普洱茶發酵車間測控系統的設計與實現

趙永潔黃云戰周紅杰吳曉強

（1.昆明鐵路機械學校機電工程教研室，云南 昆明 650208；2.云南農業大學工程技術學院，云南 昆明 650201；3.云南農業大學普洱茶學院，云南 昆明 650201；4.內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 028000）

普洱茶發酵車間測控系統的設計與實現

趙永潔1黃云戰2周紅杰3吳曉強4

（1.昆明鐵路機械學校機電工程教研室，云南 昆明 650208；2.云南農業大學工程技術學院，云南 昆明 650201；3.云南農業大學普洱茶學院，云南 昆明 650201；4.內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 028000）

普洱茶發酵時過程參數調控的準確性和實時性是決定普洱茶品質的關鍵因素。普洱茶發酵車間測控系統按照普洱茶發酵要求而設計，它基于PLC和現場總線等現代技術，利用傳感器在線檢測茶溫和水分等過程參數，使之保持在給定范圍內。與傳統作坊式發酵相比，該系統使不同批次普洱茶的質量趨于穩定，避免了茶品酸餿和茶堆燒心等嚴重影響普洱茶品質的現象，也為普洱茶生產的規范化和自動化提供了一定的技術支持。

普洱茶；發酵；自動化技術；實時檢測

普洱茶生產歷史悠久［1］。但目前普洱茶生產企業的生產條件和技術裝備不容樂觀［2－3］，普洱茶加工的清潔化、標準化和科學化程度低，產品附加值低，中低檔產品多，高檔產品少，而且普洱茶的深加工技術和裝備普遍落后于發達國家10～20年，更談不上各種高新技術的應用。

普洱茶熟茶是以云南大葉種曬青毛茶為原料，經渥堆后發酵和陳化工序加工而成，加工工藝中每個環節都有極強的技術因素，都與熱工計量參數有著不可分割的關系，其中，渥堆、發酵和倉儲陳化工序對其產品優良品質的形成起著重要作用［4］。普洱茶發酵新車間的設計方案利用了現代工業測控技術，根據普洱茶加工工藝與品質的關系，參照普洱茶熟茶的加工過程中溫度、濕度、水分等過程參數的經驗值，提出并完成了一套針對普洱茶發酵車間的測控系統，隨時監測普洱茶加工的過程參數，并依靠這些參數對普洱茶生產過程進行監督和控制，初步實現了普洱茶發酵生產過程的自動化。

1 系統設計方案

1.1 系統主要設計功能和要求

普洱茶發酵車間測控系統的設計，是為普洱茶發酵過程創造適宜的環境條件，同時要求操作方便和工作可靠。具體說來，該系統應具備以下基本要求。

（1）數據采集功能：能隨時監測和記錄車間環境和茶堆上、中、下3層的狀況，包括車間溫度和濕度，茶堆的溫度和葉片含水率，便于進行控制和分析研究。數據采集周期要求設有兩種時間模式，即每分鐘采集一次和每小時采集一次，方便用戶選用。

（2）控水控溫功能：能根據采集的數據對車間環境和茶堆的狀況進行調節，包括車間環境的控溫控濕、茶堆的控溫控水。要求各種控制均具備手動、自動兩種操作模式，既可人工調節，又可實現無人值守。

（3）空氣清新功能：能適時開啟車間內外的空氣交換，以保持車間內空氣清新，滿足普洱茶發酵過程中非酶性氧化的需求。要求該功能具有手動和定時兩種工作模式。

（4）光照和殺菌功能：在普洱茶發酵過程中能適當地補充光照，盡可能地消除雜菌并保護有益菌，最大限度降低外來人員的影響。要求該功能也具有手動和定時兩種工作模式。

（5）指示和報警功能：對各種調控設備的工作狀況都有相應的指示，對工況異常有警示。要求設備運行時相應指示燈常亮，設備停機時相應指示燈熄滅，數據采集時相應指示燈閃爍，工況異常時聲光報警。

