基于PLC和步進伺服的茶葉揉捻壓力柔性控制方法

摘要：針對傳統茶葉揉捻機在工作過程中不能進行實時測壓、控壓，不能將茶葉受到的壓力量化，并且茶葉在揉捻翻轉過程中所受到的壓力變化較大，影響茶葉揉捻質量的這一現狀，提出一種基于PLC和步進伺服的揉捻機壓力柔性控制方法。該控制方法模擬彈簧受力時的彈性力變化過程，將壓力參數量化，便于實時調控。實驗表明：該控制技術能讓殺青葉在揉捻I：序中達到成條率高、細胞破碎率高、碎茶率低的揉捻效果。

關鍵詞：揉捻壓力；柔性控制；PLC；步進伺服；模擬彈簧受力

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0080-04

引 言

隨著茶產業的發展，我國機械行業從20世紀70年代初期開始，不斷增加從事茶葉機械研究的力量，使茶機研究設計的廣度、深度日趨擴展，促進了茶機品種和性能的增加與改善，揉捻機等也已形成系列。同時，茶葉生產連續化和自動控制技術，在國內已開始研究，揉捻機的程控功口壓技術也達到一定水平。本文所述的壓力柔性控制即是在程控加壓的基礎上進行的。收稿日期：2014-04-12：收到修改稿日期：2014-06-05基金項目：國家科技支撐計劃項目（2014BAD06806）作者簡介：譚和平（1957-），男，重慶市人，研究員，享受國務院政府津貼專家，從事生物化學茶產業鏈研究。

揉捻，是指用機械揉搓的方式破碎茶葉組織細胞，擠出汁液，并使葉片索緊成條的過程。揉捻葉的質量用成條率、細胞破碎率和碎茶率3個指標來衡量。在揉桶轉動過程中，茶葉因到桶蓋的壓力以及桶壁的作用力而翻轉。傳統的揉捻機大都不能進行壓力實時調節，使得茶葉受到的壓力變化較大，葉片成條的程度和細胞破碎率也不相同，并加大揉捻機的機械磨損及耗能。在揉捻過程中要進行壓力實時控制，就要對壓力進行實時采集、轉換，并將之與預設值進行比對，最終將比對結果轉換成控制信號傳遞給壓力執行部件，以壓力執行部件的實時動作來實現壓力實時調節，以及減輕揉捻機的機械磨損，降低能耗。

1.壓力控制系統的原理

該壓力控制系統的T作原理如圖l所示。

人機接口（human maChine inlerface，HMI）也叫人機界面。用戶可以通過HMI實時觀察各項揉捻參數的變化情況，并對揉捻機進行直接操控。

可編程邏輯控制器（program mable logic con-troller，PLC）具備電氣可靠性高、通信能力較強、適用性廣等特點，是工控行業的主流控制器之一。PLC與HMI之間的通信協議采用Modbus RTU協議.HMI作為主站，PLC作為從站。

步進式伺服驅動系統包括步進電機驅動器和步進電機兩部分，是典型的開環控制系統。在此系統中，執行元件是步進電機，它受步進電機驅動器的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移。由于該系統沒有反饋檢測環節，使得精度比較差，速度也受到步進電機性能的限制。

為了彌補這一缺陷，控制系統設計了包含稱重傳感器、壓力變送器和模擬量采集模塊的壓力檢測反饋環節，與PLC共同構成了一個壓力閉環控制系統。2系統硬件組成

該壓力控制系統的硬件分為HMI.PLC.壓力檢測組和壓力調節組4個部分。

HMI選用昆侖通態公司的監視與控制通用系統（morutor and conl.rol generated system，MCGS）觸摸屏，監視與控制通用系統。這是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。

PLC選用Kinc，o-306EX系列。模擬量采集模塊選用K333系列模擬量輸入輸出模塊。

壓力檢測組由稱重傳感器和隔離型壓力信號變送器組成。稱重傳感器將桶蓋受到的作用力轉換為0～5 V的電壓信號。本系統中采用隔離型信號變送器，因為整個揉捻系統中有三相電機、變頻器等交流設備，對弱電信號造成干擾，影響數據采集精度，進一步影響整個壓力控制系統的控制精度。

壓力調節組選用樂創兩相混合式步進電機DM86系列電機，驅動器選用DMD808A。該系列步進電機步距角為1.80，步距角精度為+5%，轉動慣量最大能達到2700g.Cm2，完全滿足揉捻加壓壓力需求。

