基于PLC控制的茶葉自動化理條機組研究

摘 要 理條是茶葉加工的重要環(huán)節(jié)，使用傳統(tǒng)的理條設(shè)備勞動強度大、效率低。本研究使用歐姆龍PLC和工業(yè)控制元件組成自動控制系統(tǒng)，對溫度、頻率、重量、時間等參數(shù)進行開放型設(shè)計，對茶葉理條過程進行自動化設(shè)計，便于用戶簡單操作。同時使茶葉理條的自動化程度得到提高，減輕了勞動強度，提高了生產(chǎn)率，也提高了茶葉的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 茶葉；自動化理條；自動控制系統(tǒng)；PLC；機組；參數(shù)

中圖分類號：S233.5 文獻標志碼：A 文章編號：1673-890X（2014）16-043-03

知網(wǎng)出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.S.20140725.1447.001.html 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014/7/25 14：47：50

目前，我國茶葉加工正朝著全程清潔化、連續(xù)化、自動化方向發(fā)展。茶葉理條是茶葉加工過程中重要的一環(huán)，理條質(zhì)量的優(yōu)劣，對茶葉加工后的品質(zhì)影響很大；隨著機械化水平的提高，全自動茶葉理條機也成為實現(xiàn)茶葉自動化加工中不可缺少的部分。目前國內(nèi)理條機市場產(chǎn)品形式單一，勞動強度大，自動化水平低，不能滿足茶葉加工連續(xù)化、自動化、清潔化的要求。本項目通過對茶葉理條機組自動化關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的設(shè)計研究，研發(fā)出全自動茶葉理條機組。該機組運用先進的PLC控制技術(shù)，對茶葉理條加工的各個工序進行機械化運作，實現(xiàn)了茶葉理條工藝的自動化，解決了茶葉加工自動化、連續(xù)化中的一道的難題，減輕了勞動強度，提高了生產(chǎn)率，同時也提高了茶葉的品質(zhì)。

1總體設(shè)計

1.1設(shè)備方案

以2臺以上茶葉理條機組成茶葉理條機組，整個機組通過提升機、振動輸送槽和上下工序相連并形成聯(lián)動。機組上方布置為茶葉料倉及行走軌道，料倉內(nèi)包含茶葉稱量系統(tǒng)、均料系統(tǒng)及下料擋板，茶葉料倉可通過行走軌道移動到每臺理條機上方下料（如圖1）。整個機組通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)多機協(xié)同聯(lián)動。每臺理條機的工作步驟都分由各自的PLC程序獨立操控，不受其他理條機操控程序的影響。

1.2控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)主要由傳感采集系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制和界面系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)采用PLC作為控制中樞，電子稱、接近開關(guān)、溫度感應(yīng)器為信號采集裝置，提升機電機、料車行走電機、勻料電機、槽體擺動電機、等作為執(zhí)行機構(gòu)；以質(zhì)量、溫度、時間控制輸出信息。其硬件框圖如圖2所示。

2運行方案

整個自動理條機運行及控制過程如下：開啟系統(tǒng)，茶葉上料，料倉提升機將茶葉原料輸送到料斗中部，同時勻料器將茶葉原料在理條機寬度方向上均勻分布，待料斗中茶葉原料達到設(shè)定重量后，提升機停止供料。同時，料倉移動到需投料的理條機上方，擋料板自動開啟，將茶葉原料投放到理條機槽內(nèi)。當理條機炒茶達到設(shè)定時間后，氣缸帶動理條機料槽翻動，將茶葉倒入振動輸送槽，振動輸送槽將茶葉輸送到下一工序。每臺理條機都重復(fù)上面的工序，從而達到整個系統(tǒng)的聯(lián)動。

3機械執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

3.1茶葉料倉

設(shè)計茶葉料倉寬度與理條機料槽寬度一致，上部為接料斗，中間為勻料器，下部為容料倉機下料擋板，下料擋板通過設(shè)在下部的稱重傳感器稱重。茶葉料倉通過在橫豎2個軌道上移動實現(xiàn)在不同位置理條機上下料，下料擋板在下料位置通過重力自動打開。料倉系統(tǒng)動力由3臺永磁同步電機提供。

