基于PLC 的茶葉揉捻機壓力動態調節方法

摘 要： 傳統茶葉揉捻機在工作時，茶葉在揉捻筒內不停翻滾，導致茶葉受到的壓力忽大忽小，變化劇烈，對壓力無法量化和精準控制，為此，提出了一種揉捻壓力實時動態調節的控制方法，對控制系統的硬件、算法和程序進行了詳細闡述。該系統能將壓力值量化，確保了揉捻壓力控制的動態調節、實時性和精準控制，加裝該系統的茶葉揉捻機在成條率、碎茶率和生產效率方面均達到了行業標準要求。

關鍵詞：茶葉；揉捻壓力；揉捻機；動態調節；實時性；PLC

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0036-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.006

0 引言

茶葉作為世界主要飲品之一，在我國具有悠久的歷史，茶葉加工一般包括采摘、攤青、殺青、揉捻、理條、烘干和提香等工序，除白茶、部分綠茶和黃茶外，大多都需要經過揉捻工藝。揉捻是通過揉和捻兩個動作，一是使茶葉卷曲成條形，二是破壁茶葉細胞，讓內含物質滲出表面，揉捻是茶葉加工中非常重要的一個環節，較大程度上決定了茶葉的滋味和湯色[1-7]。茶葉揉捻的質量主要看成條率、細胞破碎率和碎茶率3 個指標，這些指標主要取決于揉捻壓力、時間和轉速等參數，其中最主要的參數是壓力，壓力過大，會導致碎茶率過高，壓力過小，則成條率、細胞破碎率偏低[8]。因此，開展揉捻壓力動態調節研究顯得非常有意義。研究人員針對這一方向開展了很多研究和試驗，張開興等[9] 對揉捻機進行了優化，采用兩個光電開關控制輕揉和重揉的位置。趙進等[10] 基于STM32 設計了自動揉捻機組，提出在揉捻過程中，保持壓力恒定。陳育明[11] 采用PLC 控制氣壓缸實現加/松壓。梁娟等[12] 基于51 單片機設計揉捻機控制系統，并做了PROTEUS 仿真。徐海衛等[13] 通過對揉盤葉片結構分析和揉捻葉筒內受力分析，建立施壓模型。譚和平等[14] 提出了一種茶葉揉捻壓力柔性控制方法。由于茶葉在揉捻過程中不停翻滾，造成加壓蓋上壓力值忽大忽小，變化劇烈，因此對施加壓力進行實時動態調節非常必要。本研究在上述研究基礎上，提出了一種揉捻壓力自動實時動態調節的方法，使得揉捻過程中，壓力基本保持一致，解決了茶葉揉捻壓力無法量化、精準控制和實時動態調節的問題，確保了揉捻工藝的自動化、標準化生產。

1 壓力動態調節系統工作原理

壓力實時動態調節系統工作原理如圖1 所示，通過人機交互界面（human machine interface，HMI）設定揉捻壓力值，考慮到茶葉在揉捻過程中不停翻滾的狀態，使得壓力傳感器檢測到的壓力值變化非常劇烈，設定單一固定壓力值進行動態調節會導致調節過于頻繁，顯然不合理，也難以實現。因此，根據實際情況設定一個區間壓力值顯得非常有必要，該壓力區間值的上下限，可以通過百分比的形式取得，百分比也可以通過HMI 設定。

當PLC 控制壓力調節模塊動作后，壓力傳感模塊檢測壓力并傳給PLC，茶葉揉捻過程中壓力值的變化頻率高，單次采集到的壓力值并不能反應出實際情況，因此，多次采集，求出平均值，利用平均值作為采集到的壓力值與設定壓力區間值進行比較顯得更合理。單次采集間隔時間1 s，采集10 個壓力值，共10 s 時間，然后再求出壓力平均值，PLC 根據設定的壓力區間范圍進行判斷，來決定下一個動作是加壓還是減壓。當壓力檢測的值落入了設定壓力區間，則一次動態調節周期結束。

2 壓力調節系統硬件構成

壓力調節系統硬件構成如圖2 所示，PLC 選用深圳市顯控科技股份有限公司的FGs-64MT-AC，該PLC具有性價比高、安全性好、性能靈活全面、通信接口全面，支持RS232、RS485、USB 及網口通信，還支持自由口及Modbus 通信， 通過RS485 的Modbus RTU主從模式可以實現組網，最多可以連接127 個通信設備。

HMI 選用的是深圳市顯控科技股份有限公司的SK-121FE，該人機接口基于Linux 系統，系統穩定、高效、安全和可靠，支持中文輸入和300 多種PLC 通信協議。組態軟件是SKTOOL，它利用了 Windows 系統的優點，界面一致性好、簡單，菜單的布局接近 Windows 操作習慣，易學易用。通過人機接口可以設定各揉捻階段壓力值、壓力區間范圍百分比、加壓電機動態調節距離值、揉捻桶轉速、各揉捻階段揉捻時間等參數，參數設置界面如圖3 所示。

