基于PLC 和云盒子的茶葉揉捻生產線在線監控系統設計

摘 要： 為解決茶葉揉捻過程信息化、數字化水平低的問題，滿足揉捻技術標準化、精細化發展需求，設計了基于物聯網云盒子的在線監控系統，實現無線通信、遠程服務、云端監控、數據收集和參數調整，達到升級系統、降低運維成本和優化生產工藝的目的。

關鍵詞：茶葉；云平臺；物聯網云盒子；無線通信技術；遠程控制

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0032-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.006

0 引言

茶葉揉捻技術是影響茶葉品質的一項關鍵技術，現代揉捻技術對揉捻過程的信息化和數字化需求越來越高，揉捻技術的標準化、精細化是現代農業技術的發展趨勢[1]。

貴州省是茶葉生產大省，但茶葉揉捻設備普遍比較老舊，數字化程度不高，生產管理效率低。為此，針對茶葉揉捻生產企業進行了調研，收集了制茶企業的一些需求和建議。

（1）存在的問題和需求。一是工人和技術人員只能在現場控制和查看設備狀態，無法在線監控。二是茶葉揉捻技術沒有具體的參數標準，全憑技術人員經驗，依據大量實時數據，分析找到合理參數。三是茶葉揉捻過程要依據茶葉采摘季節和制茶種類的不同，采用不同配方。四是揉捻設備技術人員提供技術支持時，需要頻繁去設備現場。五是設備車間空調是家用空調，沒有常規的通信口，無法用PLC 進行控制。六是壓力傳感器與PLC 間是有線連接，但揉捻蓋會隨著揉捻過程隨機轉動，會造成傳感器導線被纏繞現象。

（2）改進建議。一是建立一套基于云平臺的監控系統，使用戶可以在手機端和電腦端同步監控生產線設備。二是一旦設備有異常，能通過短信、微信和聲光報警等方式通知技術人員。自動收集并存儲生產線上的關鍵數據，如質量、壓力、時間、溫度和濕度等，為茶葉揉捻技術的標準化提供數據支持。三是將茶葉分成春茶、夏茶和秋茶，對應每個季節的茶葉設置若干典型茶品的標準配方，再設置一個開放性配方窗口，方便技術人員調整生產參數，優化生產工藝。四是使用無線通信技術，實現遠程程序下載和調試，遠程服務，以解決問題。五是加裝可以與PLC 通信的空調溫度控制器，實現對空調的無線控制。六是在傳感器側和PLC 側分別加裝無線通信的發射和接收模塊，通過無線通信技術采集壓力傳感器數據[2]。

為了解決茶葉揉捻設備出現的問題，本研究設計一套基于PLC 物聯網的在線監控系統，實現無線通信、遠程服務、數據收集和參數調整，達到升級系統、降低運維成本及優化生產工藝的目的[3]。

1 整體架構

1.1 網絡拓撲結構

基于PLC 物聯網的在線監控系統網絡拓撲結構如圖1 所示。

1.2 通信方案

采用4 層通信結構。第1 層為云平臺與物聯網云盒子之間的通信，采用4G 無線通信技術。第2 層為PLC 與物聯網云盒子、HMI 之間的通信，采用西門子PLC 通信協議，硬件接口為RJ45 網口。第3 層為PLC和現場設備、儀器儀表、空調控制器及LoRa 無線透傳模塊之間的通信，采用Modbus RTU 通信協議，使用485 總線進行設備之間的連接[4]。Modbus RTU 協議是Modicon 公司推出的開放式通信協議，采用主從式串行異步半雙工通信方式， 是一種基于RS485＼RS422＼RS232 物理層的通信協議。大多數工控設備、儀器儀表均支持Modbus RTU 通信，通信中每個字符通信格式為1 個起始位、8 個數據位、1 個校驗位及1/2 個停止位，傳輸過程中每1 個字節都以16 進制方式直接進行傳輸，使用CRC 校驗作為錯誤檢查，通信可靠穩定、接線簡單，是工控現場常用的一種通信技術。第4 層分為兩個部分：第1 分部是空調控制器和空調之間的通信，采用紅外發射技術實現對空調的控制；第2 部分是LoRa 數傳模塊與壓力變送器控制器之間的通信，采用一對多的無線透傳技術，實現了對4 個壓力變送器控制器的控制，壓力變送器與LoRa 模塊控制端采用RS485 連接方式[5]。

