基于PLC 的綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 鑫，金逸潔，劉 振，郭俊杰

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

綠茶作為我國重要的傳統(tǒng)飲料，其品質(zhì)與加工工藝特性息息相關(guān)[1]，綠茶炒干是決定成品品質(zhì)的關(guān)鍵工序之一。傳統(tǒng)的人工炒干操作存在效率低下、難以保證產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)穩(wěn)定等問題。開發(fā)PLC 自動化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)綠茶炒干工藝的自動化與智能化，對保證綠茶品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率具有重要意義?；诖?，本文在分析綠茶炒干工藝要求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)了基于PLC 的綠茶炒干機(jī)自動化控制系統(tǒng)，通過實(shí)際控制效果試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 PLC的概念與特點(diǎn)

PLC（可編程邏輯控制器）是一種數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的邏輯控制和序列控制。PLC 系統(tǒng)由CPU、存儲器、輸入/輸出接口等部件構(gòu)成，通過編寫控制邏輯程序?qū)崿F(xiàn)對過程參數(shù)的測量和控制。與傳統(tǒng)的繼電器控制電路相比，PLC 系統(tǒng)具有編程靈活、抗干擾能力強(qiáng)、故障診斷方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。

PLC 的工作原理是：輸入接口采集工藝過程的各種狀態(tài)信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入CPU 內(nèi)部；CPU 根據(jù)存儲器中保存的用戶控制邏輯程序及當(dāng)前輸入信號狀態(tài)，經(jīng)過邏輯運(yùn)算判定后，產(chǎn)生對應(yīng)輸出信號，由輸出接口送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對工藝過程的控制。用戶可以通過編程軟件編寫所需的邏輯控制策略程序并下載到PLC 中。與固定的繼電器硬件電路連接方式不同，PLC 控制系統(tǒng)可以通過修改內(nèi)部控制邏輯程序來調(diào)整控制方式，從而控制不同的受控過程，這賦予了PLC很強(qiáng)的靈活性和通用性[3]。

2 綠茶炒干工藝技術(shù)要求

綠茶炒干是綠茶加工中的關(guān)鍵工序之一，工藝技術(shù)要求比較復(fù)雜[4]。主要技術(shù)指標(biāo)包括：炒干溫度保持在105 ℃±5 ℃，炒干時間控制在11 min~13 min內(nèi)，炒后含水量不高于5%。同時，要控制好炒盤的旋轉(zhuǎn)速度，一般要在每分鐘8~12 轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，確保茶葉翻滾流動。如果烘炒速度過快，會導(dǎo)致茶葉表面迅速失水形成殼層，從而阻礙內(nèi)部水分散發(fā)；如果烘炒速度過慢，茶葉受熱不均，部分茶葉會出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象[5]。

此外，需要檢測炒爐出風(fēng)溫度，實(shí)時反饋調(diào)節(jié)加熱力度，以保證炒干溫度穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。一般要配置測溫傳感器采集爐體溫度，根據(jù)溫度變化發(fā)送控制信號改變加熱功率。同時，要監(jiān)測電加熱絲的電流，避免出現(xiàn)過載。另外，茶葉初期含水量較高，炒干初期需要較大加熱功率，所以要設(shè)置可變功率控制來適應(yīng)不同階段的加熱需求[6]。

綠茶炒干過程中，還需控制熱風(fēng)流速和分布均勻性，保證各部分茶葉受熱均勻，因此要設(shè)置風(fēng)機(jī)頻率變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)，精確控制熱風(fēng)速度。而通過設(shè)計(jì)合理的爐內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)置導(dǎo)流裝置，可以使熱風(fēng)在茶葉間均勻流動。

3 基于PLC的綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

3.1 PLC選型與硬件設(shè)計(jì)

在綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC 的型號選用需要考慮作業(yè)量、控制精度等因素[7]。本設(shè)計(jì)選用德國西門子S7-300 系列PLC，該型號PLC 具有運(yùn)算速度快、精度高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。

C P U 部件方面，考慮到系統(tǒng)控制量在2 0 個I/O 左右，掃描時間要求10 ms 內(nèi)，因此選用CPU 314C-2DP 型號，該型號有14 個數(shù)字輸入、10 個數(shù)字輸出，邏輯運(yùn)算速度0.1 μs，滿足控制響應(yīng)速度需求。另外，配備了PROFIBUS-DP 等多種通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與操作面板和上位機(jī)的通信聯(lián)網(wǎng)。

輸入模塊使用西門子SM321 型模擬輸入模塊，能夠測量PT100、熱電偶等多種傳感器，測溫精度達(dá)到0.1 ℃，滿足綠茶炒干過程溫度測量控制需求。輸出模塊使用SM322，支持8 路繼電器輸出，最大負(fù)載CURRENT 達(dá)到2 A/點(diǎn)，可以驅(qū)動電加熱器、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]。

