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[摘要]介绍了一种专门用于金针菇工厂化生产的物流与分配控制系统。该系统采用西门子S7-300PLC和PROFIBUS-DP现场总线技术，实现了包装、挖瓶和装瓶车间底层I/O设备与PLC的通信，有效提高了控制系统的可靠性。介绍了系统的控制程序结构，并详细阐述了输送和分配控制的程序实现。运用触摸屏技术设计了控制系统的人机操作界面。
[关键词]金针菇；工厂化生产；物流；PROFIBUS-DP；PLC
1引言
所谓金针菇的工厂化生产，是指根据金针菇的生长过程，采用现代工业化生产设施，人工创造金针菇的生长环境，并按照一定的工艺流程实现金针菇的周年化、标准化生产。金针菇的工厂化生产主要有袋栽和瓶栽两种。瓶栽金针菇生产工艺过程主要包括：挖瓶、备料、装瓶、灭菌、接种、发菌培养、出菇、采菇和包装等。其中，挖瓶、装瓶、出菇、包装等环节对金针菇的生产效率和产品质量影响最大，最适合采用自动化的生产物流与分配控制技术。
当前在生产物流与分配控制技术中较为常见的有基于可编程序控制器fPLC）的集散式控制系统（Dcs）、基于PC的控制系统以及基于PLC的现场总线控制系统。集散式控制系统在现场的传感器、执行器与DCS控制站之间采用的是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量多，布线工作量大且成本高，信号传送过程中还存在干扰问题。基于PC的控制系统通常由工业控制计算机（IPC）、I/O设备、监控装置、控制网络等组成，可组成功能强大的控制系统，但其开发周期长，且工作稳定性、可靠性较差。而基于PLC的现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，代替了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可靠性。再加上PLC的高可靠性、极强的抗干扰能力、强大的功能和易于系统开发等优点，非常适合作为生产物流与分配系统的控制核心。根据某金针菇工厂化生产企业的要求，开发了一种基于PLC和现场总线技术的金针菇工厂化生产物流和分配控制系统。采用西门子S7-300系列PLC作为系统控制核心，通过PROFIBUS-DP现场总线技术实现现场I/O设备与PLC之间的通信，并运用触摸屏技术设计了控制系统的人机操作界面。
2金针菇工厂化生产线
金针菇工厂化生产线主要由包装车间、挖瓶车间、装瓶车间等组成，如图1所示。金针菇从菇房出菇后，首先由辊子输送机将其输送至包装车间进行采菇、切根、包装等作业。为了提高效率，包装车间设置了12个采菇工位。因此，需对装有菇瓶的培养筐进行分配控制，使之能够按照各个工位的采菇和包装效率智能分配培养筐的数量。经过包装环节后，菇瓶中剩下的培养基还需经过挖瓶工序进行清除，并重新装填培养基以重复使用。挖瓶车间和装瓶车间分别配有8台全自动挖瓶机和6台全自动装瓶机，满足金针菇工厂化生产节拍要求。培养筐在进入挖瓶车间和装瓶车间后，同样需按照挖瓶或装瓶的效率智能分配培养筐的数量。而培养筐在被输送出包装车间和挖瓶车间时需进行合流，需保证培养筐在合流输送过程中不堆筐、不挤筐。
3基于PLC和PROFIBUS-DP的物流与分配控制系统
装有菇瓶的培养筐在金针菇工厂化生产过程中需要在包装、挖瓶和装瓶等3个车间进行输送和分配，且车间与车间之间必须协调控制，达到生产效率的最大化并保证系统的可靠性。因此，系统选用了PLC+现场总线的控制方案。
系统采用西门子CPU313C-2DP作为整个控制系统的核心，包装车间、挖瓶车间、装瓶车间分别采用ET200M作为从站。该型PLC处理速度快、扩展能力强，并具有PROFIBUS-DP接口，能非常方便地与从站模塊进行通信。从站接口模块采用IM153-1，具有64点数字量输入和32点数字量输出，满足控制要求。IM153-1与CPU313C-2DP之间通过PROFIBUS-DP现场总线进行连接。
PROFIBUS总线以其国际化、开放式和不依赖于设备生产商的特点，成为目前世界上应用最广泛的现场总线技术标准。其广泛应用于制造业自动化、工业过程自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFI-BUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-PA专为工业过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上进行信号传输，适用于具有系统本质安全要求的防爆场合；PROFIBUS-FMS是一个令牌结构、实时多主网络，多用于车间级监控系统；PROFI-BUS-DP是一种高速低成本通信，最大传输速率达12Mbps，主要用于制造业自动化设备级控制系统与分散式I/0的通信。PROFIBUS-DP最大传输距离在9.6K-187.5Kbps时为1000m，500Kbps时为400m，1500Kbps时为200m3 000K-12000Kb-ps时为100m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
