基于VFD-E變頻器的智能炒茶機(jī)設(shè)計(jì)

胡 斌,羅 浩

(信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

信陽毛尖是我國著名綠茶，也是十大名茶之一.隨著人民群眾對其需求量的增大，信陽毛尖的產(chǎn)區(qū)在擴(kuò)大，生產(chǎn)加工企業(yè)也逐漸增多.傳統(tǒng)的手工制作茶葉工藝具有信陽茶獨(dú)特的風(fēng)格和特色，但產(chǎn)量很低，是制約茶葉產(chǎn)量的一個(gè)重要因素.近年來，信陽地區(qū)出現(xiàn)了一批生產(chǎn)制茶機(jī)械的中小企業(yè)，一些規(guī)模較大的茶葉銷售公司，直接收購茶農(nóng)采摘的鮮葉，集中進(jìn)行機(jī)械化加工，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動成本，也進(jìn)一步規(guī)范了制茶工藝.目前，炒茶機(jī)械仍然存在著一些不足[1-2]，如自動化程度較低，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝脫節(jié)等.只有將人工炒茶工藝與自動化炒茶機(jī)械有機(jī)結(jié)合起來，才能即提高產(chǎn)量，又不失特色和品質(zhì).在手工制茶工程中，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要人憑經(jīng)驗(yàn)來決定，很多因素共同作用才形成最后產(chǎn)茶的質(zhì)量，采用自動化機(jī)械，就需要用機(jī)械實(shí)現(xiàn)每個(gè)決定性因素.本文從制茶過程中茶葉翻炒速度與加熱溫度這一環(huán)節(jié)入手，探討手炒茶工藝的機(jī)械自動化實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了一種基于VFD-E變頻器的智能炒茶機(jī).

1 手炒茶工藝

信陽毛尖茶傳統(tǒng)手工制茶工藝經(jīng)過多年傳承，形成了自身獨(dú)特的風(fēng)格.其主要過程分為三步：生鍋、熟鍋和烘焙.首先將采摘的鮮葉在竹匾內(nèi)均勻攤晾，使其失去一定水分，鮮葉顏色轉(zhuǎn)為暗綠并且變軟，青草氣減輕而散出果香味，然后進(jìn)行生鍋的步驟.將茶葉投入鐵鍋，溫度控制在150 ℃左右，用茶帚翻炒茶葉，在葉片變軟綿以后，收攏在鍋中，用茶帚尖端同向轉(zhuǎn)圈輕揉，逐漸加快速度和加重力度.下一步是熟鍋，根據(jù)茶葉等級，溫度稍有變化，大致在80 ℃～120 ℃.熟鍋主要靠手的抓、壓和甩的動作進(jìn)行“理?xiàng)l”.熟鍋的作用是使茶葉進(jìn)一步失水，并通過手的動作使茶葉形成卷緊和圓直的條形，成形后的茶葉進(jìn)入烘焙的環(huán)節(jié).在上述步驟中，生鍋和熟鍋?zhàn)顬殛P(guān)鍵，主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)和炒制手法，如對炒鍋溫度和茶葉濕度的感覺和控制，茶帚的壓力和速度，手的動作等，這都直接決定了茶葉的品質(zhì).以下以炒鍋溫度控制和茶帚速度控制為出發(fā)點(diǎn)，著重討論用自動化機(jī)械裝置模擬手炒茶的過程.

