双孢蘑菇上料装备从自动化到智能化的发展升级

2021-12-02颜卫兵李伟伟张晓召

食药用菌 2021年6期

颜卫兵李伟伟张晓召

（浙江宏业装备科技有限公司，浙江温岭 317502）

自1980—1985年我国从欧美引进5 套双孢蘑菇工厂化设备线进行工厂化生产[1]，我国双孢蘑菇种植开始进入以自动化设备为主导的工厂化种植路线。近40年来，工厂化种植企业不断增加，国内也涌现出一批进入该领域的装备制造企业。在一定程度上，国内装备制造企业的加入限制了国外装备企业对国内市场的占领，其中一些企业，在多年的发展中不断完善产品线，提高产品的自动化程度，已经在国内市场占有大量份额，甚至开始拓展海外市场。尽管如此，我们的设备与国外相比尚有差距。

目前我国食用菌种植企业已普遍采用自动化装备用于生产。自动化装备主要替代技术含量低且重复性高的常规劳作，解放了人力，提高了生产力。然而，装备使用中出现的非常规故障往往千奇百怪，解决这些故障对一般操作人员来说并非易事。因此，要求新一代装备需配备智能系统，以帮助使用者快速解决出现的故障问题。

1 “智能制造”是食用菌装备发展的必然路径

1.1 新一代智能装备的提出

《中国制造2025》（国家行动纲领）是国务院于2015年5月印发的部署全面推进实施制造强国的战略文件，是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。其对农业装备制造提出新要求：提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力，推进形成面向农业生产的信息化整体解决方案[2]。“智能制造”的提出是技术创新累积到一定程度的必然结果[3]，是制造业进一步发展的必经路线。而信息技术、检测技术、无线通信技术、人工智能技术在物联网智能家居行业的大力应用，表明传统行业结合新一代信息技术应用，将焕发新的生机。

1.2 当前自动化设备使用中存在的问题

国内农业装备产品，目前大多采用传统的电气控制，少数拥有自动化技术，可以完成一些工艺的过程控制。以国内双孢蘑菇工厂化生产线为例，虽说采用了自动化生产线，但大多自动化程度较低，为“孤岛式”、单一、分散的自动化产品，整体缺少内部信息数据的共享；无法给使用者反馈有用信息，如设备参数的最优调整、故障信息的有效解决思路等，也无法自动调取历史最优参数。

多数自动化设备，通过触摸屏和PLC 的通信进行设备运行数据的更改，但触摸屏一旦发生故障，设备就会停止运作，只有更换新的触摸屏、更新程序，才能重新使用。这需要专业的技术人员操作，并无形中浪费了时间成本。如何在触摸屏故障时，设备依旧能够运作，是当前需要解决的一个问题。

下面以菇房上料设备从自动化走向智能化为例，说明如何解决以上问题。

2 菇房自动化上料系统的组成及运行情况

2.1 系统的组成框图

菇房自动化上料设备作为双孢蘑菇工厂化种植中重要的一环，其性能的好坏，直接影响生产能否顺畅高效进行，间接影响双孢蘑菇的产品质量。目前菇房自动化上料设备主要由6 部分组成（图1），其中05 基料上料机模块是整个系统的核心。

2.2 系统的运行机理分析

如图1所示，01～04 四大部分协调运作，是把三次基料经上料机输送到菇床，并一次性完成覆土的生产工艺过程。

图1 菇房自动化上料系统的组成框图

01 基料运输车模块和03 基料输送带模块，完成基料供应和输送；通过05 上料机模块的检测给出信号启停01 和03 模块，保证上料机内拥有适宜的料量。02 覆土运输车模块和04 覆土输送带模块，完成覆土的供应和输送；通过05 上料机模块的检测给出信号启停02 和04 模块，保证上料机内拥有适宜的覆土量。

当上料机内部基料量和覆土量足够时，上料机运行并传出控制信号启停06 拖网机模块，此时上料机往前输送处理后的基料；当基料传递到菇床网布上面时，启动拖网机往前拖动网布，直到网布和网布上的基料覆盖整个菇床，在拖网机侧按下停止按钮，系统停机，上料完毕。

2.3 系统存在的缺陷

以上所述为自动化上料系统单层上料的运行过程，而整个菇房的上料则是重复这一过程。该系统已实现自动化，为使用者带来便利，也为企业节省了大量人力。但从精细化方面看，其仍显“粗放”，具体表现为：

（1）当发生故障时，机器无法与人“对话”，就如何解决故障进行有效“交流”。

（2）现有国内外上料设备均依靠人眼进行设备和料床之间的衔接对齐操作，而菇房内每层料床的间距为定值，完全可以通过上料机智能化的信息存储处理，让上料机自动升降到适宜高度，从而实现智能化对接每层菇床。

（3）上料过程中依靠启停01 和03 模块、02 和04 模块来保证上料机内部具备合适的基料量和覆土量；依靠启停05 上料机和06 拖网机，以等待上料机内部的基料达到合适的量。这一操作过程势必造成基料供应线的断裂，以及设备的多次重复启停，影响上料效率。

