茶葉殺青溫度精準控制系統研究

徐海衛，蔣 麗，程宇菥，湯江文，徐傳娣，楊 樁

（四川中測量儀有限公司，四川 成都 610021）

0 引 言

殺青是制備綠茶的關鍵工序[1-2]。目前，滾筒式殺青機以其結構簡單、操作方便、生產效率高、可連續作業等特點在國內制茶業得到廣泛應用[3-4]。滾筒殺青機主要由殺青滾筒、加熱裝置、傳動機構、電控系統等部分組成。其工作原理是通過加熱裝置對滾筒進行加熱，當滾筒溫度達到殺青要求時，從進料口投入鮮葉，使鮮葉溫度迅速升高，并在筒壁摩擦力和螺旋導葉板的作用下，將鮮葉提升到一定高度，然后向斜上方拋出，落到滾筒內壁的另一側，這樣茶葉一邊翻動，一邊向出料口方向移動，最后從出料口排出，完成殺青作業[5-6]。

但是現有的滾筒殺青機溫控準確度低、穩定性差、自動化程度不高，并且對人的依賴性較強，需要茶葉加工人員把握好殺青溫度，故相關操作人員的經驗以及操作熟練程度等對茶葉的殺青效果有較大的影響[7]。若操作不當，極易產生焦葉、紅梗、紅葉的現象，嚴重影響茶葉品質[8]。本文運用PLC控制技術、PID控制理論、新型熱源、傳感器件等，能夠及時準確地反饋殺青滾筒外壁溫度相關參數，對溫升過程進行有效控制，消除因操作人員帶來的不確定因素對殺青質量及茶葉品質的影響。

1 溫控系統的設計

溫度作為殺青工藝過程中一個重要的控制因素，其準確度和穩定性對茶葉品質的好壞起著決定性作用。怎樣實現控溫的準確和穩定成為溫控系統亟待解決的問題，也是討論的重點。

本方案的溫控系統主要由熱源、熱源控制器、PLC、熱敏傳感器件、轉換器件、人機操作界面6部分組成。

1.1 熱源的選取與固定

現有殺青機大多以燃料燃燒作為熱源，包括柴、煤、焦炭等固體燃料；柴油、重油等液體燃料；煤氣、天然氣等氣體燃料。采用上述燃料的殺青機不僅熱效率低，而且要求附屬設備較多、工藝過程復雜；同時，燃燒排放及殘渣對環境造成很大污染。近幾年有采用普通電加熱管作為加熱系統的熱源，雖然污染減小了，但升溫不夠快，電-熱轉換效率不夠高，能耗較大。本文采用新型材料——碳纖維電熱管作為熱源，有效彌補了以上不足。

電熱管的分布方式通常有兩種，一種是電熱管與滾筒同步旋轉（見圖1（a）），另一種是電熱管固定，滾筒獨立旋轉[9]（見圖 1（b））。第 1種方式熱效率更高，但考慮到電力輸送裝置成本等因素，此處選擇第2種固定方式。

圖1 電加熱滾筒式殺青機構造示意圖

1.2 溫度傳感器的選取

溫度傳感器主要有熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器4種類型（如表1所示）。通常殺青溫度需要在280～320℃之間，由表可知，熱敏電阻和IC溫度傳感器測溫范圍窄，不適用。另外考慮到成本和實用性，此處選用熱電偶監測即可滿足應用需求。

1.3 測溫點的確定

殺青過程中，茶葉隨滾筒做拋落運動，若將熱電偶設置在滾筒內難免會受到殺青葉的干擾[10]。同時，由于滾筒內部的熱環境由筒壁、熱空氣共同構成，在熱傳導、對流熱和輻射熱作用下，熱電偶測得的數據會存在較大偏差。因此，此處將熱電偶設置在滾筒外側，監測滾筒外壁的溫度。

由于對流熱和輻射熱的不同，不同的測溫點，所呈現的溫度特性存在差異。因此，首先需要確定最佳的測溫點。取殺青滾筒進料端、中部、出料端3個徑面，并將徑面等分為8個部分，如圖2所示。

表1 溫度傳感器比較

表2 3徑面上測溫數據℃

圖2 取殺青滾筒3處徑面測溫

設置滾筒轉速為36 r/min，加熱至200℃時，用標定的紅外測溫槍測量每個徑面上8個點的溫度數值，測量結果如表2所示。由表可知，測量位置A-A′、B-B′、C-C′上 8 個測溫點的平均值分別約為 202，189，207℃，其中最接近200℃的即為A-A′位置。再分析A-A′位置的測量數據，可知 a、b、e、f 4 點最接近平均值。 同理，分別以 a、b、e、f為起點，在殺青滾筒軸向上等8分取7個測溫點，如圖3所示。分別測得各點溫度值如表3所示。

