菌包生产过程管理软件

 

设计说明书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目录

一、引言

1.1 编写目的

1.2 背景

1.3 编制依据

二、系统设计

2.1 需求

2.2 设计原则

2.2 总体设计

三、软件功能

3.1 登录设计

3.2 原料控制设计

3.3 制袋控制设计

3.4 菌包密度控制设计

3.5窝口插棒监控设计

3.6 装框监控设计

3.7 视频监控设计

3.8 报警设计

四、接口设计

4.1 人机接口

4.2 内部接口

4.3 出错设计

 

 

 

 

 

 

 

 

 

一、前言

1.1编写目的

本软件为配合菌包自动化生产系统，针对生产过程所需指标，采样生产过程中的数据，并以数据为核心，对生产过程进行人工干预，达到闭环控制的效果。

整个菌包生产线控制系统分为配料、制袋、套袋、打料、窝口、插棍、装框7部分，生产过程中，工序与工序之间的流转和衔接是影响菌包良率的的重要因素，不同工序的切换容易将良率拉低，为了将不同之间的流转和衔接做到更好的管控和整合，本生产线控制系统采用模块化的编程思想，将不同工序编写成功能块的形式，在各工序联动时直接调取功能快，既避免了工序之间的干涉，又优化了程序的结构，此外，为了保证每个菌包的一致性，从影响菌包打料工艺的变量出发，对打料汽缸速度和位置的精准控制可以保证菌包质量高度等品质，通过对打料汽缸和电磁伺服阀机理的分析，建立了打料气缸速度伺服控制系统的数学模型，得出控制电流与汽缸速度之间关系并推导其传递函数，并且使用仿真模块并对建立的打料汽缸速度伺服控制系统的传递函数进行时域和频域的稳定性分析，初步验证系统的稳定性。最后制定合理的控制策略，本生产线控制系统包括上位机和下位机，上位机采用本软件作为人机交互中心，实现对参数的输入、实时显示、运行过程中的故障报警提示及手动、半自动、自动操作等功能，下位机使用以PIC单片机为基础的控制电路，作为整个控制系统的核心，控制各工序之间的协调运动、信息交换。

使用设计的菌包机进行打料及运行实验，通过计算单位时间菌包产量得到菌包机的生产效率，通过对随机挑选菌包直径、高度、质量的测量验证了所建立了打料气缸速度伺服控制系统的数学模型的精确性以及所采用控制策略的可靠性。

1.2背景

中国食用菌产量占到了世界70％，每年3.7亿吨的农作物秸秆废弃物和上亿吨的林副产品为发展食用菌产业提供了充足的原料。随着劳动力成本快速上升，传统分散式的食用菌菌包生产设备不能满足人们对食用菌快速增长的需求。食用菌菌包作为食用菌生长的载体，其生产要经过开袋、套袋、打料、窝口、插棍、装框6道工序，对于传统食用菌菌包生产而言，这些工序的的设备是相对独立的，而且大部分采用人工作业，工人的技术水平参差不齐不仅造成菌包质量难以保证，而且效率低下，因此，针对食用菌菌包生产行业设计一条全自动的生产线显得尤为重要。

目前,我国食用菌的生产形式总体上还是处于分散的个体生产为主,因此每个生产者都要进行菌种扩大、蒸汽灭菌,菌体培养和出菇管理等一系列工作,这就要求生产者要具有较全面的生产经验,否则在生产中常会出现这样或那样的问题,甚至失败造成财力和资源的浪费。菌包的出现使得食用菌生产变得更简单、更安全。“菌包”指的是直接用于出售的,已发好菌的食用菌栽培袋,菌农购买后只要进行出菌管理就可以了,技术单一,易学,深受广大群众欢迎。近几十年来，我国从未间断过对食用菌工业化、标准化生产模式的探索，相继引进多条西方工业化生产线。但基础设备、设施投资庞大，耗能高。目前菌包的生产是采用常规的逐级扩大固体培养的方式,周期长,占地多,规模小,菌龄不一,所以,很难形成产业化,而利用中、小型深层发酵设备生产“菌包”可以克服上述缺点,对促进食用菌的产业化发展,有一定的研究和推广价值。

从目前东北黑木耳生产的现状而言，每到黑木耳生产季节， 家家户户的小作坊生产，栽培的工艺一直没有大的革新和改变，一直沿袭旧的、传统的常规栽培模式，费工、费力、浪费原料。在实际生产过程中，菇（耳）农不能 完全按照食用菌生产的标准操作规程进行。部分菇（耳）农是依靠传统经验进行生产和管理，经济效益低下。主要体现（与工厂化菌袋生产区别）在：