在本项目中，采用屏蔽双绞线作为传输介质，通过RS-485端口来连接主站和从站。在西门子S7-300PLC控制系统中，需先进行硬件组态。在SIMATIC Manager软件的硬件组态界面中，根据实际所使用的PLC主站和从站设备，分别拖入机架、电源、CPU、从站模块等，通过PRO-FIBUS-DP总线进行主从连接并配置好传输速率等参数，即可生成一个PROFIBUS-DP网络，如图2所示。
另外，系统采用步科（Kinco）MT4513TE触摸屏作为人机交互界面，用于对整个系统进行工作状态和产量的显示。PLC与触摸屏之间采用PPI-RS485通信。
4系统控制程序设计
4.1控制程序结构
系统程序设计基于SIMATIC Manager，采用结构化编程，程序结构如图3所示。在结构化编程方式中，将系统控制任务分解为各个工艺过程、功能或可以反复使用的更小的任务块（Fc或者FB），组织块（OB1）通过调用这些块来完成整个系统控制任务。在该系统控制程序中，通过系统主程序（OBl）来调用各个车间的输送程序（FB）和分配程序（FC）以及系统逻辑控制程序（FC），这样做可以分别测试各个程序块，查错、修改和调试都更为容易。 各个程序块的功能：
（1）系统逻辑控制程序：负责分配与输送系统的启动、停止、急停以及系统运行和故障的指示；
（2）包装车间输送程序：负责包装车间辊子输送机的运行控制；
（3）包装车间分配程序：根据各个工位的工作效率智能化分配金针菇培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行；
（4）挖瓶车间输送程序：负责挖瓶车间辊子输送机的运行控制；
（5）挖瓶车间分配程序：根据各挖瓶机的工作效率分配培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行；
（6）装瓶车间输送程序：负责装瓶车间辊子输送机的运行控制；
（7）装瓶车间分配程序：根据各装瓶机的工作效率分配培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行。
4.2输送程序实现
由于金针菇培养筐的输送采用的是辊子输送机，而辊子输送机通常由多台电机带动。要做到辊子输送机在运行时不对培养筐造成挤压，就必须对各台电机进行先后启动运行控制。在输送程序设计过程中，考虑到多台电机的运行控制方式是相同的，不同的只是启动的先后顺序，因此采用了功能块（FB）编程。
首先根据控制要求得出单个电机所需的输入、输出接口，并为其建立数据块（DB），用于存放电机运行参数；然后在FB程序段中编写电机控制子程序。
4.3分配程序实现
包装、挖瓶和装瓶这三个车间的培养筐分配要求是相似的，都要根据后续的工作效率来进行分配，且当各个工位都满位时要停止分配，否则会发生挤筐甚至倒筐。包装车间的培养筐分配策略为：在系统首次开机时，先依次为每个工位分配3筐，而后通过每条分支线上安装的光电传感器来检测该工位分流口是否缺筐或满筐，然后通过PLC程序处理后向缺筐的工位再次进行分配，以此类推。其中，10号分支分配程序如图4所示。
4.4人机界面
人机操作界面的设计采用步科提供的基于Pc机的组态设计软件Kinco HMlware。新建工程后，首先选择所需设备：在元件库窗口的HMI选项中选择MT4513TE，并拖入拓撲结构窗口；在元件库窗口的PLC选项中选择SIMENSE S7 300/400（PC Adapter Direct），并拖入拓扑结构窗口；在元件库窗口的通讯连接选项中选择串口，并拖入拓扑结构窗口；用串口线将MT4513TE和PLC的COM0口连接起来，并配置好通讯参数。在人机界面的组态过程中，使用了元件库PLC选项中的报警显示元件、数值显示元件、位状态切换开关和位状态指示灯元件等分别作为故障信息显示、产量显示、产量清零和分流口状态显示，设计的人机界面如图5所示。完成操作界面的组态后，还需进行PLC地址与变量的连接。比如分流口01状态对应PLC输入地址19.2，当与19.2连接的光电传感器状态为O时显示“分流口01禁止进入”；当光电传感器状态为1时显示“分流口01允许进入”。经过编译的人机界面组态完成后，通过通讯端口COM2下载到触摸屏中即可运行。
5结论
