，历来是餐桌上的“上品”，因为其味道鲜美， 营养丰富，蛋白质含量高，有利于人类各种生理机能的调节。由于传统饮食结构造成过多 的动物性蛋白质和脂肪的摄入，已给人类带来了极大的危害和后遗症，导致人类慢性病和 癌症发病率的上升。人类本身面临饮食结构的合理性改革，天然、绿色、有机的食品成为 未来饮食结构的重要组成部分，而食用菌被认为是最理想的蛋自质和组合营养物的来源 ”j ，并与其它植物性蛋白一道，促发了人们膳食结构中与动物蛋白的此长彼消，导致锓桌 经济的天平向绿色、安全和保健的食品倾斜，开始形成“动物、植物、菇菌”并重的国民 三元膳食结构。 近几年来，国内外食用菌产业发展相当迅速。我国是食用菌生产大国，食用菌产业作 为一种农业与工业、生产与消费、城市与农村紧密结合形成的新兴产业，在我国得到迅速 发展，2 0 0 2 年我国产出平菇2 5 9 万吨，香菇2 0 7 万吨，双孢磨菇7 4 万吨，黑木耳4 2 4 万吨， 其他还有姬菇、草菇、灵芝等。产量均居世界第一位，占世界产量6 5 1 4 j 。在我国，食用 菌产业已逐步发展成为现代生态农业的重要组成部分，同种植业、养殖业并驾齐驱，成为 农业的三大支柱产业。 培养基是食用菌生长发育的土壤，食用菌的栽培是利用其他产业( 如农作物秸秆及其 副产品、木屑等) 的废弃物作培养基。尽管我国培养基资源十分丰富，但由于受国家保护 生态、实行封山育林政策对木屑型培养基原料的影响，平原地区生产食用菌培养基的原料 愈加匮乏。随着食用菌需求量的快速增长，食用菌生产迫切需要一种质量高、数量大的培 养基代用原料。据研究，桑枝屑是大部分木屑型食用菌的理想培养料，可用来培育平菇、 香菇、黑木耳等。以桑枝屑为主要原料栽培的食用菌，其营养价值高，口感好，外观整齐， 产量高，加上桑树因养蚕需要无农药污染，是真f 的绿色食品，极易进入国际市场。目前 国内许多省市已逐步推广利用桑枝生产食用菌技术，江苏、浙江、安徽、福建、宁夏等地 区已有利用桑枝栽培平菇、香菇、金针菇、灵芝、虫草等食用菌的技术的报道，取得了很 好的经济效益，具有广阔的市场发展前景。 众所周知，我国是世界桑蚕大国，拥有1 1 2 5 万亩的巨大桑树资源，每年夏、冬两伐的 大最废弃桑枝资源没有得到充分的开发利用。经调查，目前大部分桑枝仍然被废弃或焚烧， 浪费资源，污染环境。用废弃的桑枝加工食用菌培养基，已成为促进环境保护，增加农民 收入，实现可持续发展的重要途径。 1 3 课题的国内外研究现状 工业革命后，随着微生物学、真菌学、遗传学、生物化学等学科的发展，德、法、英、 美、r 本等国将食用菌的栽培和加工推进到科学化的阶段，成为重要的产业。第二次世界 大战后，荷兰、美国、f 1 本等些发达国家的食用菌生产趋于工业化、工厂化、机械化和 集约化【”。日本2 0 世纪7 0 年代建立了瓶栽食用菌的机械化、工厂化生产，从装瓶、接种、 搔菌、挖瓶均采用了机械化操作手段，智能化控制生长环境，实现了鲜菇生产周年化和产 品质量标准化口】。其中，长野最大的金针菇生产厂拌料、灭菌、接种、培养、搔菌、出菇 全程实现自动化，包装车间数十台自动包装机一字排开，产品经过输送线和自动分检装簧， 源源不断地送出m 。在欧洲和美洲，荷兰、英国、法国和美国等国家，培养基的堆移、发 酵、翻堆、输送、培土等全部自动化，由电脑控制整个流程，形成了专业化、规模化、工 业化生产，例如，b v be u r o v e e n 公司专业从事蘑菇覆土材料的营养配置、生产销售n 近年来，国外发达国家与地区的食用菌培养基生产已工厂化、机械化、自动化，稳定控制 了培养基的原料组成、比例与含水率，保证了食用菌的营养成份和质量品质。 