一种基于PLC的菌棒自动化注水肥装置设计

0引言

食用菌作为农业经济中的一种重要产业,仅次于粮、棉、油、菜和果,居第6位,其需求量连年递增,其生产方式也在不断革新^[1]。袋栽食用菌是近年发展比较成熟的一种食用菌生产方式,主要用在平菇、香菇和黑木耳等营养价值高、经济效益好、市场需求量比较大的食用菌生产过程中,现在绝大多数食用菌生产基本都采用袋栽方式进行。

食用菌在生产过程中需要保持一定的湿度、温度、养分等才能保证有较好的品质,为此在食用菌的生产过程中必须对菌棒进行多次注水肥作业才能保证菌生长在最佳状态。目前,菌棒补水主要有注水法、浸泡法、直接喷淋法^[2]。

通过人工方式注水肥虽然注水肥方式简单,投资少,但是存在着作业效率低下、水肥资源浪费大、注水肥效果难以保证等问题。而简易的机械方式注水肥存在着无法精准定量注入问题,造成同一批次不同菌棒的注水肥数量、效果不佳等问题。

为了破解菌棒注水肥过程中存在的上述难题,设计了一款基于PLC控制的自动化注水肥装置,此装置可以精确控制注入每只菌棒的水肥量,而且使水肥资源得到了高效充分的利用,提高了菌棒的产量,降低了作业人员的劳动强度。

1菌棒注水肥装置总体设计

菌棒自动化注水肥装置的主要功能是完成菌棒注水肥作业过程中的定时、定量、自动注水肥作业,要求作业时自动化程度高,节约水肥资源,同一批次菌棒注水肥效果一致性好。

由其主要功能分析,菌棒注水肥装置主要由控制器、泵、传感器、电磁阀等元件组成。控制器是整个注水肥装置的控制核心模块。在注水肥作业前,装置由用户设置注水剂量、注水时间、注水压力等各种作业参数;装置应该具备就地与远程操作多种工作模式;注水的各项作业数据应该能够通过报表、曲线等方式呈现与查阅,关键生产数据能够存储便于用户分析优化作业流程。除此之外,装置应该设缺水、加工异常等报警功能。

菌棒注水作业的流程是菌棒先由操作人员将菌棒放入注水作业架,完成称重作业。控制单元接受称重作业数据后根据设置的注水参数经过相关程序运算之后完成定量注水作业,注水结束再次进行称重作业,判断是否达到预设的注水效果。如果达到预先设定的注水质量,则完成本批菌棒的注水作业;如果未达到预先设定的注水质量,则再次启动补水注水作业。由上述食用菌菌棒注水装置的主要功能及作业流程设计,菌棒智能注水装置电气控制系统的总体框图如图1所示。

2硬件电路设计

2.1 PLC选型

PLC是菌棒注水装置电气控制系统的核心部件,是一种专门为工业环境应用而设计的控制器,具备数据处理、逻辑控制、过程控制、通信联网等强大功能。PLC组成的控制系统稳定性强、可靠性高,尤其是其具有的通信联网功能,可以实现对装置的远程控制,极大地方便了用户对设备的控制与管理。在此装置中,PLC主要用来控制水箱抽水泵的运行、菌棒注水细管电磁阀的启闭等,除此之外,还需能够处理注入菌棒水肥的剂量、菌棒的质量等模拟量,因此在PLC的选型中既要考虑数字量处理能力又要考虑模拟量处理能力,同时还需要兼顾与其他外设的集成。最终选择德国西门子公司的S7—1200系列PLC。S7—1200系列PLC因其组态灵活、设计紧凑、功能强大、性价比高而在国内外市场得到广泛应用。在此装置中,选择CPU1215C AC/DC/RLY型PLC。

2.2 变频器选型

基于PLC的菌棒注水装置的主要功能是向菌棒 注入精准的水肥。为此精准控制注入水肥是整个装置能否成功设计的关键。水肥在注入菌棒之前需要维持一定的压力,在此装置中注入水肥的压力是由泵的运行来实现增压效果的。由于菌棒的生长周期不同,批次不同,其菌棒的渗水程度不同,故注入时的压力每批次均不同,为此需要对增压的泵进行转速调节。变频器可将工频交流电转换成频率可控制的交流电,用于交流电动机转速的无级调速和高精度控制,在自动控制中被广泛应用^[3]。应用变频器调速,由于其输出频率精度可达到0.01%,故极大地提高了电动机转速的控制精度,使增压泵电机在最节能最经济的转速下运行。在菌棒注入装置中增压泵的功率是1.5 kw,故选择变频器的功率也为1.5 kw。考虑到与其他自动控制设备产品的一致性,选择西门子公司的G120系列变频器,G120系列变频器是模块化的变频器,具有精度高、经济性好的特点,它由接口单元、控制单元、功率单元三个模块组成。为了便于现场调试,变频器需配置智能操作面板(IOP)。