1、 基本上还在采用人海战术、手工操作。机械化程度很低，现代化的自动化理念、数字化智能化的管理手段尚处空白。而工厂化菌袋生产由于机械化程度高，现代化的自动化理念、数字化智能化的管理手段先进，可以大大减少用工量。比如耳农日产5000袋黑木耳需用16人，而工厂化日产12万袋仅仅需要78人。

2   菌袋污染严重，大多数污染率在10%以上，有的甚至达到30%以上。病虫害难以得到有效控制。工厂化菌袋生产采取科学管理，污染率完全可以控制在2%以下。

3  几十年还在采用烟熏火燎的常压灭菌方法，灭菌时间达到十几个甚至二十几个小时，成本高于工厂的30%。由于没有预湿的理念，原料腐熟程度不够等，导致灭菌不彻底，因此灭菌成本比较高，效益低下。工厂化菌袋生产多采用高压灭菌，灭菌时间仅仅2个小时。

4  接菌大多采用传统的接菌箱、接种帐接菌的方式，进行药物熏蒸，导致药物残留和抗药性的存在。费工、费力、灭菌不彻底，甚至带杂菌进行接菌，导致恶性循环。工厂化菌袋生产多采用净化室液体接种，效率提高数十倍。

5  大多菇（耳）农在使用菌种上，缺少科学的判断，菌种多靠外引，伪劣菌种造成菇（耳）农的损失较严重，缺少权威性的菌种研发中心。工厂化菌袋生产由于实力雄厚，多有自己的研发中心，菌种有了保证。

6  菌包的培养环境条件简陋，温度、湿度、通风等培养条件得不到有效的控制，培养时空气洁净度不够导致在培养过程中重复污染。工厂化菌袋生产利用温控、湿控、风控、光控设备，为菌包生产创造更好的培养环境。

7  在装袋，搅拌过程中机械化程度太低，达不到二次搅拌，含水量不均匀，搅拌时间不够，致使原料软度达不到，而使木屑在菌包上刺很多微孔，导致杂菌的侵入。原料没有预湿和腐熟的概念。工厂化菌袋生产利用工业化机械设备自动化（半自动化）操作，采取标准化工艺流程高效率的生产。

8 从业人员普遍文化素质和专业素质偏低，在生产中犯低级错误，急需进行专业和技能的标准化培训。工厂化菌袋生产企业从业人员普遍文化素质和专业素质较高，标准化程度高。

9 单一的黑木耳栽培，没有循环经济的理念。只有简单的子实体生产，没有深加工产品，更谈不上多糖以及有效成分的提取和黑木耳其它深加工。工厂化菌袋生产企业多设计黑木耳深加工领域。

10  市场概念偏窄，没有形成自己产品的流通渠道，主动权在小商小贩的流动收购之中；没有品牌意识，整体市场意识，很难驾驭产品的价格。工厂化菌袋生产企业多以品牌销售。

11  检测检验体系不健全影响了黑木耳的销售市场。当前，国内外黑木耳市场对产品质量要求越来越高，农户不可能有质量安全保证及检测检验保证。工厂化菌袋生产企业多有自己的检测检验体系。

二、总体设计

2.1需求

1、视频监控，可在上位机观测菌包生产的实时情况，多点/单点视频图像切换，可查询历史图像信息

2、数据采集，采集菌包生产过程中菌包序列码、原料质量、原料配比、菌包质量等数据，存入数据库，分析数据调节生产参数。同时生成历史趋势曲线，以供查询及数据分析。

3、报警功能，根据设定值与时间值，匹配数据，超出预警值和报警值时，在上位机合菌包生产设备的报警器同时提示报警。

4、控制功能，可通过软件的简单操作，实现与生产控制器的通讯，从而对生产设备进行起停等操作。

2.2 系统设计原则

1、可靠性

系统应确保菌包生产数据的融合、传输等过程的可靠性。

2、兼容性和易维护性

  系统的软、硬件采用模块化、组态化设计，可以方便地进行容量的扩充和功能的维护升级。同时，系统建设基于Labview面向对象件设置开放性网络接口，可实现将监测信息上传至监控中心。

3、安全性

监控与报警系统的安全标准要特别保护用户的信息隐私，为各菌农提供不同安全级别的应用。

2.3总体设计

菌包生产过程管理软件，包括登录界面、原料控制管理界面、菌袋装袋控制界面、菌液接种管理界面、发酵室温度管控界面、菌包栽培过程控制界面、配置界面。

设计流程图见图2-1

图2-1

 三、软件功能

3.1登录设计

登录权限包括生产者和管理者，生产者的权限包括：查询菌包序列号、各种原料质量、各原料配比等数据，查询30日内数据曲线，查看在线监控视频，查询历史存储图像；设置设备起停，设置报警信息读取等。管理者权限除生产者权限之外，还包括地理信息配置，生产者账户的增删，查询生产者登录报表，连接设备的配置，报警信息的删除等。