目前国内食用菌培养基设备的生产还处于比较低的水平，食用菌产业链中培养基原料 制各手段相当落后，原有一些食用菌培养基生产设备的企业，由于自身技术力量薄弱，只 能生产一些简单粮糙的设备，如小型装袋机、简易搅拌机等单机，自动化程度低，成套性 差，生产效率低，劳动强度大，不能满足工业化大规模生产的要求，严重制约了产品质量 的提高和产业规模的发展。目前，江苏省连云港市国鑫医药设备有限公司和连云港市农机 试验推广站引进国外的先进生产设备和技术，自行开发研制出了食用菌工厂化生产系列成 套设备。该成套设备是主要针对金针菇的生产，采用瓶栽方式的自动化作业，实现了食用 菌生产过程中的装瓶、接种、搔菌和挖瓶等自动化作业【7 j 。 目前，大量的平菇和香菇还是采用袋装培养基进行培育，但针对袋式桑枝食用菌培养 基自动化加工设备的开发，国内外还尚未见报道。国内生产基本是人工操作或借用其他相 关设备进行单机辅助性作业，人工参与多，配方难以规范标准，自动化程度几乎为零，劳 动效率极低，以致食用菌的质量得不到保证，难以实现规模化、产业化经营；而且加工环 境恶劣，危险性较大，已成为充分利用桑枝资源加快食用菌产业发展的一大瓶颈。 2 1 4 课题的研究意义 本课题研究利用机电一体化控制技术开发高效低耗、经济实用、安全可靠的桑枝食用 菌培养基自动化加工装备的控制系统，能够高效、快速地实现由桑枝屑到食用菌培养基的 自动化生产，操作人员只需负责定期添加各种配料、监控生产过程、定期维护以及在遇到 异常生产状况时停机检修等工作。 据全国性的食用菌行业协会统计，在我国农村中种植食用菌的从业人员多达4 7 0 0 万， 大大提高食用菌培养基生产的自动化水平，对于保证食用菌培养基成品质量的合格率，提 高劳动效率，降低劳动强度和生产成本，解决我国食用菌产业链中原料制备和供应的滞后 问题，促进食用菌产业化、工厂化和规模化生产，合理转化农村剩余劳动力，增加农民收 入，进一步推动我省和全国农业和农村经济的协调发展，以及对解放和发展生产力、提高 农业整体素质、加快我国的农业现代化进程和建设社会主义新农村都具重大的现实意义。 本课题的实现还有利于充分利用我国丰富的桑树资源，变废为宝，物尽其用，增加蚕 桑生产的附加值，提高桑园的综合经济效益，将资源优势转变为经济、社会和生念效益， 促进我国生态型农业的可持续发展。 1 5 课题的主要内容 本课题所做的主要工作有以下几个方面： 1 、在对桑枝食用菌培养基的技术要求、生产工艺、操作流程综合分析的基础上，结 合项目的实际情况设计了新型的桑枝食用菌培养基自动化加工设备的控制系统。 2 、完成下位机系统中p l c 和人机界面的选型及各种电气控制设备的选型，分析p l c 输入输出构成并给出p l c 系统的硬件连接图。 3 、掌握和使用三菱公司的f x 2 n 系列p l c 及其软件开发系统g xd c v e l o p e r 和触摸屏 f 9 0 0 g o t 及其软件开发系统f x p c s d u w i n c ，给出控制流程图并编制控制系统的p l c 程序，并完成实际生产现场的系统调试。 4 、设计上下位机系统的通讯方案和编程，利用p l c 的自由口通信方式，通过计算机 串口实现上下位及系统的数据传输。 5 、利用工控组态软件m c g s 编制具有良好人机交互性的自动化生产监控系统，完成 组态程序控制界面设计、内存变量定义、报警系统、数据维护和脚本程序开发等工作，实 现上位计算机对p l c 所连接设备工作状态的实时监控。 第二章桑枝食用菌培养基自动加工设备控制系统的设计 桑枝食用菌培养基生产工艺复杂，加工环节较多，由原料提升、称重配料、混合料搅 拌、培养基出料、输送和袋式包装等组成，生产设备类型多且布置较为分散；又由于在加 工现场，各种原料仓结构不封闭，不可避免的木屑、粉尘飞扬，使整个系统的工作环境非 常恶劣。