（6）自動保護和緊急停機功能：具有完善的保護功能并能實現緊急制動。要求對設備的過流過載能檢測和保護，并設置緊急停機。

（7）設備可靠性：系統能長期連續運行，工作可靠。要求設備連續運行時間不小于一個完整的發酵周期。

1.2 系統結構

普洱茶發酵車間測控系統應用PLC和現場總線技術，采用分布式I/O結構。如圖1所示，系統由一主兩從、現場總線和相應的配套設備組成，一主兩從指主站、1＃從站和2＃從站，主站和兩個從站之間的通信通過現場總線。主站做為系統的信息處理中心，接收操作面板指令、上位機指令和從站信息，經CPU處理，再向從站發出指令信息并點亮相應的指示燈。1＃從站用做控制節點，接收主站指令并直接控制各種調節設備，包括加溫設備、加濕設備、排風設備和殺菌設備。2＃從站用做數據采集節點，它將車間現場的各種傳感器數據進行A/D轉換，再經現場總線發送給主站CPU。配套設備含操作面板、上位機、控制設備和4組傳感器。系統主站、操作面板和上位機做為監控設備，鑲嵌于主控制臺并置于控制室內，其余部分做為現場設備，安裝于發酵車間，這種設計，實現了控制室與發酵車間的分離。

圖1 普洱茶發酵車間測控系統框圖Figure 1 Structural diagram of measurement and control system for Pu'er tea fermentation workshop

數據采集部分的4種傳感器需合理布局。4種傳感器可監測車間環境溫度、車間環境濕度、茶堆溫度和茶葉水分。考慮調節設備會使得環境的溫濕度不均勻，車間溫濕度各采用4個，分置于車間四角。茶堆在發酵過程中，茶堆表層和茶堆內部的溫度不一致，且表層在排風蒸發過程中其水分損失較大，而在加濕過程中，表層又得水較多，故在茶堆內溫度和含水率傳感器都分上、中、下3層分別放置。

2 系統硬件組態

硬件組態，可以對PLC機架上的硬件進行配置，設置各種硬件模塊的參數。包括配置網絡站點、分配輸入及輸出地址、設定模擬量連接傳感器的類型等。

2.1 硬件選型和地址分配

基于設備連續運行的要求，選用西門子自動化系統，以S7－300為主站帶兩個DP從站，通過現場總線構成PROFIBUS－DP網絡。在常用配置的自動化系統中，中央可編程序控制器的I/O模板與傳感器、執行機構之間需要通過大量電纜連接，這不僅增加了材料成本，也增加了安裝的工作量和發生故障的機率。應用分布式I/O，將I/O模塊就近放置于傳感器和執行機構附近，在可編程控制器和I/O模板及現場器件之間采用現場總線PROFIBUS DP連接，克服了中央I/O模板的不足［5］。DP網主站網絡地址設為2，1＃、2＃從站網絡地址分別設為3、4，各網絡站點的硬件選型、模塊占用插槽和模塊邏輯地址見表1。

系統主站配置各種模塊共5塊。1號槽放置電源模塊，作為主站的24V直流電壓源。2號槽放置中央處理單元模塊CPU 315－2DP，它具有PROFIBUS DP主站/從站接口，可用于大規模的I/O配置，可用于建立分布式I/O結構，且具有中、大規模的程序存儲容量和數據結構，對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力，滿足了DP網的使用要求。3號槽只能放置接口模塊，但主站只有主機架，沒有擴展機架，3號槽留空不需配置。4、5兩個槽位均放入16位數字量輸入模塊用以接收操作面板指令。6號槽放置一塊16位數字量輸出模塊控制指示燈的點亮、熄滅和閃爍。

兩個網絡從站選用了不同結構形狀的配置。1＃從站從降低成本的角度出發，選用緊湊型數字量輸出模板ET200B－16DI/16DO，構成緊湊型分布式I/O從站。2＃從站的設計，由于傳感器較多，采用S7－300做為模塊型分布式I/O從站，該站選擇通信接口模塊IM153－2與通信總線連接，另配3塊模擬量輸入模塊采集各種傳感器數據。

2.2 設置模塊參數

為了正確讀取傳感器數據需對模擬量模塊進行參數配置。通常一個模擬量輸入模塊可以連接多種傳感器，在模塊上需要跳線以匹配不同的傳感器，同樣在硬件配置中也必須進行參數化，并與實際安裝類型及模塊設置相匹配。設計中，系統采用了環境溫度、環境濕度、茶堆溫度和茶葉水分4種不同的傳感器，模塊參數配置見表2。

表1 系統主站硬件組態信息表Table 1 Information sheet of hardware configuration for master station

表2 模擬量模塊參數配置Table 2 Configuration parameters for analogue module

配置CPU參數可輕松實現指令燈的閃爍。通過CPU中的時鐘存儲器，可以得到8種固定頻率的方波時鐘信號。設計中啟動CPU中的時鐘存儲器，將Memory Byte設為0，取M0.5做為指示燈開關信號，使操作面板指示燈以0.5Hz的頻率閃爍，這種方法比用定時器實現方便得多［6］。