生产者和管理者的用户名、密码以及对应的权限，全部存储在数据库内，登录后，用户可以进入系统修改密码。生产者权限用户如忘记密码，可使用管理者账户找回。

用户登录后，如需关闭软件，点击注销按钮。软件注销后，采集的数据不再记录，报警信息将清除。

登录流程见流程图3-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3-1

登录设计可以保障客户独立的控制环境和监视环境，避免他人随意登录客户端带来的误操作影响生产，同时生成的登录信息、控制信息报表可以提供给用户，以方便查询历史。

 

3.2 原料控制设计

原料控制管理界面监控的参数包括原料种类，及各类原料的质量、占原料总质量百分比。原料种类包括：水、木屑、糖、麦麸子、石灰、豆柏、两个其他可填写选项。混合比例按照菌包批次记录。硬件设备选择可调节料斗，将所需原料均匀混合，混合后输出。

原料控制设计流程图见图3-2

 

 

 

 

图3-2

3.3 制袋控制设计

自动制袋装置是将18Kg重聚乙烯塑料卷放入制袋装置中，与自动装袋装置同步每3秒制作一个菌包袋，供给自动套袋装置。

软件通过与制袋控制器通讯，判断制袋原料的重量与温度是否达到标准，如达到可以制袋的要求，进行制袋；如重量或温度未达到标准，提示报警信息，继续加原料或者加温。解除报警后，进行制袋。

制袋控制设计流程图见图3-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3-3

3.4 菌包密度控制设计

当套袋动作完成后，菌包密度调节装置迅速跟进，将菌包袋包住，防止物料挤出将菌包袋撑破，同时给菌包物料挤出过程中加上一个阻力，使菌包袋内的物料密度加大。

螺旋挤出器分2部分，分别是主动轴和被动轴。被动螺旋挤出器起物料推动作用，主动轴起菌包面平整作用。主动轴启动后就转动，被动轴靠离合器带动。

图3-4

3.5 窝口插棒监控设计

菌包装好后，将菌包剩余部分拧在一起，插入菌包中心孔内。菌包拧口完成后，插入一根塑料工艺棒，防止菌包中心孔被破坏（该孔为以后要注入20毫升液态菌液所用）。

流程图见图3-5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3-5

3.6 自动装筐监控设计。

菌包插棒完成后，将3个菌包排成一列，利用翻板装置将3个菌包同时装入筐内。

 

3.7 视频监控设计

随着现代电子技术的发展，视频监控系统也逐步由模拟走向数字化。视频监控系统是菌包生产检测中重要组成部分，是所有系统中最关键的子系统之一。系统通过遥控摄像机，直接观察被监视场所的情况，同时可以把被监视场所的情况进行同步录像。在本设计中，视频监控系统主要以下几部分组成：图像信息的采集和预览；对采集画面的简单控制以及存储和回放功能。

视频监控服务可以满足用户远距离监控的需求，可以观察菌包生产情况，观察是否有设备故障等。同时视频通过光纤上传至客户端，可将部分视频和图像存储在视频服务器，以方便用户查询历史图像数据。

 

3.8 报警功能的设计

构建一个智能的木耳生长监控平台，必须以故障报警为重点，将所有子系统中所涉及的网络资源、硬件资源、软件资源、数据库资源等纳入统一的运维监控平台中，并通过消除管理软件的差别，数据采集手段的差别，对各种不同的数据来源实现统一管理、统一规范、统一处理、统一展现、统一用户登录、统一权限控制，最终实现运维规范化、自动化、智能化的大运维管理。

本设计中，报警分为报警状态和预警状态。通过菌包控制器上传的采集到的各项指标数据，与数据库中读取的范围信息进行比较，超出范围则报警。用户可通过外接报警设备或软件弹窗，观察到报警信息。从而采取措施，保证菌包生产顺利。

报警流程图见图3-8

图3-8

 

四、接口设计

4.1 人机接口

本软件使用Labview做人机接口界面。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。Labview是图形化的开发环境，整合PC与嵌入式技术，以建置IEC架构的PLC，适用于实时分析、监控、进阶控制、与既定的维护作业。Labview可轻松建立人机界面应用，适用于各种监控系统中。

4.2 内部接口

本软件使用Modbus协议，进行内部接口通讯。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在同一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通信标准。

Modbus 传输框图见图4-1

 

图4-1

 

4.3 出错设计

如软件发生故障报错，系统会自动生成一份报表，存储在客户端硬盘里，同时上传至网络服务器，以供开发人员查询错误代码。用户可以通过重启等简单方式重新运行软件。