基于云端控制的普洱茶發(fā)酵系統(tǒng)研究

閆洪猛

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山東德州 253034）

0 引言

普洱茶具有降低血脂、減肥、抑菌助消化、暖胃、生津、止渴、醒酒解毒等多種功效。自有“霧鎖千樹茶，云開萬壑蔥。香飄十里外，味釅一杯中”，道出了古老而神奇的普洱茶文化。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在的普洱茶在儲(chǔ)存的過程中主要靠自然發(fā)酵，沒有成熟的儲(chǔ)存發(fā)酵設(shè)備。

國內(nèi)及國外針對(duì)普洱茶發(fā)酵設(shè)備的研究起步較晚，普洱茶發(fā)酵設(shè)備的規(guī)范化、自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化等程度低。目前，普洱茶的發(fā)酵生產(chǎn)過程，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的人工渥堆方式，其主要是依靠周圍環(huán)境中的微生物自然發(fā)酵進(jìn)行。而傳統(tǒng)小作坊式的自然發(fā)酵，不可避免存在衛(wèi)生條件差、品質(zhì)上不同批次不一樣、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低下等問題，嚴(yán)重影響著普洱茶整個(gè)產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展。可見，普洱茶發(fā)酵設(shè)備自動(dòng)化的研究對(duì)云南普洱茶清潔化、產(chǎn)業(yè)化及自動(dòng)化生產(chǎn)具有非常重要的意義。為此設(shè)計(jì)基于云端控制的普洱茶發(fā)酵控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)普洱茶發(fā)酵過程自動(dòng)化、潔凈化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 硬件部分

1.1.1 機(jī)械部分

（1）框架：采用的是亞克力板組建而成，保證設(shè)備的美觀，結(jié)緊湊結(jié)實(shí)用。

（2）按鈕：開始和急停按鈕位于設(shè)備的一側(cè)，便于一鍵啟動(dòng)和停止。

（3）萬向輪：萬向輪滑輪在底部，便于設(shè)備移動(dòng)。

（4）加溫裝置：在設(shè)備一側(cè)，使用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱風(fēng)，近距離傳遞熱量。

（5）加濕裝置：采用常溫增濕水汽設(shè)備，使水汽全方位包裹普洱。

（6）除濕降溫裝置：采用軸流風(fēng)扇將發(fā)酵裝置中溫度和濕度抽出，與室外空氣進(jìn)行熱濕交換，以達(dá)到平衡。

（7）網(wǎng)絡(luò)裝置：采用智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能分析等。

1.2 電氣部分

1.2.1 PLC控制器

該系統(tǒng)采用的PLC為S7-1200作為主控制器，它是西門子公司出品的一款緊湊型、模塊化的小型PLC，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、與HMI連接和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，因此它是單機(jī)小型自動(dòng)化系統(tǒng)的完美解決方案。對(duì)于設(shè)備中需要網(wǎng)絡(luò)通信功能和單屏或多屏HMI的自動(dòng)化場(chǎng)景，它也便于設(shè)計(jì)和實(shí)施。另外，它支持小型運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等高級(jí)應(yīng)用功能。它還集成Profinet/Ethernet端口不需要專用編程電纜和以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊，減少安裝空間和成本。

1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)云盒子

隨著萬物互聯(lián)概念的不斷深入，各種物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用遍地開花。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)云盒子也將成為連接的重要紐帶。在設(shè)備控制的現(xiàn)場(chǎng)，物聯(lián)網(wǎng)云盒子數(shù)據(jù)處理單元完成控制器與數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程通信，為客戶提供遠(yuǎn)程維護(hù)的通道，便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程維護(hù)以及建設(shè)大規(guī)模遠(yuǎn)程管理設(shè)備的信息化網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以為設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商以及終端客戶提供完整的設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)管理解決方案。

1.2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是一種裝有濕敏和熱敏元件、能夠用來測(cè)量溫度和濕度的傳感器裝置，有的帶有現(xiàn)場(chǎng)顯示，有的不帶有現(xiàn)場(chǎng)顯示。溫濕度傳感器由于體積小，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)中采用的西門子S7-1200PLC中集成了模擬量0～10 V輸入功能，為此選用帶0～10 V模擬量輸入信號(hào)的溫濕度傳感器。

1.2.4 觸摸屏

在設(shè)計(jì)中為便于調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作和數(shù)據(jù)查看，選用昆侖通態(tài)帶以太網(wǎng)通信口的觸摸屏TPC7062TI。