電源模塊選用PS307 型號，可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的24 VDC 電源。配置串行通信模塊CP342-5，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行數(shù)據(jù)交換。

3.2 控制程序編寫

PLC 控制程序采用梯形圖編程語言，編寫在Siemens STEP 7 編程軟件中。程序首先完成系統(tǒng)初始化，設(shè)置變量初始值，并對各模塊進(jìn)行自檢，如果有故障則報(bào)警并停機(jī)。接著進(jìn)入主控制循環(huán)，按照掃描周期（10 ms）不斷循環(huán)執(zhí)行。

主程序按照茶葉炒干的工藝流程編寫控制邏輯[9]。首先，讀取溫濕度傳感器檢測到的初始茶葉含水率，如果過濕則啟動前段烘干過程；如果已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)則直接進(jìn)入后段炒干階段。在炒干階段，根據(jù)設(shè)定的溫度曲線參數(shù)，計(jì)算每個掃描周期的目標(biāo)溫度，然后讀取爐體實(shí)時溫度，比較兩者誤差，并根據(jù)PID 算法計(jì)算輸出的加熱功率值，以控制溫度精確跟蹤設(shè)定曲線。同時，還需要控制風(fēng)機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)速度閉環(huán)控制。一旦溫度或其他參數(shù)超出安全范圍，則立即關(guān)閉加熱系統(tǒng)，同時報(bào)警。整個炒干階段完成后，自動關(guān)閉設(shè)備，完成一次炒干工藝過程。

在編寫控制邏輯時，充分考慮到硬件響應(yīng)時間及機(jī)械慣性等因素，設(shè)定合理的控制周期和控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、精確的過程控制，以保證綠茶炒干質(zhì)量，并在程序中增加了完善的故障檢測和安全保護(hù)機(jī)制。

3.3 傳感器與執(zhí)行器的選擇

綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)中的主要傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器等[10]。溫度測量采用PT100 熱電阻傳感器，該傳感器穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快，測溫范圍為-200 ℃~600 ℃，精度高達(dá)±0.15 ℃，完全滿足測量爐體溫度的需要。PT100 信號通過信號調(diào)理電路處理后，輸入PLC的模擬輸入模塊。

濕度測量使用容積式濕度傳感器，測量范圍為0~100%RH，準(zhǔn)確度±2%RH。該傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4 mA~20 mA 電流信號，直接輸入PLC 模擬輸入模塊。還設(shè)置了備用的濕球溫度傳感器，與容積式傳感器互為備份。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電加熱器、鼓風(fēng)機(jī)等。電加熱器采用功率脈沖控制，通過SCR 或整流器切換功率級數(shù)來調(diào)節(jié)加熱量，精確實(shí)現(xiàn)PID 閉環(huán)控制。鼓風(fēng)機(jī)采用變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制熱風(fēng)流量。執(zhí)行器工作電壓為380 V/220 V，由接觸器或固態(tài)繼電器驅(qū)動控制。

所有傳感器和執(zhí)行器的量程范圍、精度指標(biāo)都經(jīng)過計(jì)算，確保滿足綠茶炒干的過程控制需求，并考慮了電磁兼容、防護(hù)等因素，使系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

4 基于PLC的綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究與驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1）茶葉含水量控制試驗(yàn)。根據(jù)茶葉不同初始含水量，分別測試系統(tǒng)在含水量閉環(huán)控制模擬下的響應(yīng)曲線，觀察在不同目標(biāo)含水量設(shè)定下，茶葉含水量誤差隨時間的收斂情況，驗(yàn)證系統(tǒng)的含水量控制精度。

2）溫度跟蹤試驗(yàn)。在不加載茶葉的情況下，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線，觀察系統(tǒng)在翻滾加熱條件下，爐體溫度相對設(shè)定曲線的跟蹤誤差情況，檢驗(yàn)溫度跟蹤控制效果。

3）加熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。保持系統(tǒng)在設(shè)定溫度下穩(wěn)定工作，檢測溫控循環(huán)中的溫度波動范圍，以驗(yàn)證系統(tǒng)的溫控穩(wěn)定精度。

4）控制魯棒性試驗(yàn)。在工作條件下引入一定量的參數(shù)擾動，如電源波動、負(fù)載變化等，測試系統(tǒng)面對擾動的適應(yīng)能力。

通過上述試驗(yàn)，能夠全面地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在靜態(tài)精度、跟蹤性能、穩(wěn)定性及抗擾性等方面的整體控制效果，為后期實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)過程中采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度等參數(shù)的實(shí)時采集，并通過變頻調(diào)節(jié)器、功率控制模塊等設(shè)備完成各種條件的模擬。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在控制系統(tǒng)試驗(yàn)過程中，采用高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了各關(guān)鍵參數(shù)的采集。

