紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)控制系統(tǒng)研究

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,362400）

紅茶發(fā)酵機(jī)的系統(tǒng)控制，若能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算、順序控制等操作的指令，通過(guò)模擬式、數(shù)字式的輸入和輸出，控制發(fā)酵的生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)，則將非常適用于紅茶的自動(dòng)生產(chǎn)和加工，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到智能化控制，有效控制茶葉發(fā)酵環(huán)境的溫濕度和自動(dòng)供氧排氧，可大幅度提高茶葉的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

一、控制系統(tǒng)

1.主傳動(dòng)電機(jī)電路

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，系統(tǒng)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用變頻器控制啟停，如圖1所示。選用變頻器的目的是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行、調(diào)整電動(dòng)機(jī)的功率，以達(dá)到控制攤?cè)~厚度和茶葉流量的目的。采用了變頻器后，變頻器能最大程度地消除電壓下降，發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì),能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)。減少機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損,從而降低采購(gòu)成本,同時(shí)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,可以很好地配合其他控制設(shè)備和儀器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化組網(wǎng)的一體化開(kāi)發(fā)、集中實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，節(jié)省了選型的麻煩和系統(tǒng)兼容性的問(wèn)題，節(jié)約了成本。

圖1 主傳動(dòng)電機(jī)電路

2.傳送帶電機(jī)及蒸汽機(jī)電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉的自動(dòng)搬運(yùn)，系統(tǒng)的傳送帶電機(jī)采用三相電機(jī)接線方式，三角形負(fù)載連接供電，如圖2～圖4所示，蒸汽機(jī)電機(jī)則采用單相供電，如圖5所示。

圖2 1路傳送帶電路圖

圖3 2路傳送帶電路圖

圖4 3路傳送帶電路圖

圖5 蒸汽機(jī)電路圖

3.主控制系統(tǒng)PLC電路圖

系統(tǒng)采用PLC（Programmable Logic Controller)配合嵌入式控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)操作，用戶可以通過(guò)在人機(jī)界面控制整個(gè)系統(tǒng)的做茶參數(shù)，是自動(dòng)控制的核心部分（圖6）。

圖6 PLC控制系統(tǒng)電路圖

（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制

這個(gè)是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)聯(lián)控及自動(dòng)化生產(chǎn)線。

（2）模擬量控制

發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，溫度、濕度、風(fēng)速度等都是連續(xù)變化的模擬量。為了讓PLC處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字量（Digital）與模擬量（Analog）之間的D/A轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換A/D。配套的D/和A/DA轉(zhuǎn)換模塊，使PLC用于模擬量控制。

（3）運(yùn)動(dòng)控制

可編程序控制器可以用于直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的控制?？沈?qū)動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)發(fā)酵房的工作。

（4）過(guò)程控制

過(guò)程控制是將發(fā)酵房?jī)?nèi)的濕度、換氣、溫度等模擬量的閉環(huán)控制?？删幊绦蚩刂破骶幹贫鄻拥目刂扑惴ǔ绦?，完成閉環(huán)控制。過(guò)程控制能準(zhǔn)確控制發(fā)酵機(jī)內(nèi)的實(shí)時(shí)濕度和溫度。

（5）數(shù)據(jù)處理

利用可編程序控制器具有數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、查表、排序、位操作的功能，完成發(fā)酵數(shù)據(jù)的分析、采集、及處理。這些數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的設(shè)定值比較完成控制操作，也可利用通信功能傳送到別的智能終端，或?qū)⑺鼈兇蛴〕鰜?lái)或制成表格，完成無(wú)人控制的柔性智能制造系統(tǒng)。

4.人機(jī)界面介紹及參數(shù)

用戶可以通過(guò)界面簡(jiǎn)單明了地理解整套發(fā)酵房系統(tǒng)的各參數(shù)與操作方式，用戶界面如圖7所示。傳統(tǒng)的控制方式是用戶在控制面板上設(shè)置參數(shù)及修改變頻器的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備，但是在本控制系統(tǒng)中可以通過(guò)可編程序控制器、人機(jī)控制界面、變頻器三者的無(wú)縫通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操作，即用戶直接在人機(jī)的界面就可以輕松查看或修改變頻器的控制參數(shù)，達(dá)到最佳的實(shí)現(xiàn)茶葉發(fā)酵自動(dòng)控制。