3.壓力柔性控制及其算法

揉捻加壓的直接動作部件是揉桶蓋，通過控制步進電機的正反轉來實現揉桶蓋的上升和下降。加壓時控制揉桶蓋從揉桶上沿向下運動，減壓時則相反。壓力柔性控制是指使壓部動作壓力值與實時壓力值之間存在不同的壓力緩沖值，需求壓力與實際壓力的差的絕對值與不同的緩沖值比較，壓部根據比較結果執行設定相應的動作。壓力柔性控制中的關鍵參數為揉捻壓力彈性系數。

壓力柔性控制系數的算法為F差= F實-F設。當F差>Z粗準時，有v壓部=v高；當F差

F實——揉捻實時壓力值，N；

F設——揉捻需求壓力值，N；

z粗準——壓力粗調緩沖值，N；

Z細準——壓力細調緩沖值，N；

v壓部——步進電機轉速，r/min；

v高——壓力粗調步進電機轉速，r/min；

k——揉捻壓力彈性系數。

步進電機的轉速由頻率來控制，并且兩者成正比。兩相混合式步進電機的轉速計算公式為其中：v步——步進電機轉速，r/min；

f——步進電機頻率，Hz；

T——步進脈沖周期值.s：

x——細分步數。

由式（1）可知，根據壓力彈性系數的關系，可以推導出當F差從Z粗準趨近于z細準時，壓部速度是逐漸降低的。壓力差值大，壓部進退速度快，反之進退速度慢，形成壓力的柔性控制。

4 .系統軟件控制

首先用MCGS組態編輯軟件根據工藝需求完成組態程序的編寫，在HMI中設計好所需要的操作界面如圖3所示。

在進行揉捻操作時，在設定壓力的輸入框中輸入所需要的壓力參數。

在PLC程序設計中，與壓力柔性控制相關的參數有：壓部位置，壓部高速，壓部低速，壓部粗準，壓部細準，壓部高速等。

壓部位置定義為：當壓部位于上限位時（上行極限位置）為位置1，壓部在上限位與中限位之間時為位置2，壓部在中限位（桶蓋與揉桶上邊沿齊平位置）時為位置3.壓部在中限位和下限位之間時為位置4.壓部在下限位（下行極限位置）時為位置5。系統會自動根據磁性感應開關的開關量信號和壓部運動方向判斷壓部位置。

壓部控制程序根據壓力柔性控制算法結合其他關聯參數進行編寫。

5.實驗數據及結論

分別采用以下3種壓力控制模式進行對比實驗：固定壓力控制、剛性壓力控制，柔性壓力控制。固定壓力控制是指當揉桶蓋運動到實際壓力值和設定壓力值相等的位置就保持停止狀態，直到接受到下一個控制信號為止。剛性壓力控制是指當實際壓力和設定壓力差值不等于零時，差值為正，壓部上移；差值等于零時，差值為負，壓部下移。

設置揉捻機揉筒轉速為35r/min.采用3種壓力控制模式得到的壓力曲線圖如圖4～圖6所示。

在固定壓力控制模式下，揉捻葉受力在揉桶內由平鋪變為翻滾，而揉桶蓋的位置固定，所以當茶葉翻滾到某一位置時壓力值會激增，而在整個揉捻過程中茶葉受到的壓力變化較大，不利于葉片縮緊成條，細胞破碎率和碎茶率較高。并且因為壓力突變，使得機載負荷大，影響機器壽命，增加耗電量。

在剛性壓力控制模式下，壓部根據壓力差值大小實時完整地進退，使得揉捻葉受到的壓力較為均勻，細胞破碎率較好，碎茶率低，機載負荷小，但是成條率不理想，因為壓力太過均勻，不能起到相應的揉搓效果。

在柔性壓力控制模式下，壓力控制相當于模擬彈簧受力彈性變化的過程。由于壓力彈性系數的存在，讓壓力有一定的彈性變化空間，這樣使得揉捻葉受到的壓力既不突變也不均勻一致，這樣既能保證揉捻葉的揉捻翻轉效果也能降低揉捻機的損耗。揉捻葉縮緊成條率高，細胞破碎效果好，碎茶率低，形成死結少。

6.結束語

本文提出了一種全新的揉捻壓力控制方法，柔性壓力控制是完全區別于傳統揉捻機的壓力控制方法，柔性壓力控制對揉捻加工過程中茶葉的品質影響很大。該控制系統目前已應用于揉捻單機中，運行穩定，狀況良好。在以后的工作中，將借助于該控制系統模型，摸索總結不同種類的茶葉揉捻所需的壓力工藝參數，并將其量化，建立茶葉揉捻壓力數據庫，為茶機智能化做準備，為茶葉的整體加工品質提供保障。