3 軟件的實現

系統以PLC做下位機，以PC做上位機，分別編制下位機終端軟件和上位機監控軟件。

3.1 下位機終端軟件設計

下位機終端軟件編程采用STEP－7編程軟件做為開發平臺，選取結構化編程方式，程序流程見圖2。

由圖2可知，系統工作任務被分解為數據采集和過程控制兩個相對獨立的控制任務，分別對應結構化程序中的數據采集和過程控制兩大模塊，每個模塊又劃分為一個組織程序和4個單元程序，主程序通過調用這些程序塊來完成整個自動化任務。數據采集組織程序根據操作面板上的記錄清零鎖定/解鎖的檔位、采樣周期的檔位和數據采集啟動/關閉的檔位，有選擇地調用記錄清零單元程序、周期選擇單元程序、數據采樣單元程序或數據采集單元程序；過程控制組織程序根據操作面板上的緊急停止按鈕的啟動與否，手動/自動的檔位和手動/定時的檔位，選擇調用緊急停止單元程序、手動控制單元程序、自動控制單元程序或定時控制單元程序。這種結構化編程具有線性化編程無可比擬的優點，結構化編程不僅簡化了程序的組織，使得編寫的程序一目了然，而且控制任務分開，各程序段獨立，使得程序修改簡單，設備調試方便，可以標準化［7］。

圖2 系統下位機程序流程圖Figure 2 Program flow chart of lower controller

3.2 上位機監控軟件設計

上位機監控軟件使用西門子公司基于Windows環境的組態軟件WinCC6.0編寫，監控畫面如圖3所示，它包括調節設備狀態顯示，傳感器數據實時顯示，歷史數據查詢等內容。為了實現傳感器數據實時顯示，將4個輸入/輸出域與對應的傳感器數據相連接，包括車間溫度、車間濕度、茶堆溫度和茶葉水分，使發酵過程數據可以實時監測；為了實現調節設備的狀態顯示，將4個燈泡對象與相對應的調節設備的狀態相連接，燈泡的亮度和色彩與被顯示設備的狀態相對應，包括加溫設備、加濕設備、排風設備和殺菌設備，當某一設備啟動工作時，相對應的燈泡對象被點亮并改變為鮮艷的桔紅色，使調節設備的工作狀態得到實時和醒目的顯示。畫面最下方6個按鈕連接相應的子程序，包括監控畫面、實時報表、歷史數據、報警查詢、遠程控制和系統管理，實現過程值歸檔，消息系統功能和報表系統等功能。

圖3 系統上位機監控畫面Figure 3 Monitoring screen on upper computer

4 系統調試

普洱茶發酵車間測控系統的調試主要是電氣系統調試，調試順序應先調局部，后調整體，先調空載，后調重載。具體地說，普洱茶發酵車間測控系統的調試應按順序做以下5步。

（1）主控制器調試：系統采用PLC作主控制器，主控制器在普洱茶發酵加工中擔負連續自動運行的全部工藝控制，調試應以全面滿足連續生產工藝要求為基點。對于PLC主控制系統，調試的重點在于檢查和完善控制程序。對貫穿整個運行程序中的緊急停車操作，必須分別在各種工況條件下逐個予以確認。在手動/自動、手動/定時運行的轉換過程中，主控制器的各輸出信號，都必須在主控制器控制的下級電氣設備上進行檢查、測定，以確認其準確性與時間配合的合理性。

（2）電氣傳動裝置調試：系統電氣傳動裝置，采用以PLC控制為主、以繼電器一接觸器控制為輔的控制方式，在主控制器調試完畢后，重點確認控制過程各繼電裝置、接觸器的動作程序和工藝連鎖關系。

（3）數據采集系統調試：在系統數據采集過程中，從傳感器自動采樣非電量信號，送到PLC中進行分析和處理。通常，必須在數據采集設備采集之前調整傳感器信號，包括對其進行零點調整和量程調整。此處，對A/D轉換和模擬量輸入/工程值的轉換結果也要予以復核。增益或衰減和隔離，放大，濾波等。對待某些傳感器，還需要提供激勵信號，根據現有的溫度等，計算電流值與傳感器輸出相比較，再與PLC記錄值相比較。

