一種綠茶微波烘干機系統(tǒng)設(shè)計

唐緒偉，楊曉珍，尹耕欽

TANG Xu-wei, YANG Xiao-zhen, YIN Geng-qin

(懷化職業(yè)技術(shù)學院 電子電氣工程系，懷化 418000)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機械自動化水平不斷提高，自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械中也得到廣泛應(yīng)。但大多數(shù)茶葉企業(yè)機械設(shè)備簡陋，均以手動操作為主[1]，自動化與機械化程度低。本文設(shè)計了一種利用PLC技術(shù)對綠茶烘干機進行自動控制，提高了茶葉工業(yè)的自動化程度[2]，降低了人工勞動，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量；實現(xiàn)了綠茶烘干全過程，即殺青、揉捻、干燥的自動控制。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

1）系統(tǒng)組成及框圖

系統(tǒng)以西門子S7-200系列PLC的CPU224CN為主控制器，完成系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和控制；溫度、濕度、水分傳感器組成參數(shù)檢測元件；量綱轉(zhuǎn)換電路完成檢測參數(shù)轉(zhuǎn)換，供采樣電路完成相應(yīng)信號的檢測。人機界面實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定鍵入和工藝信息的顯示；變頻器驅(qū)動加熱頻率為2450Hz的微波管用以調(diào)整系統(tǒng)烘干的溫度；利用步進電機控制傳送帶的運行速度。上位機便于集成DCS系統(tǒng)。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2）工作原理

系統(tǒng)由上料、茶葉傳輸、茶葉烘干、出料四部分組成。上料部分由漏斗及控制電路組成；傳輸部分由傳輸帶、步進電機及控制電路組成；烘干部分由三個烘干箱、三組微波管、變頻器及控制電路組成；下料部分由下料漏斗和分揀裝置組成。其中，烘干部分是系統(tǒng)的主體。系統(tǒng)的溫度、濕度、水分是主要檢測參數(shù)。其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上料部分用以完成把料均勻的加載在傳輸帶中，烘干1箱為恒溫控制箱，溫度穩(wěn)定在70℃～85℃之間，主要用于鈍化酶的活性，起到殺青目的，箱體中設(shè)有溫度濕度檢測，出口處開有天窗，用于排放水蒸汽，開口處設(shè)有水分檢測傳感器，用于控制烘干2箱的加熱微波管的功率；箱體2內(nèi)設(shè)有溫度自適應(yīng)控制系統(tǒng)，箱體2的水分檢測傳感器，用于控制系統(tǒng)的中間參數(shù)；烘干3箱為水分自適應(yīng)控制系統(tǒng)，出口水分檢測參數(shù)用于控制步進電機的運行速度，從而協(xié)調(diào)系統(tǒng)參數(shù)平衡。

2 控制算法的實現(xiàn)

1）烘干綠茶工藝參數(shù)及要求

生態(tài)綠茶初制分為：殺青、揉捻、干燥三個工序過程[3]，殺青基本上與眉茶和珠茶相同；揉捻工序，需根據(jù)烘青耐泡、條索完整的特點，揉捻程度需比眉茶輕些，最好采用分篩復揉揉捻，老嫩混雜葉，以上兩個工序與眉茶和珠茶相似；僅烘干過程中采用烘焙。烘青干燥工序，分為毛火烘焙和火烘焙兩種，毛火烘焙：采用高溫薄攤及快速烘干法。溫度80℃～90℃，每箱攤?cè)~4斤左右，均勻攤在烘箱口，其中中心較厚，四周稍薄，葉攤好后，再置于爐箱中。4分鐘翻一次，手離攤?cè)~5cm處有熱感，感到有溫度，將烘箱取下，置于竹蓋上，以免茶未落入火爐，產(chǎn)生煙味，影響茶葉質(zhì)量，烘約15分鐘，達六七成干，茶葉稍硬有觸手感覺，即可起烘攤晾半小時。呈火烘焙：采用低溫慢烘法。溫度70℃左右，每籠攤?cè)~5斤左右，10分鐘翻拌一次，翻拌方法同毛火一樣，手勢要輕。當手揉茶葉成粉末時，即可下烘，呈火烘焙，歷時60分鐘左右。較大的茶廠，一般都采用自動烘干機或手拉的烘干機。烘效率較高：10斤/小時，毛火的進風溫度控制在100℃～200℃。攤?cè)~厚1cm～2cm，時間大約10～15分鐘。毛火下葉攤晾，回潮半小時后再呈火烘焙。呈火溫度在90℃～100℃，約15分鐘，即可達干燥程度。