（4）基料和覆土的比例配合依靠人眼识别、手动调整，设备本身不能反馈数据。

（5）触摸屏是目前相关设备进行数据存储和简易报警显示的主要窗口，其在设备应用过程中居于重要地位，其一旦出现故障，整个设备将无从下手。因此淡化触摸屏在设备中的重要性或者提供一种备选，显得十分重要。

综上，结合国家对行业的整体规划和人民对智能化设备日益增长的需求，我们的食用菌上料装备虽已实现自动化运行，但在智能化、人性化方向上仍有较大的提升空间。

3 智能化改造与实施

3.1 智能化上料系统方案设计

对原有设备的智能化升级和改进，是采用新技术在原装备的基础上丰富、完善其功能。新的设备框图见图2。

图2 智能化上料系统设备框图

3.2 新增系统框架说明

新一代系统在原系统的基础上新增了智能传感器、智能移动终端、智能算法、专家系统及无线网络模块。其中，智能移动终端可采用智能手机；无线网络模块即WIFI 接入点和服务点，用于互联网数据更新和智能移动终端通信；智能传感器可以提供精准的物料信息和设备状况；智能算法模块和专家系统模块，为控制系统需要增加的部分，通过软件实现。

3.3 新一代智能系统的硬件基础

智能传感器。引入智能传感器可以对物料生产过程进行精准的分析和控制，是实现装备智能化的重要基础。如高度传感器可以采集物料的高度，得出物料的实际传送量，从而调整各物料的输送速度，自动调节各物料的混合比例，满足一定的工艺需求。

智能手机。丰富和方便了我们的日常生活，其转变为智能设备移动终端早已屡见不鲜。从空调电视遥控器的应用，到电磁炉、洗澡水的实时控制、监视，再到智能家居的万物互联，如今智能手机早已超出了通讯的范畴，成为我们日益依赖的重要利器。这一切得益于信息技术、网络技术、传感器技术的快速发展和大力应用。在装备制造业，把智能手机作为人与设备信息交互的一个接口，既解决目前装备高度依赖触摸屏的问题，又提升了设备的智能化水平。尤其在触摸屏故障时，智能手机可以无缝切入使用，解决燃眉之急。

装备的网络化功能。通过互联网，厂家可以远程进入装备的系统，实现系统升级、故障查看、代码优化等功能。既节约技术人员的出差调试费用，又能以最快的速度根据现场问题点给予客户中肯的指导意见。

3.4 新一代智能系统的软件算法

软件是硬件的大脑，软件系统指挥硬件的动作，一个好的软件算法可以让现有的机械设备运用起来更加的人性化、智能化。自动化设备往往依靠精巧的机械结构，或者采用接近开关、行程开关、检测动作的工步，切换到下一个动作，完成自动化的闭环运行。应用PLC（可编程逻辑控制器），也可实现采用继电器控制的电气系统的自动化设备的运行，但这一过程受制于传感器的状态，有时会发生误动作，如在测量模拟量时，干扰信号的输入可能会造成误动作。而智能化算法的引入，可以很方便地对输入信号进行二次处理，如不同滤波算法的选用可以滤除不同形式的干扰，提高系统的稳定性，减少因误差造成的误动作。

在双孢蘑菇上料设备对物料的检测中，引入滤波算法可以有效消除基料乱飞、大块料堆积所引起的干扰，从而优化供料过程的逻辑启停关系。在上料设备应用中，各模块的速度运转机构含有一定的运算关系，因此可通过智能化的程序算法设计，使得各部分速度按照一定函数约束关系运行，满足不同工况、不同设备间的速度匹配，从而让设备连续地工作。如新引进的设备，要与现有设备构成一个整体，协调运作，这时只需知道新引入设备的运行速度，再在原有系统参数上略作修改，即可投入良好的运行，从而让各设备整体协作运行，而非以往的“孤岛式”运行方式。

3.5 专家系统的应用

专家控制是把专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制[4]。通过计算机存储专家的经验，在设备计算机内部通过程序语言进行逻辑判断，让专家的经验指导系统的运行结果。该系统在故障诊断方面运用效果良好。故障以选择的形式进行，对目前设备可能故障状况进行列表，供客户逐级往下选择，系统最终根据客户选择的结果进行组合判断，给出故障可能点和维修方案。

每次的故障处理判断都能给系统一个学习机会，最终给出方案的数据结果会存储到数据库，并给出正确率的权值，以方便优化下次故障处理时正确调用解决方案。在互联的机制下，这些故障信息及解决方案，可以很方便地汇总搜集。所有的设备都构成一张网络，构成一个数据库，最终设备制造商可根据这些信息优化故障库，统一向客户推送、更新故障诊断信息。

综上所述，智能算法的引入，增强了原有控制系统对数据的处理能力和系统的健壮性；智能系统的引入能够给使用者提供建议，为人机交互提供了一个新的方法和平台。