紅茶自動發酵機控制系統研究

陳加友

（福建省安溪茶業職業技術學校,362400）

紅茶發酵機的系統控制，若能實現邏輯運算、定時、計數和算術運算、順序控制等操作的指令，通過模擬式、數字式的輸入和輸出，控制發酵的生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計，則將非常適用于紅茶的自動生產和加工，使整個生產過程達到智能化控制，有效控制茶葉發酵環境的溫濕度和自動供氧排氧，可大幅度提高茶葉的品質和生產效率。

一、控制系統

1.主傳動電機電路

電動機在啟動時啟動電流很大，系統主傳動電動機使用變頻器控制啟停，如圖1所示。選用變頻器的目的是實現電動機的變速運行、調整電動機的功率，以達到控制攤葉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，發揮更大的優勢,能在零頻零壓時逐步啟動。減少機械傳動部件的磨損,從而降低采購成本,同時可以提高系統穩定性,可以很好地配合其他控制設備和儀器，實現系統化組網的一體化開發、集中實時監視和控制，節省了選型的麻煩和系統兼容性的問題，節約了成本。

圖1 主傳動電機電路

2.傳送帶電機及蒸汽機電路

為了實現對茶葉的自動搬運，系統的傳送帶電機采用三相電機接線方式，三角形負載連接供電，如圖2～圖4所示，蒸汽機電機則采用單相供電，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 蒸汽機電路圖

3.主控制系統PLC電路圖

系統采用PLC（Programmable Logic Controller)配合嵌入式控制系統來實現簡單的人機操作，用戶可以通過在人機界面控制整個系統的做茶參數，是自動控制的核心部分（圖6）。

圖6 PLC控制系統電路圖

（1）開關量的邏輯控制

這個是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代了傳統的繼電器控制電路，實現順序控制、邏輯控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機聯控及自動化生產線。

（2）模擬量控制

發酵生產過程當中，溫度、濕度、風速度等都是連續變化的模擬量。為了讓PLC處理模擬量，必須實現數字量（Digital）與模擬量（Analog）之間的D/A轉換及轉換A/D。配套的D/和A/DA轉換模塊，使PLC用于模擬量控制。

（3）運動控制

可編程序控制器可以用于直線運動和圓周運動的控制。可驅動伺服電機和步進電機的單軸或多軸位置控制模塊。實現控制整個發酵房的工作。

（4）過程控制

過程控制是將發酵房內的濕度、換氣、溫度等模擬量的閉環控制。可編程序控制器編制多樣的控制算法程序，完成閉環控制。過程控制能準確控制發酵機內的實時濕度和溫度。

（5）數據處理

利用可編程序控制器具有數學計算、數據轉換、數據傳輸、查表、排序、位操作的功能，完成發酵數據的分析、采集、及處理。這些數據與存儲在存儲器中的設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，或將它們打印出來或制成表格，完成無人控制的柔性智能制造系統。

4.人機界面介紹及參數

用戶可以通過界面簡單明了地理解整套發酵房系統的各參數與操作方式，用戶界面如圖7所示。傳統的控制方式是用戶在控制面板上設置參數及修改變頻器的頻率來實現控制設備，但是在本控制系統中可以通過可編程序控制器、人機控制界面、變頻器三者的無縫通訊方式來實現簡單操作，即用戶直接在人機的界面就可以輕松查看或修改變頻器的控制參數，達到最佳的實現茶葉發酵自動控制。

圖7 用戶界面圖

二、霧化裝置

超聲波霧化裝置是將市電轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電的信號，驅動超聲波換能器工作，大部分采用世界領先的他激式震蕩電路的結構，較自激式震蕩電路結構在輸出功率增加10%以上,超聲波發生器是產生一個特定頻率的信號，這個信號是脈沖信號或者正弦信號，這個特定頻率是換能器工作時產生的頻率。當超聲波霧化器輸入電壓的發生變化時，發生器的輸出功率馬上跟著發生變化。會使超聲波換能器的機械振動不一致，致使工作效果不佳。因此需要穩定輸出功率,讓發生器工作在最佳狀態。發酵系統中超聲波霧化器，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，超過人的聽覺范圍，電子振蕩對人體以及動物都無傷害），陶瓷霧化片的高頻諧振動作將液態水分子的結構震散而產生自然飄逸水霧，不需添加任何化學試劑或加熱，同加熱霧化方式比較可節省能源達90%。此外在霧化過程中會釋放大量的負離子其與空氣中漂浮的粉塵、煙霧等產生靜電反應使其沉淀，同時還能高效去除空氣中的有害物質使空氣得到凈化，提高環境濕度創造比較適合茶葉發酵的環境。

三、蒸汽及溫度與濕度采集模塊

發酵系統的溫度控制是通過蒸汽來實現的，通過管道把蒸汽分布到發酵機的各個角落，當溫度低于設定值時，蒸汽機的電磁閥打開高濕蒸汽進入，當環境溫度達到設定值時可編程序控制器的控制蒸汽電磁閥閉合，此系統所用的蒸汽系統與傳統的蒸汽機的區別在于：

1.機械結構簡介，操作方便。

2.使用380伏三相電源供電，無需通過鍋爐燒煤，安全環保。

3.通過PLC與電路板共同控制，實現溫度精準化。

4.采用兩組L加熱棒交替加熱，持續性強。

5.有高壓報警、低壓報警、缺水報警，智能控制整個蒸汽系統的安全。

傳統工業控制系統中，溫度與濕度都是通過儀表來顯示與控制，這種辦法比較繁瑣，且儀表的界面都相對復雜難以理解，所以在本系統中直接將溫度與濕度顯示在人機界面上，用最簡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與濕度參數系統即可自動實現溫度濕度控制，減少故障率與出錯率。為了使采集溫度準確，本系統中溫度采集模塊使用的是PLC特定的溫度模塊，此模塊擁有強大的溫度采集功能，可以根據現場條件實現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，發酵系統通過外部模擬量元件的采集信號，再傳輸回PLC控制系統的模擬量采集模塊上，最終通過內部程序的反復處理再得出人機界面上簡單的一個數字。

圖8 PLC溫度采集模塊

四、結 語

我國紅茶經歷了一段時間的輝煌時期后由于各種原因走向低谷，目前正是崛起的關鍵時期，需求量逐漸增大，對福建工夫紅茶的品質要求也越來越高。紅茶色、香、味品質取決于發酵過程這一重要工序，采用紅茶自動發酵機控制系統，可對發酵房內溫度、換氣、濕度實行精準閉環控制，更好地實現茶葉發酵自動控制，有效保證茶葉品質，并大大提高生產的效率，為紅茶的全自動生產提供了一定的參考依據。