采用西门子S7-300PLC和PROFIBUS-DP现场总线技术，实现了包装、挖瓶和装瓶车间底层I/O设备与PLC的通信，有效提高了控制系统的可靠性。采用结构化编程方法设计了包装、挖瓶和装瓶车间的输送和分配程序，能根据后续工艺的工作效率来进行智能分配，保证了金针菇工厂化生产的效率。运用触摸屏技术设计了控制系统的人机操作界面，有利于系统工作状态的监控、产量的统计及系统的维护。目前该系统已在某大型食用菌生产基地投入使用，系统满负荷运行时，日产金针菇可达100t以上。
[关键词]金针菇；工厂化生产；物流；PROFIBUS-DP；PLC
1引言
所谓金针菇的工厂化生产，是指根据金针菇的生长过程，采用现代工业化生产设施，人工创造金针菇的生长环境，并按照一定的工艺流程实现金针菇的周年化、标准化生产。金针菇的工厂化生产主要有袋栽和瓶栽两种。瓶栽金针菇生产工艺过程主要包括：挖瓶、备料、装瓶、灭菌、接种、发菌培养、出菇、采菇和包装等。其中，挖瓶、装瓶、出菇、包装等环节对金针菇的生产效率和产品质量影响最大，最适合采用自动化的生产物流与分配控制技术。
当前在生产物流与分配控制技术中较为常见的有基于可编程序控制器fPLC）的集散式控制系统（Dcs）、基于PC的控制系统以及基于PLC的现场总线控制系统。集散式控制系统在现场的传感器、执行器与DCS控制站之间采用的是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量多，布线工作量大且成本高，信号传送过程中还存在干扰问题。基于PC的控制系统通常由工业控制计算机（IPC）、I/O设备、监控装置、控制网络等组成，可组成功能强大的控制系统，但其开发周期长，且工作稳定性、可靠性较差。而基于PLC的现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，代替了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可靠性。再加上PLC的高可靠性、极强的抗干扰能力、强大的功能和易于系统开发等优点，非常适合作为生产物流与分配系统的控制核心。根据某金针菇工厂化生产企业的要求，开发了一种基于PLC和现场总线技术的金针菇工厂化生产物流和分配控制系统。采用西门子S7-300系列PLC作为系统控制核心，通过PROFIBUS-DP现场总线技术实现现场I/O设备与PLC之间的通信，并运用触摸屏技术设计了控制系统的人机操作界面。
2金针菇工厂化生产线
金针菇工厂化生产线主要由包装车间、挖瓶车间、装瓶车间等组成，如图1所示。金针菇从菇房出菇后，首先由辊子输送机将其输送至包装车间进行采菇、切根、包装等作业。为了提高效率，包装车间设置了12个采菇工位。因此，需对装有菇瓶的培养筐进行分配控制，使之能够按照各个工位的采菇和包装效率智能分配培养筐的数量。经过包装环节后，菇瓶中剩下的培养基还需经过挖瓶工序进行清除，并重新装填培养基以重复使用。挖瓶车间和装瓶车间分别配有8台全自动挖瓶机和6台全自动装瓶机，满足金针菇工厂化生产节拍要求。培养筐在进入挖瓶车间和装瓶车间后，同样需按照挖瓶或装瓶的效率智能分配培养筐的数量。而培养筐在被输送出包装车间和挖瓶车间时需进行合流，需保证培养筐在合流输送过程中不堆筐、不挤筐。
3基于PLC和PROFIBUS-DP的物流与分配控制系统
装有菇瓶的培养筐在金针菇工厂化生产过程中需要在包装、挖瓶和装瓶等3个车间进行输送和分配，且车间与车间之间必须协调控制，达到生产效率的最大化并保证系统的可靠性。因此，系统选用了PLC+现场总线的控制方案。
系统采用西门子CPU313C-2DP作为整个控制系统的核心，包装车间、挖瓶车间、装瓶车间分别采用ET200M作为从站。该型PLC处理速度快、扩展能力强，并具有PROFIBUS-DP接口，能非常方便地与从站模塊进行通信。从站接口模块采用IM153-1，具有64点数字量输入和32点数字量输出，满足控制要求。IM153-1与CPU313C-2DP之间通过PROFIBUS-DP现场总线进行连接。
PROFIBUS总线以其国际化、开放式和不依赖于设备生产商的特点，成为目前世界上应用最广泛的现场总线技术标准。其广泛应用于制造业自动化、工业过程自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFI-BUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-PA专为工业过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上进行信号传输，适用于具有系统本质安全要求的防爆场合；PROFIBUS-FMS是一个令牌结构、实时多主网络，多用于车间级监控系统；PROFI-BUS-DP是一种高速低成本通信，最大传输速率达12Mbps，主要用于制造业自动化设备级控制系统与分散式I/0的通信。PROFIBUS-DP最大传输距离在9.6K-187.5Kbps时为1000m，500Kbps时为400m，1500Kbps时为200m3 000K-12000Kb-ps时为100m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