这些因素都决定了必须提高桑枝食用菌培养基加工设备的自动化程度，从而实现 食用菌培养基的工业化、产业化生产。 2 1 桑枝食用菌培养基 本套培养基加工设备所生产的桑枝食用菌培养基主要满足食用菌生产企业工业化生 产平菇和香菇的要求，所以对于培养基的配方比例和原料质量有着严格的要求。 2 1 - 1 桑枝屑对食用菌培养基质量的影响 桑枝屑是桑枝食用菌培养基的主要原料，其含水率和粗细程度对培养基质量有着明显 的影响。 1 、含水率。桑枝屑原料的含水率不宜过高，一般1 2 一1 5 最合适。因为含水率过 高，桑枝屑原料容易发霉变质，不能长期大量保存供应生产；而且在合适的含水率条件下， 桑枝屑内部能够形成一种便于菌类微生物侵入、发酵以及供菌丝生长的有机酸f 8 】，这样更 有利于食用菌的生长。 2 、粗细程度。食用菌对培养基原料的粗细度有一定的要求，尤其是桑枝屑，如果桑 枝屑过细，不但粉碎生产率低，而且作为培养基时透气性差，影响菌丝繁殖；如果桑枝屑 过粗，则容易刺破包装袋，引起杂菌侵入感染，同时培养基也不易压实，栽培时容易丧失 水分。故一般粉碎机的筛孔直径范围在9 1 2 m m 时粉碎的桑枝屑比较理想。 2 1 2 桑枝食用菌培养基的配方 食用菌培养料含有水分、碳源、氮源、无机盐、生长因素等，要求营养协调、酸碱度 和渗透压适宜，具备良好的通气性能。桑枝屑纤维素约占5 0 左右，木质素和半纤维素 占2 0 以上一j ，桑枝组织幼嫩疏松，其碳源部分的纤维素易分解，利用率高，可作为培养 基的主要碳源成份；带皮桑枝屑的p h 值为6 5 ，而出菇期间桑枝屑的p h 值稳定为4 2 一5 ， 处于出菇的最适合p h 范围。 合格的桑枝食用菌培养基的含水率范围为6 2 5 卜_ 6 5 ( 误差为2 ) ，我们从东台 食用菌生产基地长期种植食用菌的配方中选择一种配方，其具体配比为：桑枝屑7 8 ( 初 始含水率为1 2 一1 5 ) ，麸皮1 0 ，玉米粉1 0 ，石膏2 ，白糖和微量元素少许，其 中料水比为3 5 ：6 5 。 2 1 3 桑枝食用菌培养基的含水率 桑枝食用菌培养基对于含水率有比较严格的要求，一般为6 2 6 5 ( 误差2 ) ， 这样的做法主要是考虑到：一方面，检测到的含水率数值直接传输至上位计算机，为下一 个加工周期添加混合溶液重量提供控制依据；另一方面，合适的含水率有利于袋式培养基 的高温灭菌消毒、菌种接种和出菌等，为培育品质优良的食用菌提供保证。 目前，常用的散料水分检测方法比较多，主要分为直接法和间接法。直接法是通过干 燥或化学方法，直接去除散料中的水分，检测出样品的含水率，检测精度高，但费时，不 适于在线检测；间接法是通过与水分有关的物理量( 例如物质的电导率、介电常数等) 的检 测，相应地测定物质的含水量，一般速度较快，易实现在线检测。直接法包括干燥法和化 学法，例如干燥法有：电烘箱法、减压法、红外加热法、微波加热法等：化学法有：蒸馏 法、卡尔费休法、碳化钙法等。间接法有电测法，主要是电导法和电容法，以及微波法、 中子法、核磁共振法、色谱法【1o j 等。 在食用菌培养基的生产过程中，能够获得比较准确的含水率的方法比较多，例如使用 传统的检测方法，在现场对培养基进行取样后，用电加热、真空一热风加热或者微波加热 后称重，计算出准确的含水率值，这些方法测量准确，但操作复杂，耗时较多j ，而且 培养基一个生产循环的基本加工时间约为2 0 分钟，这样就不能适应工业化生产的需求。 