劉　青（江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇常州213032）

?

基于PLC控制的茶葉自動化理條機(jī)組研究

劉青
（江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇常州213032）

摘要：茶葉理條機(jī)是茶葉制作加工中的重要設(shè)備之一，茶葉理條質(zhì)量的好壞直接決定著茶葉加工之后的品質(zhì)高低，因此，面對傳統(tǒng)理條加工工藝的弊端，應(yīng)用自動化理條機(jī)具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文從茶葉機(jī)械制作的發(fā)展現(xiàn)狀入手，利用三菱PLC控制技術(shù)對茶葉自動化理條機(jī)組的加工過程進(jìn)行分析，設(shè)計了機(jī)組的總體方案和控制系統(tǒng)的軟硬件，不斷提高茶葉理條機(jī)的自動化水平，進(jìn)而便于用戶操作，減輕勞動人員的工作強(qiáng)度，提高理條效率，改善茶葉的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：茶葉；自動化理條；PLC控制；機(jī)組

1　前　言

從整體上來說，我國目前的茶葉加工技術(shù)還處于半手工、半機(jī)械化的水平，尤其是在茶葉理條過程中，雖然大多數(shù)茶農(nóng)已經(jīng)運(yùn)用理條機(jī)進(jìn)行加工操作，但理條機(jī)的工作還離不開工人的操作，仍需要大量的人力，此外，在人工操作中，由于操作人員與茶葉頻繁的進(jìn)行接觸，從而導(dǎo)致茶葉容易被細(xì)菌污染，降低了茶葉的品質(zhì)。鑒于此，結(jié)合我國茶葉理條的實際狀況，實現(xiàn)茶葉加工全生命周期的清潔化、自動化和智能化，是當(dāng)前茶葉加工制作所面臨的重要問題，也引起了所有茶人的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，茶葉理條作為茶葉加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，理條工藝的優(yōu)劣直接關(guān)系到茶葉的后續(xù)加工過程。本文通過對茶葉理條機(jī)組的自動化技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行分析，并運(yùn)用先進(jìn)的三菱PLC控制技術(shù)來實現(xiàn)茶葉理條加工的機(jī)械化運(yùn)作，進(jìn)而不斷提高茶葉理條技工的自動化水平，為茶葉實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

2　茶葉機(jī)械制作的發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1我國茶葉加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前世界上大約有50多個國家進(jìn)行茶葉種植和生產(chǎn)，而有160多個國家保持著飲茶的習(xí)俗。據(jù)史料記載，茶葉原產(chǎn)于中國，并從我國向世界傳播。[1]一般來說，茶葉的加工過程就是將鮮葉中的水分進(jìn)行逐步蒸發(fā)而形成干茶過程。茶葉的加工原料為鮮葉，如果不能夠及時進(jìn)行加工處理，其品質(zhì)就會降低，從而失去原有的應(yīng)用價值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的茶葉加工逐步朝著機(jī)械化的方向發(fā)展，并相繼研制成功了各種制茶設(shè)備。但與其他國家相比，我國的茶葉加工標(biāo)準(zhǔn)還存在著不足之處，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到清潔化、自動化的水準(zhǔn)。食品工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展要經(jīng)歷機(jī)械化、初級自動化、自動化控制、數(shù)據(jù)化和無人化五個階段，有些國家的茶葉生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入了第四階段，而我國的制茶企業(yè)大多數(shù)還處于第一階段，個別進(jìn)入到了第二階段，所以需要改變傳統(tǒng)的手工加機(jī)械單機(jī)作業(yè)的情況，實現(xiàn)從鮮葉到干茶的全自動生產(chǎn)。[1]

2.2理條機(jī)在茶葉制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，茶葉的制作過程要經(jīng)過殺青、揉捻、理條、做形以及干燥等多個環(huán)節(jié)，其中，理條工藝主要針對條形綠茶而言，主要是為了達(dá)到塑性、失水和提香的目的，因而是制作工藝中的重要環(huán)節(jié)。[3]經(jīng)過多年的實踐研究，我國的茶葉理條機(jī)有了很大的進(jìn)步，但也存在著一些亟待解決的問題：一是傳統(tǒng)理條機(jī)的能耗比較高、熱效率也很低，因而造成了大量的能源浪費(fèi)；二是傳統(tǒng)理條機(jī)存在著加熱裝置不合理的問題，導(dǎo)致了茶葉加熱溫度之間不均勻，進(jìn)而使得茶葉的品質(zhì)高低不同；三是在理條機(jī)運(yùn)作過程中會產(chǎn)生大量的灰塵和噪音，從而對操作人員以及使用人員的身體健康造成損害。鑒于此，實現(xiàn)茶葉理條機(jī)的自動化生產(chǎn)對于促進(jìn)茶葉加工行業(yè)的發(fā)展意義非常重大。[2]