2）控制模型的建立

干燥過程中若使用箱內(nèi)溫濕度變送器來測量，誤差較大，往往與實際情況不符，所以不宜采用直接測量方法,文中以紅外線測溫儀間接測量微波烘干箱內(nèi)的溫度。

綠茶烘干機中微波加熱箱較長，由三段組成，故選用三臺紅外線測溫儀進行分散測量，以保證系統(tǒng)的溫濕度的控制精度更高。

由于烘干箱有一個純延遲的慣性環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的PID控制方法難以獲得較好的控制品質(zhì)，因此本文采用模糊PID方法對溫度進行控制。

系統(tǒng)的模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 溫度調(diào)節(jié)原理圖

系統(tǒng)由模糊PID調(diào)節(jié)器、微波加熱管、微波驅(qū)動電路和測溫電路組成，負責箱內(nèi)的恒溫控制，使微波加熱箱內(nèi)的溫度平衡，系統(tǒng)將模糊PID 控制器的輸出經(jīng)變頻器決定烤箱的微波強度。

烘干過程中的模糊PID控制由溫濕度模糊控制和模糊解耦兩部分組成[4]。其輸入量分別為溫度的偏差Et(設(shè)定值與實際測量值之間的差值)、濕度的偏差Eh(設(shè)定值和實際測量值之間的差值)、溫差變化率Et′和濕差的變化率Eh′。其輸出量為加熱控制量Ct和排濕控制量Ch，其中，Ct最終轉(zhuǎn)化為微波加熱管的輸出功率，Ch 最終轉(zhuǎn)化為除濕風機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的輸入量與輸出量的語言描述為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中：NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB 分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。根據(jù)控制實際經(jīng)驗可得到控制規(guī)則如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制規(guī)則表

系統(tǒng)定義各輸入量與輸出量的模糊子集為：

{Et}={Eh}={ NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；{Et′}={E h′}={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；{Ct}={Ch}={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

其中輸入變量Et、Eh、Et′、Eh′的論域范圍取為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；輸出變量Ct、Ch的論域范圍取為：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。為了方便計算和控制，其隸屬度函數(shù)均采用三角形分布[5]。

系統(tǒng)烘干過程中的溫度控制和濕度控制具有很強的耦合[6]，在溫度控制和濕度控制中若采用獨立的模糊控制，其控制效果不佳，而且可能發(fā)生振蕩現(xiàn)象[7]。由于溫度與濕度的控制相互制約，其數(shù)學模型也難建立，且一般的解耦方法也不太有效。故采用模糊推理方法，由前面模糊控制器的輸出結(jié)果，再進行模糊推理，最后得出解耦補償輸出，再與前面模糊輸出合成，最終再進行實際的輸出進行控制，這是一種簡單而且有效的解決方法。其中，Ct為溫度模糊控制器的輸出，Ch 為濕度模糊控制器的輸出，Cth為溫度模糊控制器的輸出對濕度控制器的模糊補償，Cht為濕度模糊控制器的輸出對溫度模糊控制器的補償，最終控制的實際輸出量為Ut和Uh。

其中，取Cth論域范圍為{Cth}={-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，Cht論域范圍為{Cht}={-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。根據(jù)上述的模糊控制規(guī)則和模糊解耦規(guī)律，設(shè)計的微波烘干箱溫濕度的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示[8]。

圖4 濕度控制結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

1）硬件系統(tǒng)設(shè)計

通過分析，對系統(tǒng)信息進行分類后，系統(tǒng)的I/O地址分配表如表2所示；I/O接線圖如圖5所示。

表2 I/O地址分配表

圖5 I/O接線圖

2）軟件系統(tǒng)設(shè)計

微波烘干系統(tǒng)的控制程序由上位機程序和PLC應(yīng)用程序兩部分組成。其中上位機程序由參數(shù)設(shè)置子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、圖表輸出子程序、動態(tài)模擬子程序、通訊子程序、報表子程序以及人機界面等7部分組成。