1）溫度信號通過PT100 采集，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道。數(shù)據(jù)采集卡選用NI 公司的PCI-6229 型，采集精度高達(dá)16 位，最大采樣速率可達(dá)250 kS/s，滿足溫度信號采集需求。

2）濕度信號來自濕度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電流信號4 mA~20 mA，直接輸入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道。風(fēng)機(jī)頻率信號經(jīng)過預(yù)處理，以0~10 V 電壓形式輸入采集卡。

3）數(shù)據(jù)采集卡通過PCI 接口式并入工控機(jī)的主機(jī)槽中。使用LabVIEW 語言開發(fā)了數(shù)據(jù)采集和處理虛擬儀器面板。采集卡緩存采集的數(shù)據(jù)，以時間序列數(shù)據(jù)格式實(shí)時顯示溫濕度曲線、保存原始數(shù)據(jù)并實(shí)時計(jì)算參數(shù)如升降速率、浮動范圍等統(tǒng)計(jì)特性。

4）所有采集通道精確進(jìn)行時鐘同步，使多路信號采集同步化。采集的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波平滑處理，并進(jìn)行擬合分析生成過程曲線。在曲線上標(biāo)定關(guān)鍵點(diǎn)，提取過程特性參數(shù)。經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)有助于分析控制系統(tǒng)的跟蹤性能和穩(wěn)定精度，為繪制控制曲線提供依據(jù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

含水量控制試驗(yàn)表明，在初始含水率20%、目標(biāo)含水率5%的條件下，控制系統(tǒng)能夠在140 s 內(nèi)將茶葉含水率控制在目標(biāo)的5%±0.3%范圍內(nèi)，滿足工藝技術(shù)指標(biāo)要求。對比人工操作，自動控制的含水率穩(wěn)定性提高了28%。

溫度跟蹤試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)定溫度范圍105℃~120 ℃、上升速率2.5 ℃/min 的標(biāo)準(zhǔn)曲線條件下，系統(tǒng)的溫度跟蹤曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的最大偏差為1.2℃，溫度跟蹤滯后時間小于15 s，說明系統(tǒng)的溫度跟蹤控制速度快、精度高。

穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，在恒溫105 ℃工況下，控制系統(tǒng)的溫度浮動范圍為103.6 ℃~105.8 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4 ℃，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

在電壓波動±10%條件下的抗擾性試驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性仍能滿足±1 ℃的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

通過對關(guān)鍵指標(biāo)的測試驗(yàn)證，證明所設(shè)計(jì)的基于PLC 的綠茶炒干機(jī)控制系統(tǒng)能夠滿足工藝技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的過程控制，達(dá)到自動化和智能化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)果與討論

1）PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對綠茶炒干全過程的自動化監(jiān)控與運(yùn)算控制，取代了傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)控制方式。本系統(tǒng)采用西門子S7-300 系列PLC，配備了中央處理器、模擬量輸入/輸出模塊、溫度傳感器等模塊，構(gòu)成了符合綠茶炒干控制要求的PLC控制系統(tǒng)。

2）研發(fā)的控制策略程序?qū)崿F(xiàn)了對茶葉含水量的閉環(huán)控制。根據(jù)茶葉初始含水量，系統(tǒng)自動選擇前段烘干還是直接炒干模式。在炒干過程中，系統(tǒng)根據(jù)茶葉實(shí)時含水量反饋，精確控制加熱溫度曲線，使茶葉含水率平穩(wěn)過渡至目標(biāo)值5%±0.3%。相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3）溫度跟蹤控制試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制策略可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)溫度曲線的跟蹤控制。溫度曲線跟蹤誤差小于±1.2 ℃，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法的±5 ℃誤差，準(zhǔn)確的溫控是確保茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵。

4）穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在恒溫階段，系統(tǒng)溫度控制精度可達(dá)±0.4 ℃，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。抗擾性試驗(yàn)結(jié)果也表明，在電壓波動條件下，控制系統(tǒng)仍能保持溫度穩(wěn)定在±1 ℃范圍內(nèi)，具備良好的抗干擾能力。

5）研發(fā)的PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對綠茶炒干全過程的穩(wěn)定、精確、可靠控制，達(dá)到了自動化控制的目的，提高了生產(chǎn)效率，降低了人工操作成本，后續(xù)將開展在線優(yōu)化模塊與數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

6 結(jié)語

本文針對綠茶炒干工藝，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的綠茶炒干工藝自動化控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動化控制，提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)穩(wěn)定性，為綠茶生產(chǎn)行業(yè)提供了新的技術(shù)支持。后續(xù)可進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)樣本量，并著手工程實(shí)際應(yīng)用，推進(jìn)我國綠茶加工技術(shù)進(jìn)步。