所以，要快速得到含水率值，通常采用基于木材电学性质的电测方法确定含水率【l “，一 般使用电容法、电阻法等，这种方法能够实现在线连续检测，但也存在着不足之处，它对 于木材含水率的测量范围较小( 6 3 0 ) 【l ”。成品食用菌培养基作为一种含水率高的 散料，其电学性质与木材的电学性质存在较大的差异，使用电测法进行含水率的测量有可 能得到与木材截然不同的结果。所以，我们尝试选用电容法( 图2 1 ) ，利用不同物质的 介电常数随着含水量的增加而相应增大的性质设计了含水率检测实验。 图2 1 桑枝食用菌培养基含水率电容法实验的原理图和实验装置 在实验中，两块铜板电极之间填满已知含水率( 分别为6 0 和7 0 ) 的培养基并压 实，在电极板两端加上不同的交流电压，记录不同电压相对应的电流值，并进行反复实验。 电容法实验的数据见表2 1 和表2 2 。 表2 1 桑枝食用菌培养基含水率电容法实验的电流数据一l 培养基的含水率为6 0 横坐标为实验重复次数，纵坐标为在不同交流电压( v ) 下对应的电流值( m a ) 翁孑 1234567 8 电压( v ) 1 25 49 01 6 83 51 3 11 4 81 8 91 0 1 1 31 9 72 3 12 8 31 7 22 4 92 6 33 0 82 5 o 1 43 0 53 2 63 5 o2 8 33 2 93 4 23 6 03 3 i 1 53 5 13 6 73 7 53 4 23 7 53 7 63 7 53 6 2 1 63 7 43 7 63 8 63 7 93 8 23 8 63 7 73 7 6 1 73 6 93 7 43 7 43 7 63 7 t 33 7 63 6 53 7 4 1 83 6 13 6 63 6 33 6 63 6 ，23 6 63 5 23 6 3 1 9 3 5 o3 4 - 33 5 03 5 93 5 13 5 53 3 13 5 1 2 03 3 83 3 13 3 03 4 43 3 33 4 23 1 93 3 3 2 1 3 183 1 3 3 1 33 3 o3 1 83 2 43 0 63 1 7 2 23 0 83 0 12 9 93 1 33 0 83 0 82 9 63 0 ，8 2 32 9 62 9 12 9 o3 0 o2 9 43 0 02 8 32 9 7 2 42 8 42 7 82 7 92 9 62 822 8 8 2 7 _ 32 8 7 2 52 7 32 6 82 6 62 8 22 7 42 7 82 6 12 7 ，4 2 62 6 12 5 82 5 52 7 32 6 5 2 7 02 5 22 6 2 2 72 4 82 4 22 4 62 6 22 5 12 6 o2 3 82 5 1 2 82 4 o2 3 ，22 2 92 5 ，2 2 4 22 4 52 2 92 4 1 2 92 3 12 1 - 82 2 22 4 o2 3 52 3 62 1 52 2 8 3 02 2 o2 0 8 2 1 3 2 3 12 2 32 2 42 0 ，42 1 7 3 l2 0 91 9 62 0 02 1 92 0 82 1 o1 9 22 0 8 6 表2 2 桑枝食用苗培养基含水率电容法实验的电流数据_ 2 培养基的含水率为7 0 横坐标为实验重复次数，纵坐标为在不同交流电压( v ) 下对应的电流值( m a ) 掰号 1 2 3 45 6 78 电压( v ) 9 3 5 3 93 3 2 32 3 1 6 1 51 ，5 1 05 0 1 4 4 1 4 2 6 41 6 81 6 61 6 61 5 7 1 0 51 2 12 4 92 2 91 3 22 2 82 2 32 2 92 3 3 1 1 1 