綠茶微波烘干機的工作過程：首先啟動上位機，通過人機界面設(shè)定預置的轉(zhuǎn)速和恒定的溫度給定值，界面可顯示預設(shè)轉(zhuǎn)速和溫度設(shè)定。然后啟動電機，當待加工的綠茶茶葉進人微波加熱箱后，系統(tǒng)可根據(jù)預置值自動啟動微波加熱發(fā)生器，同時通過溫度檢測系統(tǒng)不斷檢測微波加熱箱內(nèi)的當前溫度并顯示。當溫度達到上限值時系統(tǒng)自動減小微波觸發(fā)角促使加熱量下降，當溫度降到下限溫度時系統(tǒng)自動加大觸發(fā)角促使加熱量上升。若當前的溫度值檢測在上下限值之間時，系統(tǒng)的模糊PID控制為主體控制方式，實現(xiàn)加熱時間的自動控制。若檢測的溫度值為下限溫度時，利用運算的最大值來控制加熱時間。同時，系統(tǒng)能根據(jù)溫度控制器的預置參數(shù)，計算速度控制器的PID值，以求獲得更好的干燥效果。從而得出箱1溫濕度控制流程圖如圖6所示，箱2、3溫濕度控制流程圖如圖7所示。

圖6 箱1程序流程圖

圖7 箱2、3程序流程圖

在烘干過程中，因外界環(huán)境引起的電壓波動等因素的影響，可能導致系統(tǒng)微波輻射過強，這樣對綠茶的烘干效果和品質(zhì)非常不利[9]。為此，系統(tǒng)設(shè)置了預報警裝置和故障動態(tài)顯示屏幕。同時，為了防止系統(tǒng)的微波泄漏，還在系統(tǒng)中增設(shè)了連鎖保護裝置、預警控制及預處理裝置。從而使系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)性能測試及應(yīng)用

2012年8月本控制系統(tǒng)應(yīng)用于懷化華漢茶業(yè)有限公司的綠茶烘干機控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場測試表明模糊PID控制較常規(guī)PID控制有更好的控制效果[10]。兩種控制方式的運行情況如圖8所示。

圖8 模糊PID與常規(guī)PID控制響應(yīng)曲線比較

由上圖可以看出，模糊PID的超調(diào)量比常規(guī)PID降低59%，系統(tǒng)穩(wěn)定時間縮短36.8%，動態(tài)性能和靜態(tài)特性得以全面改善[10]。

5 結(jié)束語

本文利用集散控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，將工控機與 PLC技術(shù)用于綠茶烘干過程的控制中，實現(xiàn)了綠茶烘干過程的監(jiān)測、控制與管理的一體化。投用一年來，系統(tǒng)運行可靠，維護方便，同時具有很好的擴展性和開放性，具有較好的性價比。使茶葉機械的自動化程度得到了極大地提高，具有較好地工程實用價值和推廣性。

[1]王顯政.全國安全生產(chǎn)工作會總結(jié)會報告[R].2008.

[2]陳鐵君.發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù),提高我國過程工業(yè)自動化裝備水平[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000(9):1-2.

[3]林榮川,林清矯,林河通.鐵觀音茶烘焙機溫度小超調(diào)模糊-PID控制[J].福建農(nóng)林大學學報(自然科學版),2009(5):474-478.

[4]李俊婷,石文蘭,高楠.參數(shù)自整定模糊在溫度控制中的應(yīng)用[J].無線電工程,2007,37(7):47-49.

[5]姜文佳,姜永健,姜廣田.模糊控制算法改進及在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程,2006,13(4):338-340.

[6]吳先文.機電設(shè)備維修技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[7]王耀南,孫煒.智能控制理論及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[8]劉四妹.谷物烘干機自動控制的PLC實現(xiàn)[J].自動化應(yīng)用,2010(12):22-24.

[9]朱德泉,朱琳,蔣克榮.微波干燥過程模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械工程師,2008(5):43-45.

[10]李少遠,王景成.智能控制[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2009.