圖7 用戶界面圖

二、霧化裝置

超聲波霧化裝置是將市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，大部分采用世界領(lǐng)先的他激式震蕩電路的結(jié)構(gòu)，較自激式震蕩電路結(jié)構(gòu)在輸出功率增加10%以上,超聲波發(fā)生器是產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是脈沖信號(hào)或者正弦信號(hào)，這個(gè)特定頻率是換能器工作時(shí)產(chǎn)生的頻率。當(dāng)超聲波霧化器輸入電壓的發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生器的輸出功率馬上跟著發(fā)生變化。會(huì)使超聲波換能器的機(jī)械振動(dòng)不一致，致使工作效果不佳。因此需要穩(wěn)定輸出功率,讓發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。發(fā)酵系統(tǒng)中超聲波霧化器，把超聲波接入水罐中，利用電子的高頻震蕩（振蕩頻率是1.7MHz，超過(guò)人的聽(tīng)覺(jué)范圍，電子振蕩對(duì)人體以及動(dòng)物都無(wú)傷害），陶瓷霧化片的高頻諧振動(dòng)作將液態(tài)水分子的結(jié)構(gòu)震散而產(chǎn)生自然飄逸水霧，不需添加任何化學(xué)試劑或加熱，同加熱霧化方式比較可節(jié)省能源達(dá)90%。此外在霧化過(guò)程中會(huì)釋放大量的負(fù)離子其與空氣中漂浮的粉塵、煙霧等產(chǎn)生靜電反應(yīng)使其沉淀，同時(shí)還能高效去除空氣中的有害物質(zhì)使空氣得到凈化，提高環(huán)境濕度創(chuàng)造比較適合茶葉發(fā)酵的環(huán)境。

三、蒸汽及溫度與濕度采集模塊

發(fā)酵系統(tǒng)的溫度控制是通過(guò)蒸汽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)管道把蒸汽分布到發(fā)酵機(jī)的各個(gè)角落，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，蒸汽機(jī)的電磁閥打開(kāi)高濕蒸汽進(jìn)入，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)可編程序控制器的控制蒸汽電磁閥閉合，此系統(tǒng)所用的蒸汽系統(tǒng)與傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)的區(qū)別在于：

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介，操作方便。

2.使用380伏三相電源供電，無(wú)需通過(guò)鍋爐燒煤，安全環(huán)保。

3.通過(guò)PLC與電路板共同控制，實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)化。

4.采用兩組L加熱棒交替加熱，持續(xù)性強(qiáng)。

5.有高壓報(bào)警、低壓報(bào)警、缺水報(bào)警，智能控制整個(gè)蒸汽系統(tǒng)的安全。

傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度與濕度都是通過(guò)儀表來(lái)顯示與控制，這種辦法比較繁瑣，且儀表的界面都相對(duì)復(fù)雜難以理解，所以在本系統(tǒng)中直接將溫度與濕度顯示在人機(jī)界面上，用最簡(jiǎn)單明了的方式提供給用戶，操作者只需要任意修改溫度參數(shù)與濕度參數(shù)系統(tǒng)即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度濕度控制，減少故障率與出錯(cuò)率。為了使采集溫度準(zhǔn)確，本系統(tǒng)中溫度采集模塊使用的是PLC特定的溫度模塊，此模塊擁有強(qiáng)大的溫度采集功能，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件實(shí)現(xiàn)各種樣式的溫度采集，如圖8所示。

濕度模塊是一種模擬量模塊，發(fā)酵系統(tǒng)通過(guò)外部模擬量元件的采集信號(hào)，再傳輸回PLC控制系統(tǒng)的模擬量采集模塊上，最終通過(guò)內(nèi)部程序的反復(fù)處理再得出人機(jī)界面上簡(jiǎn)單的一個(gè)數(shù)字。

圖8 PLC溫度采集模塊

四、結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)紅茶經(jīng)歷了一段時(shí)間的輝煌時(shí)期后由于各種原因走向低谷，目前正是崛起的關(guān)鍵時(shí)期，需求量逐漸增大，對(duì)福建工夫紅茶的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。紅茶色、香、味品質(zhì)取決于發(fā)酵過(guò)程這一重要工序，采用紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)控制系統(tǒng)，可對(duì)發(fā)酵房?jī)?nèi)溫度、換氣、濕度實(shí)行精準(zhǔn)閉環(huán)控制，更好地實(shí)現(xiàn)茶葉發(fā)酵自動(dòng)控制，有效保證茶葉品質(zhì)，并大大提高生產(chǎn)的效率，為紅茶的全自動(dòng)生產(chǎn)提供了一定的參考依據(jù)。