2 軟硬件

基于PLC 物聯網的在線監控系統主要硬件：200 SMART PLC，德國西門子股份公司；MCGS HMI，北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司；速控物聯網云盒子，速控云（上海）智能科技有限公司；一對多LoRa 數傳模塊，北京聚英翱翔電子有線公司；山東仁科RS-KTC-N01 學習型Modbus 空調控制器，山東仁科測控技術有線公司。

主要軟件有物聯網云盒子配置軟件Sukconfig、西門子SMART PLC 編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART及空調控制器配置軟件KTControlV32，物聯網云盒子用到的在線監控平臺是速控云平臺。

2.1 物聯網云盒子

物聯網云盒子，又稱PLC 物聯網網關或PLC 遠程控制模塊，是工業互聯網平臺中的遠程通信設備，可以方便地實現現場設備的數據采集，遠程PLC 程序下載及調試診斷。

速控物聯網云盒子SuK-BoX-4G （S），支持對主流PLC 遠程控制，如西門子、三菱、歐姆龍、臺達、信捷和匯川等。具有對設備遠程監控、大數據管理和分析、微信小程序畫面監控報警信息推送、PLC 程序遠程下載調試、攝像頭遠程監控管理及售后維保系統等功能，可大大降低工程人員的出差時間和費用，有效提升工作效率[6]。

2.2 速控物聯網云平臺

速控物聯網云平臺是通過云盒子將現場大量不同區域的工業設備數據、程序和圖像傳輸到遠端的云數據中心，實現遠程監控、遠程診斷、遠程維護、故障預警建設及大規模遠程管理設備的信息化網絡，為設備制造商、系統集成商、終端客戶提供完整的設備和遠程運維管理解決方案的平臺[7]。

2.3 空調控制器

采用山東仁科RS-KTC-N01 學習型空調控制器，是一款 Modbus 接口的萬能空調調溫器。帶有學習功能，可以學習空調遙控器的控制碼，從而代替遙控器對空調進行控制；帶有遠程控制和自動控制功能，可根據需要進行選擇；帶有內置溫濕度傳感器，并且可將溫濕度通過液晶顯示；RS-KTC-N01 帶有 RS485 接口支持 Modbus-RTU 協議，對于支持此協議的 PLC、單片機控制系統、力控、組態王及昆侖通態等組態軟件均可以通過 RS-KTC-N01 對大部分柜式或壁掛式空調進行自動控制。

2.4 LoRa 數傳模塊

LoRa 無線技術是一種符合工業標準應用的無線數據通信技術，LoRa 無線通信技術具有星型網絡結構、通信距離遠、抗干擾能力強及組網靈活等優點，可實現多設備間的數據透明、雙向傳輸，非常適合應用于測控通信、無線傳感器數據采集、智慧城市、智慧農業及環境檢測等領域。LoRa 是Semtech 公司創建的低功耗局域網無線標準，LoRa 指遠距離無線電，最大特點是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5 倍。

數傳模塊型號JY-IoT-LoRa，通過無線透傳模式進行通信，模塊內置的MCU 對數據進行包裝和處理，用戶通過UART 接口， 可實現無線通信， 傳輸距離3～5 km。

3 功能設計

3.1 遠程下載和調試程序

遠程下載和調試程序是指在非設備現場可以對PLC 程序進行修改、調試和下載，該功能可在任何有4G 移動網絡的地方使用。其有以下6 個設計步驟。①物聯網云盒子供電后，插入4G 流量卡，與PLC 通過網線連接。②進入云平臺www.sukon-cloud.com，添加揉捻機在線監控項目。③用云平臺賬戶登陸Sukconfig 軟件，選擇配置好的項目，添加BOX。設置上傳模式為自動模式，云盒子會優先選擇有線網絡，假如沒有有線網絡會自動切換到4G 網絡或者WIFI 網絡。④設置BOX 的IP 地址，云盒子LAN 的IP 地址需要同PLC的IP 地址在同一網段，并且不能相同。⑤下載配置到云盒子，然后上傳至云端。開啟遠程編程。設置接口類型為LAN，選擇模式為ETH 模式（支持搜索），建立虛擬網卡地址，地址與BOX IP 在同一網段，啟動鏈接。⑥打開STEP 7-MicroWIN SMART 編程軟件，通信接口選擇BOX 生成的TAP-Win32 Adapter V9.TCPIP.1虛擬網卡，查找PLC，確定連接，連接成功后，即可遠程下載和監控現場PLC 的程序。