壓力傳感模塊包含壓力傳感器和壓力數字變送器，研究揉捻機結構后，根據現有尺寸結構定制了壓力傳感器，把傳感器安裝在加壓蓋和加壓桿之間，避免了對揉捻機進行比較大的改動，降低了設備研發的成本。定制的壓力傳感器測量范圍0～ 9.8 MPa（ 0～100 kgf/cm2），完全滿足檢測茶葉揉捻壓力的需要。壓力傳感模塊實物安裝效果如圖4 所示。

壓力數字變送器選擇的是六位數顯變送器，18～36 V 工作電壓，測量精度±0.1%（FS）。一方面為壓力傳感器提供5 VDC 的工作電源，接收壓力傳感器模擬信號，實現模擬量到數字量的轉換；另一方面通過485 通信方式把數字信號傳送給無線模塊。

無線模塊采用LoRa 技術，LoRa（long range radio）是一種物聯網常采用的遠距離無線通信技術，LoRa 模塊選用北京聚英翱翔電子有限公司塔型透傳模塊，該模塊具有通信穩定、功耗低、配對簡單等特點，可實現單對多通信。揉捻機在揉捻工作過程中，揉捻桶中的茶葉在揉盤、壓力蓋及桶壁的共同作用下不停翻滾，會帶動加壓蓋順著揉捻桶旋轉的方向轉動，如果用有線方式連接，會導致導線纏繞，因此這里采用無線的方式實現壓力數據的透傳。分別在每個揉捻桶的壓力變送器端安裝LoRa 模塊用于壓力數據的發送， 在PLC 端也安裝了一個LoRa 模塊，用于接收數據。

壓力調節模塊包含步進電機和步進驅動器，步進電機選用深圳市興豐元機電有限公司的兩相混合式步進電機FY110EM600A， 步進電機驅動器選用FYQM1106A。該步進電機步距角1.8°， 步距角精度±5%（整步），保持力矩14 N·m，轉動慣量最大能達到10 500 g·cm2，完全滿足壓力調節需要。

3 壓力動態調節算法和程序設計

3.1 算法分析

揉捻壓力直接作用的部件是揉捻桶上方的加壓蓋，PLC 控制步進電機正反轉帶動絲杠轉動，從而帶動加壓蓋的動作，當需要加壓時，加壓蓋下移，反之，加壓蓋上移。所以壓力動態調節最關鍵的參數就是加壓蓋上下移動的距離，針對該參數，本項目采用如下算法。

式中 S0——動態調節時，加壓蓋第1 次移動距離（該值由HMI 設定），mm

n——動態調節次數，初始及每個動態調節周期結束時，n=0

Sn——第n 次動態調節加壓蓋移動距離，mm

該算法的時間復雜度是O（log2n），揉捻壓力能快速、準確進入設定壓力區間范圍，揉捻時，確保壓力值基本保持一致。

3.2 程序設計

動態調節程序流程如圖5 所示，HMI 上設定的壓力區間范圍上限值MH，下限值ML，用n 作為每次調節的計數值，初始0，當壓力傳感器檢測到壓力值（采集時間間隔1 s，采集10 個數據），PLC 求出10 個壓力數據的平均值P。如ML≤P≤MH ，即壓力值落在設定壓力范圍之內，則本次動態調節結束；如PMH，即壓力值大于設定區間上限值，此時應該減壓，PLC 控制加壓蓋往上移動S0×（1/2）0mm，壓力傳感器再次開始檢測壓力值。當PML，PLC 控制加壓蓋往上移動S0×（1/2）1mm。以此類推，即每次控制加壓蓋往上/下移動的距離均為前次的1/2，通過該算法，很快即可讓壓力值P 落在設定壓力范圍之內，完成一個動態調節周期，把n 清零。通過壓力不斷的動態調節，保證了加壓蓋上的壓力值能全程基本保持一致，也就保證了茶葉揉捻過程中揉捻的一致性和標準性。

4 試驗結果分析

試驗時，選用一芽一葉的鮮葉，經過殺青和萎凋后，進行揉捻，揉捻過程總體按照輕?重?稍重?輕的原則分為4 個階段，試驗條件嚴格按照我國機械行業茶葉揉捻機標準設定。如圖6 所示，傳感器采集的壓力瞬時值和平均值數據來源于稍重階段，揉捻壓力值設定0.98 MPa（10 kgf/cm2），百分比設定為±20%，則壓力下限值0.78 MPa（ 8 kgf/cm2） ， 上限值1.18 MPa（12 kgf/cm2），壓力動態調節過程中，如果檢測到的壓力值在0.78～1.18 MPa（8～12 kgf/cm2），則認為加壓蓋施加的壓力是合理的。

壓力平均值和步進距離關系如圖7 所示，當平均壓力值沒有在合理壓力值范圍之內時，步進電機根據設定的步進距離值結合上述算法立刻進行了調整，使得揉捻平均壓力值可以得到一個比較平緩的曲線。由于系統建立的是相對坐標系，因此步進距離值沒有反映出方向。揉捻過程壓力值變化非常快，當一個動態調節周期結束后，下一個平均值沒有落在合理壓力值范圍之內，系統也不做動態調節。這樣可以避免動態調節過于頻繁。