3　基于PLC控制的茶葉自動化理條機(jī)組研究

理條過程是茶葉制作加工中必不可少的工序，在茶葉的初制加工中占據(jù)著非常重要的地位。理條機(jī)的發(fā)明來源于安徽宣城的一個木匠，主要是用來代替手工操作。一般來說，在茶葉理條機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電動機(jī)帶動著理條槽鍋進(jìn)行反復(fù)的直線運(yùn)動，進(jìn)而使鍋內(nèi)的茶葉進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、摩擦，最終達(dá)到理直茶條的目的。而傳統(tǒng)的茶葉理條機(jī)械結(jié)構(gòu)非常單一、質(zhì)量粗糙，并不符合茶葉加工連續(xù)化和清潔化的要求，因此，提高茶葉理條加工的自動化水平非常重要。茶葉理條加工的自動化化水平?jīng)Q定著保證茶葉生產(chǎn)過程的清潔化程度，也是名優(yōu)茶加工的關(guān)鍵步驟。鑒于此，本文對茶葉自動理條機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從而達(dá)到了對理條各個工序進(jìn)行控制的目的。

3.1總體方案設(shè)計

3.1.1設(shè)備組成

在整個茶葉理條機(jī)組中，主要是運(yùn)用提升機(jī)、振動輸送槽以及上下工序?qū)膳_或兩臺以上的茶葉理條機(jī)進(jìn)行相連而成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外，將茶葉料倉布置在茶葉理條機(jī)組的上方，并設(shè)置行走軌道，這樣茶葉料倉便能夠及時到達(dá)每臺茶葉理條機(jī)組的下方進(jìn)行下料工作。一般來說，茶葉料倉的設(shè)計寬度應(yīng)與理料機(jī)的寬度保持一致，上設(shè)茶葉稱量系統(tǒng)，中間為均料系統(tǒng)，下方布置擋料板，當(dāng)處于下料位置時，便能夠通過重力作用自動打開。與此同時，利用PLC控制系統(tǒng)對整個理條機(jī)組進(jìn)行協(xié)同聯(lián)動控制，并在每臺理條機(jī)上設(shè)置獨立的PLC控制程序，從而在不受其他理條機(jī)影響的情況下進(jìn)行獨立操作。

圖1　茶葉自動化理條機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

3.1.2控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)主要以PLC控制技術(shù)作為控制中樞，并包含傳感采集系統(tǒng)、控制和界面系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)。在開啟茶葉自動化理條機(jī)組之后，茶葉上料，這時，料倉提升機(jī)將茶葉運(yùn)輸?shù)搅隙分?，并利用均勻器進(jìn)行均勻散布，等到茶葉原料的重量達(dá)到設(shè)定數(shù)值后，提升機(jī)便停止供料工作。之后，料倉再次進(jìn)行移動，到達(dá)需要投料的地方，自動開啟擋料板，將其放置在理條機(jī)槽內(nèi)進(jìn)行理條過程，并設(shè)定炒茶時間。待完成炒茶工作后，在氣缸的帶動下，理條機(jī)內(nèi)的料槽進(jìn)行翻動，進(jìn)而使茶葉倒入振動輸送槽中，將其運(yùn)往下一道工序，周而復(fù)始，整個茶葉加工系統(tǒng)便完成了自動化聯(lián)動過程。其具體過程如圖2所示。

圖2　茶葉自動化理條機(jī)組工作流程

3.2控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.2.1硬件設(shè)計

依據(jù)自動化茶葉理條機(jī)組的控制要求，本系統(tǒng)選擇了三菱PLC控制技術(shù)，其具有編程簡單、運(yùn)算速度高以及靈活的特點。此外，為了完成茶葉理條工藝流程，控制系統(tǒng)的硬件選用繼電器、傳感器、接近開關(guān)、變頻器以及觸摸屏作為手腳進(jìn)行協(xié)同配合，茶葉自動化理條機(jī)組系統(tǒng)因硬件組成圖如下：