3.2 云平臺監控功能

云平臺支持在電腦WEB 端、手機APP 和微信小程序監控和數據采集。要實現該項功能，需根據監控需求添加PLC 變量，組態監控界面，設置用戶權限等，有以下2 個設計步驟。

（1）用Sukconfig 軟件，在BOX 的LAN 口添加SMART PLC，在PLC 里面，添加變量。添加的變量主要有設備啟停和運行狀態、配方設定參數、壓力設定/顯示、頻率設定/顯示和揉捻過程等相關的變量。

（2）添加變量后，下載到云盒子，登陸云平臺進行監控界面的編輯組態。組態界面保存后，可同步在手機端APP 和微信小程序上使用[8]。

3.3 操作流程

云平臺、物聯網云盒子、PLC 之間通信設置操作流程如圖2 所示。

3.4 無線監控生產現場空調

茶葉揉捻生產現場空調大多數是普通的空調，沒有與PLC 匹配的通信口，無法用PLC 進行控制。為解決這一問題，增加了空調控制器模塊。選擇空調控制器型號RS-KTC-N01，具備學習能力，可以學習茶葉揉捻生產現場空調的遙控器指令。學習配置軟件為KTControlV31，通過485 接口與計算機連接后，進行學習。空調控制器學習的發射指令如表1 所示。

學習指令后， 通過RS485 接口與PLC 進行Modbus RTU 通信。空調控制器帶有溫度傳感器和濕度傳感器，PLC 通過與它通信，可以實時采集生產現場的溫度和濕度。根據現場實際需求，開發了PLC 控制程序，通過PLC 發布命令，控制空調控制器發射紅外指令，控制空調運行。PLC 再與物聯網云盒子通信，最終實現在云平臺上實時監控生產現場的溫度和濕度。

控制過程：當生產現場溫度超過32 °C 時，PLC 控制空調控制器發射開機制冷指令。發射開機制冷指令10 s 后，讀取空調運行狀態寄存器判斷空調是否開啟制冷模式，如果寄存器的值是1，說明控制成功；否則，說明不成功，再次發射開機制冷指令。反復發射開機制冷指令5 次后，如果運行狀態寄存器的值仍然不是1，通過微信、短信、觸摸屏和云平臺等多平臺發送報警信息， 提醒空調無法正常啟動， 檢查設備電源是否連接，發射頭是否脫落，排除故障，實現閉環控制。

當生產現場溫度lt;10 °C 時，PLC 控制空調控制器發射開機制熱指令。運行狀態的判斷同上。

當濕度gt;70% 時，PLC 控制空調控制器發射除濕指令。當濕度降至50% 時，PLC 控制空調控制器發射關機指令。運行狀態的判斷同上。

如果突發停電，再次來電后，空調可實現來電自啟動。下班時間段，空調自動關機。

3.5 無線感知揉捻壓力

茶葉揉捻技術最核心的一個參數，是揉捻筒上蓋對茶葉的壓力。市場上茶葉揉捻機上并沒有壓力傳感器，揉捻茶葉時，全憑技術工人的經驗來調整。為了采集壓力值，又不影響揉捻筒內部結構。在揉捻筒蓋與上方支撐軸的連接處加裝了壓力傳感器。硬件部分接線，先將壓力傳感器接在數字變送器上，再把數字變送器通過RS485 總線接入PLC。但在實際應用中，由于揉捻筒會隨著慣性轉動，導致通信線會纏繞在支撐軸上。此處需要通過無線通信技術來代替RS485 總線[9]。在PLC 與數字變送器之間，增加了LoRa 數傳模塊，共1 個主機、4 個子機。采用1 對4 的LoRa 通信技術，實現了無線透傳的功能。主機和數字變送器用鋰電池單獨供電，固定在揉捻蓋上方。

通信過程：數字變送器將傳感器輸出的±5 mV 模擬差分信號轉換成數字量，通過RS485 接口傳給LoRa數傳模塊子機，子機將數據通過無線透傳方式傳送給主機，主機通過RS485 接口將數據傳給PLC。PLC 采集到數據后，云平臺即可監控到實時壓力。