2 智能炒茶機(jī)的實(shí)現(xiàn)

2.1 炒茶機(jī)機(jī)械裝置

圖1是一種常用的小型炒茶機(jī)械裝置，主要由機(jī)身支架、傳動裝置、電動推桿和茶帚組成.其傳動裝置和茶帚固定在炒茶機(jī)機(jī)身支架上，傳動裝置主要由電機(jī)和皮帶輪組成，帶動下面的茶帚，使茶帚在炒鍋內(nèi)做圓周運(yùn)動.電動推桿可控制茶帚的升降，進(jìn)而調(diào)節(jié)茶帚對茶葉葉片的壓力．茶帚在炒鍋內(nèi)轉(zhuǎn)動的圓周直徑可調(diào).另外，還需要根據(jù)傳統(tǒng)的制作工藝，根據(jù)炒鍋溫度，利用變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)茶帚的轉(zhuǎn)速.此炒茶機(jī)裝置可以完成殺青、揉捻和理?xiàng)l等工序，一機(jī)多能，在中高檔信陽毛尖茶的炒制上具有明顯優(yōu)勢．

圖1 炒茶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The diagram of configuration of tea frying machine1.機(jī)身支架，2.傳動裝置，3.電動推桿B，4.電動推桿A，5.茶帚，6.炒鍋.

2.2 電氣控制部分

電氣控制是實(shí)現(xiàn)智能炒制的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)采用PLC和變頻器配合使用的方式來完成.PLC主要進(jìn)行開關(guān)量控制，根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)需求，選用西門子S7-200系列CPU224[3].炒茶電機(jī)的調(diào)速采用臺達(dá)VFE-D變頻器，這款變頻器具有內(nèi)置PLC，具有一個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)模擬量輸出通道，變頻器可根據(jù)外部輸入信號，執(zhí)行自身內(nèi)部PLC程序，進(jìn)行運(yùn)算后，輸出開關(guān)信號或者模擬信號[4].炒茶機(jī)工作過程中，茶帚對茶葉的壓力靠電動推桿A調(diào)節(jié)，茶帚在炒鍋中的回轉(zhuǎn)直徑則通過電動推桿B調(diào)節(jié).如表1所示，每個(gè)電動推桿可調(diào)位置有四個(gè)，包括完全伸出、完全縮回等，在極限行程之間，再設(shè)置兩個(gè)位置點(diǎn)，位置的檢測采用行程開關(guān)控制，PLC負(fù)責(zé)采集這些位置信號[5].根據(jù)炒茶工藝，電動推桿的伸出和縮回作為輸出量，也由PLC來控制.系統(tǒng)包括啟動、停止和復(fù)位3個(gè)操作按鈕，另外，變頻器的啟動和停止，通過接收PLC的輸出控制信號來實(shí)現(xiàn)，見表2.

如圖2所示，按下復(fù)位按鈕SF2,炒茶機(jī)準(zhǔn)備工作，電動推桿帶動茶帚移至原點(diǎn)；按下啟動按鈕SF0,開始炒茶；按下停止按鈕SF1，炒茶機(jī)停止工作.在炒制過程中，根據(jù)炒茶工藝，通過電動推桿A對茶帚加壓，首先Q0.0輸出信號，電動推桿伸至位置BGA1，PLC檢測到行程開關(guān)信號后，關(guān)閉Q0.0信號，定時(shí)一段時(shí)間后，電動推桿繼續(xù)伸長至位置BGA2，同樣經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間的炒制，推桿伸長到達(dá)極限位置BGA3.與此同時(shí)，電動推桿B同樣在PLC的控制下，以相同原理進(jìn)行伸長和縮短，以改變茶帚在炒鍋內(nèi)的回轉(zhuǎn)直徑.在整個(gè)炒制過程中，由變頻器采集炒鍋的溫度信號，輸入至其AVI端子上.變頻器獨(dú)立運(yùn)行內(nèi)部自身的PLC程序，通過溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)炒茶電機(jī)的轉(zhuǎn)速.炒制過程結(jié)束后，PLC控制變頻器停機(jī)，茶帚自動回到原點(diǎn).