圖3　茶葉自動化理條機(jī)組系統(tǒng)因硬件組成圖

3.2.2軟件設(shè)計

根據(jù)茶葉自動化理條機(jī)組的應(yīng)用原理，在三菱PLC控制軟件對茶葉定量、變頻、溫度以及觸摸屏四個部分進(jìn)行控制。首先，在控制茶葉重量的過程中，運(yùn)用觸摸屏來進(jìn)行重量的參數(shù)設(shè)定。在這個過程中，稱量一定重量的茶葉，并手動控制將其放入小車內(nèi)，之后運(yùn)用PLC系統(tǒng)對重量進(jìn)行讀取并保存，在小車向左和向右運(yùn)動后，重復(fù)上述動作。此后，PLC系統(tǒng)將小車運(yùn)行中的實時重量與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果實際值大于或等于設(shè)定值時，系統(tǒng)便停止供料，而這個時候得到的茶葉重量與設(shè)定值保持相同。其次，在控制理條速度的過程中，應(yīng)采用變頻控制方式來達(dá)到節(jié)約能源的目的。傳統(tǒng)的理條設(shè)備大多采用固定頻率，這樣使得茶葉的理條過程保持千篇一律，并不能根據(jù)用戶的實際需求進(jìn)行調(diào)整，也常常造成大量能源的浪費(fèi)。鑒于此，本系統(tǒng)設(shè)定多頻率切換功能，將注入茶葉、理條過程設(shè)定為多個頻率，從而便于用戶進(jìn)行自由選擇。此外，當(dāng)不需要進(jìn)行某個步驟的時候，將其時間設(shè)置為0秒，這樣電機(jī)便自動跳過，節(jié)省了大量的能源。再者，控制理條溫度。一般來說，在茶葉理條機(jī)械運(yùn)動的最初，要根據(jù)用戶的茶葉種類選定合適的理條溫度，在觸摸屏中進(jìn)行輸入，一段時間后，溫度達(dá)到設(shè)定值，便能夠?qū)⒎答佇盘杺鬏數(shù)絇LC控制系統(tǒng)，并在觸摸屏中顯示，使用者便可以進(jìn)行停止操作。之后，當(dāng)溫度逐漸降低，電加熱管便啟動加熱模式，確保理條溫度保持設(shè)定值狀態(tài)。最后，在設(shè)計觸摸屏的過程中，根據(jù)實際用戶的需求，完成理條機(jī)自動和手動兩種功能的顯示，這樣用戶就可以有效的控制整個機(jī)組的運(yùn)行。此外，無論是茶葉的重量參數(shù)設(shè)定，還是理條溫度、頻率和時間控制，都需要依據(jù)觸摸屏界面進(jìn)行顯示，實現(xiàn)人機(jī)對話，便于操作人員進(jìn)行直觀監(jiān)測，也能夠使普通的茶農(nóng)進(jìn)行機(jī)組控制。

4　結(jié)束語

基于PLC控制的茶葉自動化理條機(jī)組，實現(xiàn)了對理條溫度、頻率以及重量等參數(shù)的設(shè)定和采集，達(dá)到了理條設(shè)備自動運(yùn)行的功能，不斷提高了茶葉理條設(shè)備的自動化水平，方便了茶農(nóng)的實際操作，在促進(jìn)茶葉加工的全過程自動化發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。此外，為了進(jìn)一步提高茶葉理條的效率，改善茶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低理條機(jī)組對工作人員的勞動強(qiáng)度與健康影響，還需要不斷優(yōu)化理條機(jī)組加工工藝和參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)理條機(jī)組的全程自動化。

參考文獻(xiàn)

[1]任桂英，唐興隆.基于PLC控制的茶葉自動化理條機(jī)組研究[J].南方農(nóng)業(yè)，2014，10（16）：48-50.

[2]尹凌鵬.基于PLC的茶葉定量理條一體機(jī)自動化控制系統(tǒng)研制[J].裝備制造技術(shù)，2013，12（07）：121-123.

作者簡介：劉青（1969-），男，安徽安慶人，本科，副教授，研究方向：電氣自動化控制。