9 83 0 53 0 8 2 1 62 9 8 2 7 6 2 9 - 82 9 3 1 1 52 7 43 3 33 4 12 6 73 4 53 1 73 3 73 3 4 1 231 83 5 53 6 _ 33 2 53 7 43 5 03 6 53 6 4 1 33 7 03 7 83 8 53 6 43 8 63 7 03 7 93 8 ，o 1 43 8 73 8 43 8 63 7 73 8 _ 83 7 63 763 8 4 1 53 7 63 6 _ 33 7 63 673 7 73 6 33 6 53 6 5 1 63 6 43 4 43 5 53 5 63 5 33 4 43 4 43 4 3 1 73 4 23 2 23 3 13 3 53 3 43 223 2 13 2 2 1 83 2 03 0 43 1 4 3 1 4 3 1 43 0 83 0 73 0 5 1 93 0 62 9 12 9 92 9 93 0 42 9 52 9 42 9 3 2 02 8 92 7 82 8 52 8 ，62 9 ，o2 8 22 8 o2 7 9 2 l2 8 12 6 22 7 32 7 42 7 _ 32 7 02 6 42 65 2 22 6 62 4 52 6 12 6 o2 6 02 5 52 4 82 5 3 2 32 5 42 3 32 4 82 4 92 4 52 4 32 3 62 3 5 2 42 4 12 1 92 2 92 3 32 3 22 2 62 2 02 2 o 2 52 2 52 0 _ 32 】32 1 92 1 62 1 62 0 62 0 4 2 6 2 1 01 8 92 0 12 0 72 0 22 0 21 8 91 8 8 鼍 垂 粤 5 1 0 1 5 图2 2 2 02 53 03 551 01 52 0 电压( v )电压m 牢：7 0 2 53 03 5 桑枝食用菌培养基含水率电容法实验的电压一电流曲线 7 们如加”m，o v【i|v鹾鲁 柏峙m，o 由表2 1 、表2 2 和图2 2 可以看出，培养基的含水率为6 0 、交流电压为1 6 v 时， 电流值都有最大值范围3 7 3 9 m a ；培养躯的含水率为7 0 、交流电压为1 4 v 时，电流 值都有最大值范围3 7 3 9 m a 。当培养基的含水率比较高的时候，使用电容法进行检测， 仍然呈现出定的规律曲线，这为我们实现含水率在线检测、实时控制锥形搅拌缸混合溶 液重虽提供了呵行的研究方向。 2 2 桑枝食用菌培养基的生产工艺 2 2 1 生产工艺流程 整套桑枝食用蔺培养基自动化加一l ：设备包括配料搅拌加工装置( 以下简称配搅线) 和 培养基包装机( 以f 简称包装机) 2 部分，如图2 ，3 所示。 图2 3 桑枝食用菌培养基自动化加工设备简图 1 、配搅线部分工艺流程 使用斗式提升机，将桑枝屑和麸皮提升输送入各自的原料仓中；同时在混合液搅拌缸 中，根据培养基的配方，在一定质量的水中按e e 例投入玉米粉和石膏，并进行充分搅拌制 成混合溶液；之后按照添加配料的顺序( 桑枝屑一麸皮一混合溶液) 开启和关闭各个原料 仓和混合液缸的阀门，向锥形搅拌缸中进料，由搅拌缸上的称重控制器严格控制各种配料 的重量，并充分混合搅拌所有配料；搅拌完毕后，开启锥形搅拌缸的阀门，成品培养基依 靠自重下落至带式输送机上，利用带式输送机将培养基输送至过渡料仓，为包装机进行袋 式包装做准备。 2 、培养基包装机部分 过渡料仓中的成品培养基依靠自重进入包装机的小料仓，小料仓中的搅拌器不断地转 动将培养基挤入已套在转盘出料口上的包装袋中并压实，通过转盘的转动，工人取下袋装 培养基并完成封口，符合要求的袋装桑枝食用菌培养基加工完毕。 