2.3注水针及驱动气缸选型

基于PLC的菌棒注水装置作业的关键环节就是向菌棒精量注水肥,具体的注水肥任务是通过注水针将水肥注入菌棒内部,注水针插入菌棒的运动需要一定的动力装置完成。稳定可靠的直线运动控制方案可选择步进电机或直线气缸两种配置方案。在此装置中,注水针的直线运动精度不需要特别精准控制,并且运动时需要克服菌棒内培养基对注水针一定的阻力,优先考虑选择气缸作为注水针的驱动装置。气缸由于所需的工作介质为空气,空气具有用取之不尽、用之不竭的优良特点,且气动装置运行起来相对比较平稳,投资维护成本也较低,为此选择气缸作为注水针的驱动动力装置是最为理想的配置方案。在此装置中选择原装SMC系列欧洲标准型气缸,其型号为CP96SDB80-400C-A93,此气缸最大行程为400mm,缸径为80mm,气缸运动速度可在50~500 mm范围内进行调节,完全满足驱动注水针作业的工况要求。注水针是整个装置控制的终端设备,注水针的外径为5 mm、内径为4 mm、针头长26 mm、针管长360 mm,针管上周围平均分布4个出水孔,为保证注水针注水的效果以及使用寿命,注水针委托专业厂家定制。

2.4传感器选型

菌棒注水作业过程对菌棒进行称重作业以获取菌棒注水量控制的基本参数,为此装置需要设计称重电路。目前称重电路一般选择市面上现有的称重模块结合相应的传感器(变送器)来实现。在菌棒注水装置中考虑到接线方式、测量精度、信号输出方式以及工作环境等因素,综合考虑选择西门子称重传感器7MH5107-4GD01,此款称重传感器具有测量精度高,工作电压宽,抗干扰能力强的特点,特别适合在菌棒湿度比较大的车间环境工作。为精准控制注水时注入水量的多少,还需计量注水量,在此装置中,选择流量传感器作为注水量的计量设备,流量传感器选择欧姆龙公司的E2E—X22C330传感器。

2.5 主电路设计

根据菌棒注水装置的工作原理及菌棒注水工艺要求 , 菌棒注水装置主电路主要由3 台 断 路器QF1—QF3、1台变频器G120、2 台交流接触器 KM1-KM2、注水泵电机M1、空压机电机M2等电气元件组成。在设计主电路时,考虑到注水泵电机工作运行时需根据不同菌棒注水要求进行调速,故设计了变频器进行调速;通常小型空压机作为气源工作时是在满载工作状态,且为断续性工作,故直接由工频电源驱动。主电路设计如图2所示。

2.6控制电路设计

由上述设计的菌棒注水装置主电路及其注水工艺流程分析得出,控制电路主要根据触摸屏或者远程上位机发送的主令信号、称重传感器等各类传感器检测到的待注水菌棒的基本参数等输入条件,经 PLC编制的程序进行数据运算处理后,控制变频器、加压泵、电磁阀、直线气缸、注水针等菌棒注水执行器件完成注水作业,具体电路如图3所示。

3 装置软件设计

3.1 PLC程序设计

由菌棒注水装置的工作原理及注水作业流程,设计菌棒注水装置PLC程序控制流程图如图4所示。根据流程图,在TIAV16环境下对菌棒注水装置控制程序进行编程、调试。TIA软件是西门子公司推出的全集成自动化软件平台,将PLC编程软件、运动控制软件、可视化的组态软件集成在一起,形成功能强大的自动化软件。

3.2 上位机监控界面设计

菌棒注水装置注水作业过程启动前,作业人员要把菌棒注水的时间、压力等基本信息通过上位机或触摸屏设置发送到PLC控制单元,同时设备运行的参数也要能够被操作人员监视,为此选择触摸屏作为上位机,完成人机交互的任务。菌棒注水作业设备的运行状态、启停操作各种启停命令、生产状况等都需要实时与生产人员等进行交互与监控。利用TIA V16环境下集成的HMI开发功能,设计菌棒智能注水装置上位机主监控界面运行画面如图5所示。

4 装置功能测试

通过试验对食用菌菌棒智能注水装置的实际注水作业效果进行测试,菌棒注水后的注水量是影响菌棒产量的重要因素,一般注水后重量比达到85%即认为合格,但实际精度达不到这么高,故实际生产中菌棒重量比只要达到85%±2%即视为合格。将需注水的25只菌棒分成5组进行测试,试验结果如表1所示。

由表1试验数据可知,被测试的5组菌棒注水后的质量比分别为84.8%、85.9%、85.2%、83.7%、84.1%,均值达到了84.74%。试验均值在装置注水合格85%±2%范围内,说明菌棒注水装置控制系统控制精度较高,达到了预期的设计指标。5组菌棒注水时间均值为120 s,注水时间、重量比均能够满足菌棒注水实际生产的需要,说明菌棒注水装置设计科学合理。

5结束语

本文以西门子S7-1200 PLC为控制单元设计了菌棒智能注水肥装置,装置能够根据不同批次菌棒的实际注水肥需要进行注水肥作业,极大地提高了菌棒注水肥的效率,减少了菌棒注水肥过程中水肥的浪费,提高了菌棒生产的质量。

随着以PLC为代表的自动化技术的进一步发展以及食用菌生产方式的不断改进,未来将有更加智能的设备应用到食用菌注水肥等农业作物生产全过程,农业作物的生产将会更加安全、优质、高效。

[参考文献]

[1]郭洪恩,李寅男,杨化伟,等.袋栽食用菌打孔增氧注水装置研制[J].农业装备与车辆工程,2022,60(6):24-27.

[2]柯双链,陈红,周建飞,等.香菇菌棒在架注水机的设计与试验[J].华中农业大学学报,2024,43(2):227-233.

[3] 高杨,黄一哲.基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制应用 [J].黄河水利职业技术学院学报,2023,35 (3):46-50.

《机电信息》2024年第16期第10篇