5 結束語

本研究提出了一種全新的揉捻壓力實時動態調節控制方法，通過PLC、壓力調節模塊、加壓蓋、壓力檢測模塊及無線模塊實現了閉環控制，解決了傳統揉捻機壓力不能量化和實時動態調節的問題，目前控制系統已應用于4 臺6CR-55 型揉捻機排列而成的揉捻機組中，運行情況良好。通過試驗可知，揉捻機組加工的綠茶成條率穩定在84％以上，碎茶率lt;2％，可實現茶葉生產量280 kg/h，完全滿足我國機械行業標準茶葉揉捻機作業性能指標。在后期工作中，將按照茶葉揉捻輕?重?稍重?輕的總體原則，根據各種茶葉種類、品質等的具體要求，把各個揉捻階段的壓力參數進行量化，建立對應的數據庫，以進一步實現茶葉揉捻標準化生產，提高茶葉揉捻加工質量。

參考文獻

［1］羅列萬，唐小林，葉陽，等．名優綠茶連續自動生產線加工工藝與設備配置[J]．中國茶葉加工，2016（3）：68-73．

［2］張問采，賈文月，張翔．淺談茶葉揉捻設備機電一體化的現狀與發展[J]．南方農機，2017，48（21）：25-26，35．

［3］權啟愛．茶葉揉捻機的發明及我國茶葉揉捻機研制與發展[J]．中國茶葉，2017，39（11）：7-9．

［4］盧素芳，李飛，王勝鵬，等．近七年茶原料揉捻工藝研究進展及展望[J]．湖北農業科學，2018，57（12）：9-11．

LU Sufang， LI Fei， WANG Shengpeng， et al． Research and prospectson tea raw materials rolling process in recent seven years[J]．Hubei Agricultural Sciences，2018，57（12）：9-11．

［5］陳俠，楊亦揚，皮杰，等．茶葉揉捻工藝技術研究現狀和發展趨勢[J]．中國茶葉，2022，44（12）：9-15．

CHEN Xia，YANG Yiyang，PI Jie，et al．Research status and developmenttrend of tea rolling technology[J]．China Tea，2022，44（12）：9-15．

［6］陳加友，江進福，陳英勇，等．多茶類茶葉初加工自動化生產線模塊化設計[J]．中國茶葉，2018，40（11）：41-45．

［7］李宏婭，李偉，汪艷霞，等．不同揉捻工藝對綠茶浸出率的影響[J]．特產研究，2022，44（6）：69-76．

LI Hongya， LI Wei， WANG Yanxia， et al． Effects of differentrolling processes on the extraction rate of green tea[J]． Special Wild Economic Animal and Plant Research，2022，44（6）：69-76．

［8］茶葉機械術語：JB/T 7863—2007[S]．

［9］張開興，王文中，吳昊，等．北方茶葉生產線揉捻機的設計優化與試驗[J]．中國農機化學報，2019，40（10）：117-122．

ZHANG Kaixing， WANG Wenzhong， WU Hao， et al． Design optimizationand experiment of rolling machine for tea production Line inNorth China[J]．Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2019，40（10）：117-122．

［10］趙進，張越，趙麗清，等．茶葉揉捻機組自動控制系統設計[J]．中國農機化學報，2019，40（2）：140-144．

ZHAO Jin，ZHANG Yue，ZHAO Liqing，et al．Design of automaticcontrol system for tea disc-roller[J]． Journal of Chinese AgriculturalMechanization，2019，40（2）：140-144．

［11］陳育明．基于SolidWorks 與西門子PLC 控制器的自動化茶葉揉捻機設計與試驗研究[J]．福建茶葉，2023，45（1）：14-16．

［12］梁娟，林菡，施鍵蘭，等．茶葉揉捻機的自動控制系統設計[J]．軟件，2017，38（2）：42-46．

LIANG Juan，LIN Han，SHI Jianlan，et al．The design of automaticcontrol system for tea twisting machine[J]．Software，2017，38（ 2） ：42-46．

［13］徐海衛，謝馳，曹江萍，等．茶葉揉捻壓力的優化調節控制研究[J]．中國測試，2015，41（10）：112-116．

XU Haiwei，XIE Chi，CAO Jiangping，et al．Research on the optimalregulation control of barreling pressure for the tea[J]．China Measurementamp; Test，2015，41（10）：112-116．

［14］譚和平，楊樁，湯江文，等．基于PLC 和步進伺服的茶葉揉捻壓力柔性控制方法[J]．中國測試，2015，41（2）：80-83．

TAN Heping，YANG Zhuang，TANG Jiangwen，et al．Flexible controlmethod of tea rolling pressure based on PLC and stepping servo[J]．China Measurement amp; Test，2015，41（2）：80-83．

基金項目： 貴州省科技廳科技支撐項目（黔科合支撐[2021] 一般170）