（4）無負荷聯動試運行：從構成生產連續運行的角度對全加工線進行綜合檢測和調整。無負荷聯動試運行一般分區段聯動試運行和全線聯動試運行。區域聯動試運行是對指定區段內各單體設備在“數據采集－信息處理－反向較正”這一工藝循環過程中的動作狀況、運行參數及連鎖運行關系進行檢查測試，完成區段內各設備協調運行的調整。全線聯動試運行的方法和調試內容與區域聯動試運行相同，但調試的目的是保證各區段運行協調，因而調試重點是檢查各區段交界處設備的動作連鎖和動作配合。

（5）帶負荷試運行：是指實際接入調節設備的試運行。負荷試運行的目的是對加工線上各設備運行作負荷考核與運行特性精調。主要內容：各種調節設備能否達到設定的調節效果；測定滿負荷條件下各分支及干線上的電壓、電流及指令信號電壓值，是否過載和保證控制設備的正常工作。

5 結束語

在針對普洱茶加工關鍵技術的國家科技支撐計劃項目（編號：2007BAD58B02－05）中，采用了普洱茶發酵車間測控系統，在普洱茶發酵環節中突破了傳統檢測方法和生產手段。

（1）數據采樣實時性好且能精確顯示。系統用傳感器取代了原來的溫度計、濕度計和茶葉水分的烘箱法分析，配以監控軟件，過程參量顯示及時且能取到小數點后兩位。

（2）數據記錄自動完成，變人工測量記錄為機器自動測量記錄，且全過程，遠距離、大數據量，記錄無需人工，便于分析和歸檔。

（3）車間環境人工可控，生產不受季節影響，該系統使不同批次普洱茶的質量趨于穩定。

（4）控水控溫自動化，加溫加濕、風冷風干均根據工況自動完成。在普洱茶發酵過程中實現了控水控溫的準確性和實時性，避免茶品酸餿和茶堆燒心等嚴重影響普洱茶品質的現象。

（5）使翻堆更加精準，系統提供的報警功能可提醒工作人員。避免茶堆鏟翻不及時而導致焦心、碳化等。

綜上所述，普洱茶發酵車間測控系統的應用解決了普洱茶發酵中過程參數監測的實時性和準確性問題，并初步完成了這些參數的實時調控。普洱茶發酵車間的人造小氣候為普洱茶發酵提供了適宜的環境條件，對提高普洱茶產品品質與產量、保障生產安全、改進操作工藝、改善生產條件等有著重要作用，對普洱茶產業的健康持續發展具有十分重要的意義。

1 陳紅偉.西雙版納茶莊文化研究［J］.中國茶葉加工，2011（2）：45～48.

2 鮑曉華，陶忠，李孫洋，等.普洱茶進行深加工的可行性研究［J］.思茅師范高等專科學校學報，2008，24（2）：29～31.

3 何青元.云南普洱茶生產現狀與拓展對策［J］.貴州茶葉，2003（1）：37～38.

4 常萱.影響普洱茶品質量的熱工計量參數研究［J］.中國計量，2011（8）：85～88.

5 陳忠華.可編程序控制器與工業自動化系統［M］.北京：機械工業出版社，2008：33～38.

6 劉鍇，周海，楊光，等.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：156～157.

7 崔堅.可編程序控制器與工業自動化系統［M］.北京：機械工業出版社，2008：133～134.

Design and implementation of measurement and control system for Pu'er tea fermentation workshop

ZHAO Yong－jie1HUANG Yun－zhan2ZHOU Hong－jie3WU Xiao－qiang4

（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，The Railway Mechanical School of Kunming，Kunming，Yunnan650208，China；2.College of Engineering and Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；3.College of Pu'er tea，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；4.College of Mechanical Engineering，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao，Inner Mongolia028000，China）

The accuracy and realtime control of process parameters in Pu’er tea fermentation is the key factor to its quality.The measurement and control system for Pu'er tea fermentation plant is according to the pu’er tea fermentation requirements.It was based on PLC and fieldbus and other modern technology，detecting process parameters online such as temperature and moisture through sensors so that it remains in a given range.Compared with the traditional fermentation，the system makes the quality of tea stabilized and avoided effect seriously to the tea quality such as acids and heartburn and it is a technical supporter for the standardization and automation of Pu'er tea production.

Pu'er tea；fermentation；automatics；realtime detection

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.026

國家科技部“十一五”國家科技支撐計劃項目（編號：2007BAD58B02－05）；云南省發改委2008年度產業重大關鍵技術開發項目（編號：［2008］1657－20）；云南省自然科學基金“十二五”重點項目（編號：2009CC005）

趙永潔（1968－），男，昆明鐵路機械學校講師，碩士。E－mail：zhaoyongjiezhao＠163.com

黃云戰

2011－11－01