浅谈食用菌菌种处理机的设计研发

王密 李坤

摘   要：食用菌菌种处理设备尚无定型标准，是需要根据实际功能来自行设计和制造的非通用性设备。目前日本富士高科生产的菌种处理机处于世界领先状态，但是也有其弊端，生产效率低，备件可复制性差等。根据行业需求，设计的难度也较大。本文从食用菌菌种处理机的设计流程切入，分析菌种处理机特点，建立机械设备及过程控制系统。结合现场实测数据得出该过程控制系统具有较好的稳定性及较高的生产效率。

关键词：食用菌菌种处理机  设计  研发  非通用性  过程控制

中图分类号：S646                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0127-02

菌种处理是接种生产前的重要环节。菌种处理机是对菌种进行预处理，将老菌皮刮掉，老菌皮是不能够供接种使用的部分。我公司为国内真姬菇龙头企业，以先进的自动化设备替代传统设备。这其中自动化设备发挥着不可替代的重要作用，因此，设计研发菌种处理机是我公司提高生产产能的重要手段，可切实带动公司的发展，值得我们对其进行深入的研究。

1  菌种处理机设备设计方案

菌种处理机设备总长度为15.4m，主体设备8.32m，机械手分为机械臂、运动部分、抓取部分，其中菌种处理单元翻转臂有效翻转角度为180°，机械手臂运动部分行程为5.32m，机械手位移采用伺服电机搭配螺纹丝杠;抓取部分则为16台行程为30mm气缸配合专用夹具进行，同时机械手臂升/降动作由所缸带动，抓取高度范围在670～985mm;菌种处理机翻转臂采用伺服电机控制，能够精准将菌种精确移动至导料模具内同时菌种处理单元带动刀具对菌种精准处理。

物料传送单元采用链条传转模式，长度为12.4m，宽度为0.45m，对菌种进行传送及物料跟踪主体材料先用304不锈钢材质框架结构，选用不锈钢方管焊接支撑配合304不锈钢材质链条进行物流传输;如图1所示。

2  菌种处理机自动控制及工艺部分

菌种处理机采用PLC控制系统，主控制单元为一套西门子S7400 PLC，通过ProfibusDP网与4个西门子ET200远程站通讯，完成菌种处理设备基本控制功能及通讯功能;程序设计语言为SIMATIC STEP 7。设置一台PDA用于实时数据采集，设置一台工业PC作为工程师站。设置一台工业PC作为人机界面，人机界面软件选用西门子WinCC，设置一台过程计算机，即菌种处方管理平台，主要完成菌种处理处方运算等功能。

菌种处理系统主要工艺流程为：入料定位;机械手夹紧;前端链条传送;入空箱定位;料到位定位;机械手落下;中端链条传送;入空箱链条升;两侧定位;托盘升起;尾端链条传送;刀具运行;推空箱;刀具升降等主要部分，其中在入料定位前系统自动调取二级处方模型，采用当前菌种适用处方如菌种微跟踪控制，在得到菌种的绝对位置跟踪的基础上，还需要通过安装在传输线前入口检测器和伺服电机进行校验，保证跟踪的准确性，在菌种头部进入2号检测器时，由该信号触发菌种头部跟踪程序。通过前端链条传输区域菌种头部微跟踪程序，计算出菌种头部距离菌种处理系统的距离，根据这个距离将对应的机械手夹具打开。菌种尾部微跟踪，在菌种尾部离开2号检测器时，由该信号触发菌种尾部微跟踪程序。与头部的跟踪方法相同，计算出菌种尾部距菌种处理系统距离。根据这个距离将对应的夹具关闭。在人机界面上可显示菌种行进的位置。

利用Oracle数据库建立数据表来存储处方，处方管理程序开发，该程序可查看处方列表，在处方列表中双击任意处方可打开处方编辑画面。该画面提供新建、编辑和删除处方等功能;也可在数据库中新增菌种处方。

操作界面增加数据请求按钮，点击后向管理平台发送数据请求报文。管理平台收到请求后，连接数据库，根据菌种型号筛选可用处方，并将找到的唯一匹配数据发送给WinCC，显示到人机界面中。操作工可以修改，但是修改后的数值不写入数据库。同时加载相应的菌种处方，调用处方后系统会按该菌种处方执行命令，按菌种微跟踪系统，自动调节辊道速度，同时结合菌种处理机自动处理。

3  菌种处理机电气控制部分设计及过程控制

菌种处理机工艺的实现离不开精确的计算机控制系统，其中过程控制系统发挥了重要作用，该系统主要实现如下功能：（1）物料跟踪控制;（2）处理规程制定（包括菌种处理模型调用及菌种选料）;（3）菌种处理速度及料面处理位置计算;（4）个体菌种处理过程微跟踪;（5）过程控制数据库管理;（6）与设备之间通讯管理实现设备控制、设备参数反馈等功能。具体功能示意图如图2所示。

4  人机界面上主要参数的计算原理

机械臂的实际行进距离：从程序中功能块中可知道其计算原理，简单描述如下：其定位原理依据两个自动化元件，接近开关和伺服电机搭配。当机械手向前移动离开后极限位置时，触发一个下降沿的信号，记录下此时伺服电的数值，并以此数值为零点，然后伺服电机会随着机械手臂的动作而改变数值，与零点数值的差经过换算后得到的就是机械手臂的实际距离。

机械手前翻转设定值的换算公式如下。

机械手设定值=3310-菌种过激光线距离（A）+菌料宽度（B）-200+调整值（C），由此可见决定机械手的翻转距离的重要因素是A、B、C三个重要的变量。

注意：操作工进行菌种处理操作时，应首先观看此数值是否在正常的范围内，因为一切的翻转动作都是以次数为基础的，一旦出现非正常状态，要立刻转换到手动状态或通过调整值来进行修改。

后翻转设定值的计算公式：

后退设定值=1/2×菌料宽度-500+后退调整-（设定值-上升时的机械手水平实际值）

5  结语

2019年底，河北丰科生物科技有限公司自主研发食用菌菌种处理机试运行。该系统采用二级自动化进行过程控制，能够对菌种处理进行全自動控制。不同菌种通过处方平台制定相应的菌种处理规程。同时具有通讯、微跟踪、数据记录、离线计算、经验积累单元及界面显示等多种功能，能有效完成菌种在线处理控制任务。产能提高50%的同时合格率达到99.9%，可以较好地为过程控制系统的有效运行提供保证。

参考文献

[1] 初文博，刘明哲.非标设备设计及加工分析[J].山东工业技术，2019（10）：35.

[2] 梁颖星.非标自动化设备的特点及设计分析[J].科技资讯，2019，17（26）：50，52.

[3] 张攀，张勇，吴斌，等.某非标自动化测量设备设计[J].汽车工艺师，2019（8）：49-52.