方 翔

自動(dòng)茶葉揉捻機(jī)的PLC改造

方 翔

方 翔

金華市高級(jí)技工學(xué)校講師。

引言

眾所周知，茶葉是中國(guó)自古以來(lái)最重要的飲料，而它也走出中國(guó)，走向世界，成為世界三大飲料之一。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)在茶業(yè)上的飛速發(fā)展，無(wú)論產(chǎn)量和種植面積都是全球之首。最近幾年來(lái)，我國(guó)的茶葉出口量均逐年上升，出口金額再次創(chuàng)下新高。

根據(jù)茶葉及其生產(chǎn)工藝不同，可分為綠茶、黃茶、白茶、紅茶、烏龍茶，等等，其中在中國(guó)最受歡迎的一種是綠茶，無(wú)論花色還是品種之多均是無(wú)可爭(zhēng)議的世界第一。綠茶中富含茶多酚、蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸等大量有機(jī)化學(xué)成分，并含有多種無(wú)機(jī)礦物元素，具有延緩衰老、強(qiáng)身健體的多重功效。

綠茶的生產(chǎn)過(guò)程中，大多需要對(duì)新鮮采來(lái)的茶葉進(jìn)行殺青、揉捻、干燥幾個(gè)過(guò)程。過(guò)去這幾個(gè)過(guò)程都是由人們手工生產(chǎn)完成的，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而整體的生產(chǎn)品質(zhì)又不夠穩(wěn)定，因此，目前我國(guó)大量的綠茶生產(chǎn)企業(yè)都已經(jīng)開(kāi)始采用茶葉自動(dòng)揉捻機(jī)來(lái)代替人工揉捻。

揉茶機(jī)是一種能保證茶葉質(zhì)量、盡量少破壞其纖維組織，同時(shí)又能完成對(duì)其進(jìn)行揉捻工藝的生產(chǎn)輔助機(jī)械。它操作簡(jiǎn)單、方便，應(yīng)用場(chǎng)所廣。對(duì)于不同品種的茶葉，所需的揉捻程序不盡相同，因此，我們就需要能有一種可以通過(guò)設(shè)定一些參數(shù)后，全自動(dòng)對(duì)茶葉進(jìn)行揉捻的機(jī)器。

圖1 原6CR-55型茶葉揉捻機(jī)外形

自動(dòng)茶葉揉捻機(jī)工作原理

自動(dòng)茶葉揉捻機(jī)的工作原理是利用PLC作為核心控制設(shè)備，對(duì)原CR-55型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造。

控制過(guò)程如下：PLC控制曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)揉桶在揉盤上作平面圓周運(yùn)動(dòng)，而上述機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中揉捻的動(dòng)作使葉片細(xì)胞損傷，從而完成揉捻過(guò)程。

主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CR-55型揉捻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

本設(shè)計(jì)用變頻器和FX0N- 3A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)揉盤的轉(zhuǎn)速控制，用FX2N-1PG控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)揉蓋上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的控制。PLC與操作人員之間信息交互通過(guò)步科觸摸屏實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)觸摸屏啟停茶葉揉捻機(jī)，輸入揉盤轉(zhuǎn)速，揉蓋壓力控制和揉捻機(jī)工作狀態(tài)顯示。

設(shè)備主要由控制面板、控制箱、揉茶機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中，控制面板主要由文本顯示器、按鍵、指示燈、蜂鳴器、面板電源開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。

控制箱主要由三菱FX2N型PLC，變頻器，空氣開(kāi)關(guān)，接觸器，繼電器， A/D轉(zhuǎn)換模塊，24V開(kāi)關(guān)電源，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

揉茶機(jī)構(gòu)主要由接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、交流異步電機(jī)、絲桿步進(jìn)電機(jī)、壓力變送器等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)見(jiàn)框圖2。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備選型