2 2 2 培养基加工时间设计 食用菌培养基的充分搅拌混合是由锥形搅拌缸完成的，其生产能力直接关系到整套加 工设备的工作效率。经过实验，我们测量出桑枝屑( 初始含水率为1 2 1 5 ) 的密度和 锥形搅拌缸每一缸加工的培养基重量，具体数据请见表2 3 。山表中可以看到，锥形搅拌 缸实际生产培养基的能力为1 0 5 k g 缸。 本套培养基自动化加工设备预期的生 产能力为每小时加工培养基约1 0 0 0 k g ，以一 班8 小时加工时问，一班能够生产培养摹8 吨。所以，根据各种配料的添加顺序、锥形 搅拌缸的实际生产能力和培养基含水率的 要求，我们进行反复实验，合理设计每一道 生产环节所需要的时间，得到较理怨的加工 时间编排，从而保证了培养基的加工效率。 具体的加工时间编排见表2 4 。 表2 3 锥形搅拌缸的生产能力 基本容积v o 满载系数a 实际容积v ( q v 。) 桑杖屑密度p 桑枝屑重蛀缸 成鼎培养基蓝啦缸 根据表2 4 的加工时问，1 小时可生产l o 缸培养基，约1 吨，j 、时，基本满足预期的 生产目标和工业化培育食用菌需要大量培养基的要求。经包装机包装后，食用菌培养基每 袋重量为0 5 1 5 k ，以1 k 为例，包装机每小时可以生产1 0 0 0 袋，日产量达到8 0 0 0 袋 左右。 表2 4 培养基加工时间编排 2 3 控制系统的总体方案设计 2 3 1 控制系统的基本结构 桑枝食用菌培养基自动化加工设备的控制系统可分为以下3 部分：第一部分是以斗式 提升机、混合液缸、锥形搅拌缸、带式输送机为主以及各种电动机、电磁阀、料位传感器、 液位开关、称重控制器等组成的外围生产设备系统；第二部分是由可编程序控制器( p l c ) 、 触摸屏及其软件以及外围部件组成的下位机控制系统：第三部分是由计算机和组态软件 9 毗石毗可蜒沁 嚣淼麓 m c g s 组成的卜- 位机监控管理系统。 ：位机监控系统由台计算机和组态软件m c g s 组成，其主要能够实现控制系统的 ： 作状况显示、信号报警、信息查询和打印等功能，它接受下位机系统采集的所有设备的 状态信息，并在监控画面中显示所有设备的运行状态，全面监控桑枝食用菌培养基自动化 加工设备的工作。 f 位机控制系统是 自可编程序控制器( p l c ) 、触摸屏及其外围部件组成，出p l c 和 触摸屏来控制所有的电动机和f 缸磁阀。通过采集各种所需要的信息，p l c 根据设定的程 序来控制电动机和电磁阀，从而实现控制培养基自动化加工设备运行的目标。 2 3 2 控制系统的基本内容和功能 2 3 2 1 上位机监控系统的内容和功能 上位机监控系统选用主从控制方式，控制室内设有一台计算机，它和组态软件m c g s 组成上位机监控管理系统，负责系统的全部监控和管理任务。本套设备中上位机监控系统 主要具有以下内容和功能： l 、m c g s 组态软件采用动画方式直观模拟显示整套培养基加工设备的工作状况以及 各个设备的实时运行状态，监控画面的人机交互性良好，操作者在控制室内可以直接对系 统进行调度和管理。 2 、通过r s 4 8 5 接口与生产现场所有的p l c 进行通讯，接受各传感器采集的各个设 备的状态信息，用于监控系统的显示、记录和控制。 3 、自动监视系统的运行状态，当发生故障时进行声光报警，显示可能产生故障的原 因，提示操作者及时处理，报警记录能够自动保存至数据库中，并能够任意查询和打印指 定数据对象在指定时间范围内的报警信息。 4 、根据实际生产计划的变化，及时设置和修改各加工工艺参数，例如培养基配方、 原料比例、每一加工环节的加工时间等，以满足生产的需要。 