2 工作過程

該項(xiàng)目運(yùn)用人工智能技術(shù)，將多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到人工智能算法進(jìn)行模型訓(xùn)練，測(cè)算出最佳的加速發(fā)酵數(shù)據(jù)作為運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些溫濕度等工藝數(shù)據(jù)，利用控制系統(tǒng)將普洱茶的發(fā)酵空間調(diào)整到利于普洱茶發(fā)酵的溫濕度，并且根據(jù)普洱茶菌群發(fā)酵周期，不間斷的實(shí)現(xiàn)普洱茶的發(fā)酵，提高普洱茶的發(fā)酵效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)根據(jù)需求，IO分配如表1所示。

表1 PLC IO分配

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序包括模擬量處理、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行三部分。

3.1.2 模擬量處理

模塊采用將溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以0～10 V電壓值，發(fā)送給PLC模擬量IW64（濕度）、IW66（溫度）根據(jù)比例轉(zhuǎn)換為0～27 648的值，并利用標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X將轉(zhuǎn)換值縮放到0.0～1.0。再利用縮放指令SCALE_X，將轉(zhuǎn)換值變換為實(shí)際的溫濕度值。模擬量處理程序如圖1所示。

圖1 模擬量處理程序

3.1.3 手動(dòng)運(yùn)行

手動(dòng)啟動(dòng)程序采用一鍵啟停設(shè)計(jì)思路：按下加濕按鍵，加濕器啟動(dòng)工作，同時(shí)運(yùn)行指示綠燈亮；再次按下加濕健，加濕器停止工作，運(yùn)行指示燈綠燈滅。

3.1.4 自動(dòng)運(yùn)行

自動(dòng)運(yùn)行采用步進(jìn)方式進(jìn)行：第一步，為避免出現(xiàn)水汽凝結(jié)現(xiàn)象，先對(duì)普洱茶發(fā)酵空間進(jìn)行加熱；第二步，加熱到設(shè)定溫度后，再啟動(dòng)加濕器對(duì)普洱茶發(fā)酵空間進(jìn)行加濕處理；第三步，溫濕度達(dá)到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度自動(dòng)保持；第四步，連續(xù)發(fā)酵時(shí)間到以后，為避免出現(xiàn)水汽凝結(jié)，設(shè)備先進(jìn)行除濕，普洱茶發(fā)酵空間濕度達(dá)到與室內(nèi)外濕度一致時(shí)，再進(jìn)行降溫處理。按照普洱茶菌群發(fā)酵規(guī)律設(shè)定，循環(huán)發(fā)酵次數(shù)，如此往復(fù)循環(huán)處理，直到達(dá)到預(yù)想的發(fā)酵效果和口感。程序中溫濕度的上限和下限，發(fā)酵時(shí)間等都可以通過觸摸屏及云端進(jìn)行設(shè)置。

3.2 云端設(shè)計(jì)

為方便云端監(jiān)控和操作，采用的物聯(lián)網(wǎng)云盒子需輸入用戶名和密碼登陸取得權(quán)限以后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和手動(dòng)操作控制。同時(shí)設(shè)定溫濕度實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線圖及報(bào)表功能，用以記錄普洱茶發(fā)酵過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，方便后續(xù)進(jìn)行分析及處理。

4 結(jié)束語

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）提高普洱茶發(fā)酵效率。利用人工智能算法模型訓(xùn)練出的工藝數(shù)據(jù)，提高普洱茶的發(fā)酵效率。普洱茶發(fā)酵一個(gè)月，相當(dāng)于自然儲(chǔ)存一年。

（2）實(shí)現(xiàn)了云端手自動(dòng)控制。采用“云網(wǎng)端一體化”，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，采集各種工程數(shù)據(jù)，在利用人工智能算法等新一代信息技術(shù)，對(duì)工程中采集的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、研判，測(cè)算出最佳的工程運(yùn)行參數(shù)。實(shí)現(xiàn)多種手段全方位立體監(jiān)測(cè)融合，各類源數(shù)據(jù)時(shí)空上統(tǒng)一，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)互聯(lián)共享，達(dá)到“云上控、地上控、網(wǎng)上管”等全方位立體監(jiān)管體系，對(duì)故障診斷預(yù)警，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過程中的精準(zhǔn)管理。推動(dòng)茶葉發(fā)酵與保存向智能化、科學(xué)化、自動(dòng)化發(fā)展。

（3）多維度操控方式。按鈕手動(dòng)操控方式、觸摸屏操控方式、基于云端的手機(jī)操控方式、基于云端的上位機(jī)操控方式，適合各類不同背景人群。可以在室內(nèi)工作也可以在室外工作，可以適應(yīng)多種復(fù)雜的工作環(huán)境，操作性適應(yīng)性強(qiáng)。