變頻器選擇

本課題選用的三相異步電動(dòng)機(jī)功率為2.2KW，根據(jù)電流計(jì)算公式計(jì)算得出電流I=2200w/1.73/0.75/380=4.46A。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電圖壓，額定電流，額定功率選擇FR-E540-3.7K-CHT通用型變頻器。

圖2 茶葉揉捻機(jī)控制系統(tǒng)框圖

圖3 變頻器和3A模塊連接圖

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的選型

步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器與1PG連接見(jiàn)圖4。

圖4 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器與1PG連接框圖

電機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示：由三菱FX型PLC、FX2N-1PG定位模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等組成。PLC在控制系統(tǒng)中的作用主要是生成控制脈沖，控制過(guò)程是首先由PLC編程輸出一定數(shù)量的脈沖，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)的伺服裝置的控制；并通過(guò)對(duì)脈沖頻率的控制，繼而完成對(duì)伺服裝置的控制。

結(jié)合本課題我們將M542 V2.0型設(shè)備作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

元器件明細(xì)表

元器件清單明細(xì)見(jiàn)表2。

表2 元器件清單明細(xì)

PLC外部接線圖

茶葉揉捻機(jī)電氣控制系統(tǒng)PLC外部接線見(jiàn)圖5。

圖5 PLC外部接線圖

控制程序設(shè)計(jì)

文本顯示器程序

本設(shè)計(jì)采用OP320-A型設(shè)備，具體屏幕設(shè)置描述如下。

1.第一幅畫面設(shè)置

2.第二幅畫面設(shè)置

3.揉茶時(shí)間設(shè)置寄存器為D104

4.當(dāng)前壓力設(shè)置寄存器為D101

5.當(dāng)前工作階段設(shè)置寄存器為D106

PLC程序流程圖

PLC程序總流程

設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入加料等待過(guò)程，如果需要加料，則進(jìn)行加料操作，如已經(jīng)有料，則進(jìn)行下一步工序。加料完成后，按下啟動(dòng)按鍵，進(jìn)入揉茶子程序，如果操作時(shí)到了，則進(jìn)入下一步程序，詢問(wèn)是否停止設(shè)備，如果按下停止，則使全部電機(jī)停止，如果沒(méi)有按下停止按鍵，則進(jìn)入下一步程序，檢查急停按鍵是否被按下，如果急停按鍵被按下，則進(jìn)入輸出全部停止的急停狀態(tài)，如果沒(méi)有急停，則回到加料等待狀態(tài)。

揉茶子程序流程

開(kāi)始揉茶子程序后，詢問(wèn)是否進(jìn)入第一階段，如果是，則設(shè)定壓力值為0，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問(wèn)是否進(jìn)入第二階段，如果是，則設(shè)定壓力值為略壓力，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問(wèn)是否進(jìn)入第三階段，如果是，則設(shè)定壓力值為輕壓力，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問(wèn)是否進(jìn)入第四階段，如果是，則設(shè)定壓力值為重壓力，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，回到第一階段。

壓力控制子程序流程

開(kāi)始?jí)毫刂谱映绦蚝?，先檢測(cè)壓力是否達(dá)到壓力設(shè)定值，如果已經(jīng)達(dá)到，則改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向向上，如果沒(méi)有達(dá)到，則檢測(cè)是否達(dá)到中位，如果已經(jīng)達(dá)到，則改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向向下，如果沒(méi)有達(dá)到，重新回到程序開(kāi)始階段。

圖6 PLC程序總流程圖

圖7 揉茶子程序流程圖

圖8 壓力控制子程序流程圖

結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了茶葉揉捻機(jī)的自動(dòng)化改造，可以滿足生產(chǎn)需求，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中還是暴露了我本身對(duì)生產(chǎn)工藝的不熟悉等缺點(diǎn)，這也需要我們以后在進(jìn)行設(shè)備改造或設(shè)計(jì)之前，進(jìn)行足夠的企業(yè)調(diào)研。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.079