3.6 標準+開放性相結合配方功能

茶葉根據不同季節可分為春茶、夏茶和秋茶。每個季節的茶葉，根據制茶種類的不同，揉捻時間和壓力也不同。茶葉揉捻的典型過程是輕揉?重揉?輕揉，配方參數有輕揉時間Ⅰ、重揉時間、輕揉時間Ⅱ、輕揉壓力Ⅰ、重揉壓力和輕揉壓力Ⅱ。為了方便現場工人操作，依據茶葉揉捻工藝過程，在MCGS HMI 上設置了9 個標準配方，分別是春茶A、B、C 配方，夏茶A、B、C 配方和秋茶A、B、C 配方。標準配方優點是，一鍵操作，方便快捷。但缺點是參數不可調，不利于制茶技術人員優化揉捻工藝。一批新茶在開始批量揉捻生產前，一般都需要專業的制茶技術人員先做試驗，根據經驗來調節和設置初始參數，再依據揉捻過程茶葉的成條和破碎情況，不斷修改參數，直到達到理想的揉捻效果后，才開始批量生產。因此，需要為制茶技術人員預留一個可以自由調節配方參數的窗口。通過在MCGS HMI 上設置開放性配方，供制茶技術人員自由修改配方參數，優化茶葉工藝和進行科研試驗。試驗結束后，可以對理想的參數配方進行保存，用生成的新配方來更新替代標準配方。通過標準配方與開放性配方相結合，既適應了現場普通工人操作，又滿足技術人員的科研需求，也為揉捻技術的標準化提供了數據支撐。

4 平臺測試

4.1 監控終端

在線監控終端簡單易用，可認為是移動的工業觸摸屏，只要在云平臺組態好監控界面，即可在WEB 端、手機APP 和微信小程序同步顯示和監控[10]。設計好的茶葉揉捻生產線監控系統主界面微信小程序截圖如圖3 所示。

4.2 無線控制

空調控制器學習空調遙控器指令后，可以代替遙控器對不帶通信口的普通空調進行無線控制，空調側無須布線，解決了大多數普通空調沒有通信口，無法用PLC 控制的實際問題。經過現場測試，控制器距離空調10 m，單次發布指令100 次，成功執行指令93 次，試驗過程中連續發布5 次指令均未成功執行指令的概率為0，數據表明控制穩定可靠。

LoRa 數傳模塊采用無線透傳通信技術，實現了壓力傳感器與PLC 的無線通信，解決了有線帶來的導線纏繞難題[11]。經過現場測試，通信功能穩定，傳輸速率快，壓力值刷新時間間隔70～160 ms，符合現場需求[12]。茶葉揉捻過程中某時間段采集的實時壓力值如圖4 所示。

4.3 多平臺報警

當生產現場出現超高溫45 °C、超低溫?10 °C、揉捻過程中壓力異常及設備運行異常等情況時，觸摸屏、云平臺電腦端、手機端都會發出報警信息，如圖5 所示。發送報警的方式有微信、短信、電子郵件和聲光報警等，保障現場人員和非現場人員，都能迅速獲知報警信息，保障生產安全[13]。

4.4 遠程監控

云平臺開發遠程監控界面，方便管理人員和維保人員實時查看現場數據。遠程下載和調試程序，方便生產設備技術人員進行遠程服務。現場測試時采用4G網絡，編程人員在遵義市，設備在湄潭縣，信號穩定可靠，程序在線監控和下載均能實現，如圖6 所示[14]。

4.5 數據收集

在云平臺和手機端可以查看任意時間段的生產數據曲線和報警信息，也可以通過自定義的格式生成數據報表下載到電腦上[15]。方便后期制茶技術人員研究參數，優化生產工藝，為茶葉揉捻技術的標準化提供數據支撐。某春茶3 個配方理想參數如表2 所示，WEB 端導出部分歷史報警信息如表3 所示。

5 結束語

本研究對茶葉揉捻生產設備進行升級改造，提高了生產企業的信息化和數字化水平，使茶企實現了降本提質增效，帶動了區域就業及經濟發展，實現了較好的社會經濟效益。期望今后能夠繼續服務地方，為企業解決技術難題，通過遠程技術指導，推動地方經濟協調、可持續發展。