5 、监控系统设有帮助画面，为操作者提供生产工艺说明和设备操作指南，避免发生 误操作，造成人员和设备的损害。 2 3 2 2 下位机控制系统的内容和功能 下位机控制系统主要是由可编程序控制器( p l c ) 、触摸屏及其软件以及外围部件组 成，主要是能够实现桑枝食用菌培养基自动化加工设备自动、安全、高效和稳定的运行， 满足培养基工业化生产的要求。因此，下位机控制系统具有以下的基本功能： 1 、能够完成生产现场原料提升、混合溶液配制、按工艺顺序称重添加原料、混合料 搅拌、培养基落料、传输以及培养基包装的自动控制。 2 、实时采集原料仓和过渡料仓料位、混合液缸液位、搅拌缸配料重量以及包装机运 行时的限位信息。 3 、使用触摸屏，实现自动，手动控制的任意切换。自动模式下，培养基加工设备按照 预先设定的程序自动运行；手动模式f ，可以完成各设备的调试、检修和维护，并对生产 过程中遇到的紧急故障及时进行人工处理。 4 、能够与上位机监控组态软件m c g s 进行通讯，实现加工漫备的远距离控制和状态 检测，向上位机发送各电气设备的1 ：作状态，接受并运行上位机发送的培养基加：1 ：设备的 控制指令和参数设置。 5 、对设备运行过程中出现的故障进行声光报警，提示操作者尽快排除故障。 6 、系统应该适应工业生产控制的要求，并且具备良好的可扩展性【1 “。 2 3 3 控制系统的控制方式 培养基配搅线和包装机的运行控制方式分为自动控制方式、软件手动控制方式和现场 手动控制方式三种。， l 、自动控制方式 这种控制方式是所有生产过程全部在计算机的监控下完成的，自始至终都4 i 需要操作 者参与。p l c 通过各种传感器测量出各设备的运行状态信息，与程序中设定好的参数进 行比较，根据比较的结果来控制相应设备的运行；与此同时把这些由传感器采集的信息传 输给上位计算机，把设备运行状态的变化通过监控画而显示出来，使操作者在控制室里可 以了解全部设备的工作情况。 正常情况下设备以此方式运行为主。当操作者在控制室内使用计算机上运行的组态软 件启动自动运行控制指令时，培养基自动化加工设备将按预先设计的自动控制程序运行。 2 、软件手动控制方式 软件手动控制方式是基于上位机监控组态软件的一种运行方式，操作者在控制室内通 过计算机上的监控组态软件对某个或部分子系统的运行进行控制。例如，当某一锥形搅拌 缸出料出现故障，无法正常生产，操作者可以通过组态软件的监控画面将这个锥形搅拌缸 暂时从整个系统中排除，而另外2 个锥形搅拌缸仍然继续正常运行。 一般当自动控制系统出现故障或者只有1 只锥形搅拌缸单独参与生产时，操作者在控 制室内使用软件手动控制方式进行控制，保证生产连续进行。 3 、现场手动控制方式 这种控制方式是完全基于触摸屏的一种运行控制方式。本套设备中使用2 4 台三相异 步电动机、1 台步进电动机、2 2 只电磁阀以及6 只料位传感器和2 只液位开关，如果全部 使用按钮、开关、继电器和接触器来构成控制系统，那么整个系统非常庞大，结构复杂， 检修困难，可靠性差，所以本控制系统使用触摸屏代替所有的开关，和p l c 共同构成现 场手动控制方式。当系统无法进行自动控制和软件手动控制时，操作者在生产现场直接操 作触摸屏将控制系统切换到现场手动控制方式，并同时在程序中屏蔽自动控制和软件手动 控制方式，操作者根据触摸屏的提示，操作按键，直接对斗式提升机、锥形搅拌缸、带式 输送机以及包装机等电气设备进行控制。 一般当系统运行时出现某些紧急故障或者进行维修调试的时候，采用这种控制方式， 保证了操作者和设备的安全。 2 4 控制系统的外围设备组成 2 4 1 生产设备的配置 桑枝食用菌培养基加工复杂，采用了