圖3 殺青滾筒軸向上取測溫點

由表中數據可見，a軸向上的測溫均值最接近200℃，其中 b′點溫度值最接近均值；因此，將 b′點作為殺青滾筒的平均溫度點，即將b′點選定為熱電偶滾筒溫度采集點。

表3 4軸向上測溫數據℃

1.4 控溫原理

本方案控溫原理如圖4所示，通過熱電偶采集殺青滾筒外壁實時溫度信息，得到一個微弱的電信號，再由變送器將其轉換為4～20 mA的標準信號，然后送給PLC模擬量模塊，經A/D轉換成數字量。CPU將它與溫度設定值進行比較，并按程序設定對誤差進行判定、處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，以通過調壓器來控制電源的開度，從而控制電源的輸出功率，進而控制電熱管加熱功率。當滾筒溫度高于設定值時，控制電路便調低電熱管加熱功率，直到熱電偶采集的溫度值在設定值內；而當滾筒溫度低于設定值時，控制電路便調高電熱管加熱功率，直到熱電偶采集的溫度值達到設定值。最終實現殺青滾筒溫度精準、穩定控制，保證殺青效果。

圖4 控溫系統結構框圖

1.5 PID控制簡介

PID運算是自動控制系統中最常用的回路模擬控制環節，其優越性在于能夠有效提高系統的穩定性和響應特性。S7-200系列PLC的編程軟件Micro/WIN提供了PID指令向導，PID控制程序可通過指令向導自動生成，對模擬量控制十分方便。計算機或PLC在周期性地采樣并離散化后進行PID運算，算法為

編程軟件還提供了PID參數自整定功能，PID整定控制面板，能夠幫助用戶輕松實現PID參數自整定，獲得一組近似最優的整定參數。

1.6 系統控制流程圖

溫度控制分3段進行：1）開始以滿功率輸出，使滾筒迅速升溫；2）當溫度到達一定值后，采用PID進行控制；3）當溫度接近設定值時，輸出功率為0，利用滯后溫升達到設定溫度并起到節能作用。控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

2 結果驗證

按照以上設計方案，對結果進行驗證。為了更好展現實驗結果的優劣，本文增加了常用殺青滾筒中部正下方的測溫點溫度以及3徑面24點的平均溫度作為比對樣本。

表4 動態誤差1）

表4為同一時間紅外測溫槍（標準）和3種不同情況測得的從常溫到設定溫度300℃的溫度對比數據。圖6為動態誤差折線圖。

由圖可知，情況II升溫緩慢且遠離標準值，不可取；情況I、情況Ⅲ和標準測溫值非常接近，并且能夠在10 min內迅速升至設定溫度，并維持在該溫度附近，可見其測溫的準確性和穩定性良好。然而，考慮到設備的成本和便捷性，不可能采用24套測溫器件來進行溫度測定，所以排除情況Ⅲ。

表5 靜態誤差 ℃

圖6 動態誤差折線圖

圖7 靜態誤差折線圖

對本方案作進一步靜態測溫誤差驗證，表5為本方案采用的測溫點處，熱電偶測得的不同設定溫度恒溫時，每間隔2 min，對應紅外測溫槍（標準）測得的溫度對比數據。圖7為靜態誤差折線圖。

本方案在100～300℃溫控區間的5個不同恒溫點處，熱電偶測得的滾筒外側溫度值與標準測溫槍測得的滾筒內壁溫度值十分接近，控溫準確度在[-2℃，10℃]；并且當溫度到達設定值后，經過16 min恒溫測量、觀察，其始終保持在恒溫點附近，最大擺動不大于10℃，可見溫控穩定性好。

3 結束語

本文從熱源、溫度傳感器選取，測溫點選定，控溫原理，控制方案等方面對滾筒式殺青機溫度控制系統進行了研究。實驗數據表明，該方案在殺青關鍵條件包括溫控準確度和穩定性方面取得了明顯改善；實現殺青溫度的自動控制，避免人為因素等造成的茶葉品質不均勻現象，為高品質茶葉的加工提供有力保障。此外，新型熱源、PLC、觸摸屏的采用，使設備還具有節能、環保，操作靈活、方便，可根據不同需求進行工藝設置的特點，更有利于茶葉自動化流水線的配套和搭建。

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