表1 PLC輸入點(diǎn)代碼和地址編號Tab.1 Code and address number of PLC input point

表2 PLC輸出點(diǎn)代碼和地址編號Tab.2 Code and address number of PLC output point

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括兩部分：S7-200CPU224的程序設(shè)計(jì)和臺達(dá)VFD-E變頻器內(nèi)置的獨(dú)立PLC程序.CPU224程序主要完成系統(tǒng)啟動、停止以及兩個(gè)電動推桿的動作控制等工作；變頻器自身PLC程序主要進(jìn)行溫度信號的采集[6]、炒茶電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整.變頻器PLC部分程序如圖3所示,地址對應(yīng)關(guān)系見表3.

表3 變頻器程序地址說明Tab.3 Inverter program address instruction

程序原理：X2接收到CPU224啟動信號Q0.4后，接通特殊繼電器M1025，變頻器啟動，開始控制炒茶電機(jī)以一定的周期進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這里采用定時(shí)器T0和T1分別定時(shí)20 s和10 s.同時(shí)，實(shí)時(shí)采集炒鍋的溫度信號，送至模擬量輸入通道D1028，經(jīng)過變頻器內(nèi)部運(yùn)算，輸出至模擬量輸出通道D1040，自動控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.X3接收到CPU224停止信號Q0.5后，炒茶電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn).

圖2 電氣控制原理圖Fig.2 The scheme of electricity control

圖3 變頻器PLC梯形圖程序Fig.3 Ladder diagram of inverter PLC

3 炒茶機(jī)控制系統(tǒng)測試

采用設(shè)計(jì)的智能炒茶機(jī)，投入500 g 鮮葉進(jìn)行炒制.控制系統(tǒng)啟動后，茶帚下降到一定高度，以預(yù)設(shè)的速度進(jìn)行翻炒，在此過程中明顯可見鮮葉被挑起，溫度變化時(shí)，茶帚轉(zhuǎn)速隨之改變.約3 min后，從炒鍋中取出少量葉片觀察，發(fā)現(xiàn)葉片受熱均勻，表明殺青情況較好.在系統(tǒng)控制下，茶帚提升，旋轉(zhuǎn)圓周減小，轉(zhuǎn)速下降；然后茶帚下降，轉(zhuǎn)速提升.通過觀察，發(fā)現(xiàn)此時(shí)鍋中葉片逐漸卷縮，形狀基本一致.隨著葉片含水率的降低，偶有少量葉片折斷，這種情況在理?xiàng)l環(huán)節(jié)也有出現(xiàn).與手工炒制同品質(zhì)茶葉相比，智能炒茶機(jī)炒出的茶葉碎葉稍多，茶葉的緊細(xì)和圓直形狀稍差.這說明茶帚的動作控制還不夠精細(xì)，與人手的感覺還有差距.另外，控制系統(tǒng)對殺青、揉捻和理?xiàng)l的工序過渡是以時(shí)間定時(shí)來完成的，而手工炒制則是依靠人的經(jīng)驗(yàn)，通過判斷葉片的含水率來決定是否進(jìn)行下一步工序，而對炒鍋內(nèi)葉片含水率的檢測和控制仍然是目前自動炒茶機(jī)需要解決的問題.

4 結(jié)論

在手工制茶工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種智能炒茶機(jī)控制系統(tǒng).通過PLC和變頻器結(jié)合的方法，對小型炒茶機(jī)進(jìn)行智能化控制,采用電動推桿實(shí)現(xiàn)炒茶過程中的對茶帚的壓力控制以及茶帚在炒鍋內(nèi)回轉(zhuǎn)圓周的控制.茶帚上下移動行程20 cm，轉(zhuǎn)動速度在50～120 r/min，其速度根據(jù)采集溫度連續(xù)可調(diào)；茶帚傾斜角調(diào)節(jié)范圍0°～45 °，茶帚對茶葉的壓力范圍為0～40 N.系統(tǒng)對炒鍋溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對炒茶電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及壓力進(jìn)行變頻控制.另外，PLC和變頻器的運(yùn)行彼此獨(dú)立，保證了系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)需求，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可靠性.該裝置可適于各類茶葉的炒制.