3.2理條機料槽翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

理條機料槽兩端安裝2臺微型氣缸，微型氣缸壓縮空氣由1臺空壓機提供，電磁閥控制氣缸壓縮空氣，氣壓推動氣缸活塞進出實現(xiàn)理條機料槽翻轉(zhuǎn)和復(fù)位的動作。

4控制過程軟硬件設(shè)計

4.1軟件設(shè)計

歐姆龍PLC的程序軟件部分分由4個方面綜合控制：茶葉定量控制通過重量參數(shù)的設(shè)定來實現(xiàn)，理條擺動速度控制通過變頻器實現(xiàn)，理條溫度通過溫度控制器設(shè)定，觸摸屏實現(xiàn)所有參數(shù)的輸入、顯示和控制。

4.1.1 重量控制

重量設(shè)定參數(shù)通過觸摸屏實現(xiàn)，通過上海永恒電測儀器廠CZL-A型稱重傳感器進行模擬量采集電壓信號，通過放大器將電壓信號放大，再將信號輸入PLC。

首先稱重一定重量的茶葉，通過手動控制將茶葉上入小車中，根據(jù)PLC讀出的數(shù)據(jù)作為設(shè)定值保存。小車向左和向右兩側(cè)各進行一次上述動作。然后在自動運行時，小車中的實時重量會通過PLC讀取的實際值與設(shè)定值比較，當實際值大于等于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動停止上料。這時小車中茶葉的重量就是設(shè)定的重量。

4.1.2 變頻控制

隨著能源緊缺時代的到來，設(shè)計任何機械都應(yīng)當將節(jié)約能量放在重點位置來考慮。本設(shè)計設(shè)定理條過程為多頻率切換功能，初步設(shè)定為7個頻率。傳統(tǒng)理條機設(shè)備中所使用的理條機為固定頻率，由變頻器設(shè)定。此設(shè)計中，倒出茶葉過程和理條過程設(shè)定為7個不同工作頻率。用戶可以根據(jù)茶葉的具體情況和實際工藝需要自由選擇。觸摸屏中開放了7個頻率的工作時間，如果將某個時間設(shè)定為0秒，電機就自動跳過這個頻率，由此可以節(jié)省工作過程中的能量浪費。

4.1.3 溫度控制

系統(tǒng)運行之初，設(shè)定理條機正常工作溫度。該理條溫度由使用者根據(jù)具體茶葉選定，由觸摸屏輸入，設(shè)定后需一定時間通過電熱管加熱，加熱到所需溫度后，將反饋信號發(fā)送給PLC，并在觸摸屏中實時顯示，從而停止加熱。當溫度低于設(shè)定值后，電加熱管又開始加熱，確保理條溫度保持動態(tài)平衡。

4.1.4 觸摸屏設(shè)計

茶葉重量、理條溫度、理條頻率和理條時間參數(shù)等，皆采用觸摸屏參數(shù)設(shè)定界面，該人機對話界面直觀簡單，操作方便，對普通茶農(nóng)或使用者能夠起到“即看即用”的效果。

本研究設(shè)計的理條機擁有自動和手動2種功能，由用戶根據(jù)需要選擇使用。自動和手動功能的操作都在觸摸屏上實現(xiàn)，作為輸入信號進入PLC，從而控制整個機組的合理運行。

4.2硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)選用了歐姆龍系列CP1E型PLC作為系統(tǒng)的大腦。繼電器、變頻器、傳感器、接近開關(guān)、電機和觸摸屏作為手腳，協(xié)同合作，完成茶葉理條工藝要求（圖2）。

5總結(jié)

本研究通過PLC設(shè)計了茶葉理條機自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對頻率、溫度、重量、時間等參數(shù)的信息采集和信號處理。這一控制系統(tǒng)實現(xiàn)多臺茶葉理條機組的自動控制，自動化程度相當高。同時通過人機界面，方便了用戶對參數(shù)的設(shè)定和對機組的操作。本研究為減輕茶葉理條勞動強度，提高生產(chǎn)率及茶葉的品質(zhì)提供了支撐。

（責任編輯：丁志祥）