在本项目中，采用屏蔽双绞线作为传输介质，通过RS-485端口来连接主站和从站。在西门子S7-300PLC控制系统中，需先进行硬件组态。在SIMATIC Manager软件的硬件组态界面中，根据实际所使用的PLC主站和从站设备，分别拖入机架、电源、CPU、从站模块等，通过PRO-FIBUS-DP总线进行主从连接并配置好传输速率等参数，即可生成一个PROFIBUS-DP网络，如图2所示。
另外，系统采用步科（Kinco）MT4513TE触摸屏作为人机交互界面，用于对整个系统进行工作状态和产量的显示。PLC与触摸屏之间采用PPI-RS485通信。
4系统控制程序设计
4.1控制程序结构
系统程序设计基于SIMATIC Manager，采用结构化编程，程序结构如图3所示。在结构化编程方式中，将系统控制任务分解为各个工艺过程、功能或可以反复使用的更小的任务块（Fc或者FB），组织块（OB1）通过调用这些块来完成整个系统控制任务。在该系统控制程序中，通过系统主程序（OBl）来调用各个车间的输送程序（FB）和分配程序（FC）以及系统逻辑控制程序（FC），这样做可以分别测试各个程序块，查错、修改和调试都更为容易。 各个程序块的功能：
（1）系统逻辑控制程序：负责分配与输送系统的启动、停止、急停以及系统运行和故障的指示；
（2）包装车间输送程序：负责包装车间辊子输送机的运行控制；
（3）包装车间分配程序：根据各个工位的工作效率智能化分配金针菇培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行；
（4）挖瓶车间输送程序：负责挖瓶车间辊子输送机的运行控制；
（5）挖瓶车间分配程序：根据各挖瓶机的工作效率分配培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行；
（6）装瓶车间输送程序：负责装瓶车间辊子输送机的运行控制；
（7）装瓶车间分配程序：根据各装瓶机的工作效率分配培养筐的数量，并控制分支转向机构的运行。
4.2输送程序实现
由于金针菇培养筐的输送采用的是辊子输送机，而辊子输送机通常由多台电机带动。要做到辊子输送机在运行时不对培养筐造成挤压，就必须对各台电机进行先后启动运行控制。在输送程序设计过程中，考虑到多台电机的运行控制方式是相同的，不同的只是启动的先后顺序，因此采用了功能块（FB）编程。
首先根据控制要求得出单个电机所需的输入、输出接口，并为其建立数据块（DB），用于存放电机运行参数；然后在FB程序段中编写电机控制子程序。
4.3分配程序实现
包装、挖瓶和装瓶这三个车间的培养筐分配要求是相似的，都要根据后续的工作效率来进行分配，且当各个工位都满位时要停止分配，否则会发生挤筐甚至倒筐。包装车间的培养筐分配策略为：在系统首次开机时，先依次为每个工位分配3筐，而后通过每条分支线上安装的光电传感器来检测该工位分流口是否缺筐或满筐，然后通过PLC程序处理后向缺筐的工位再次进行分配，以此类推。其中，10号分支分配程序如图4所示。
4.4人机界面
人机操作界面的设计采用步科提供的基于Pc机的组态设计软件Kinco HMlware。新建工程后，首先选择所需设备：在元件库窗口的HMI选项中选择MT4513TE，并拖入拓撲结构窗口；在元件库窗口的PLC选项中选择SIMENSE S7 300/400（PC Adapter Direct），并拖入拓扑结构窗口；在元件库窗口的通讯连接选项中选择串口，并拖入拓扑结构窗口；用串口线将MT4513TE和PLC的COM0口连接起来，并配置好通讯参数。在人机界面的组态过程中，使用了元件库PLC选项中的报警显示元件、数值显示元件、位状态切换开关和位状态指示灯元件等分别作为故障信息显示、产量显示、产量清零和分流口状态显示，设计的人机界面如图5所示。完成操作界面的组态后，还需进行PLC地址与变量的连接。比如分流口01状态对应PLC输入地址19.2，当与19.2连接的光电传感器状态为O时显示“分流口01禁止进入”；当光电传感器状态为1时显示“分流口01允许进入”。经过编译的人机界面组态完成后，通过通讯端口COM2下载到触摸屏中即可运行。
5结论
采用西门子S7-300PLC和PROFIBUS-DP现场总线技术，实现了包装、挖瓶和装瓶车间底层I/O设备与PLC的通信，有效提高了控制系统的可靠性。采用结构化编程方法设计了包装、挖瓶和装瓶车间的输送和分配程序，能根据后续工艺的工作效率来进行智能分配，保证了金针菇工厂化生产的效率。运用触摸屏技术设计了控制系统的人机操作界面，有利于系统工作状态的监控、产量的统计及系统的维护。目前该系统已在某大型食用菌生产基地投入使用，系统满负荷运行时，日产金针菇可达100t以上。