聞　娜，劉成偉，王　濤（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺(tái)054000）

?

可編程控制技術(shù)在普洱茶渥堆生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用

聞娜，劉成偉，王濤
（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺(tái)054000）

摘要：本設(shè)計(jì)旨在建立一種基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化普洱茶渥堆生產(chǎn)裝置，該裝置共分為三個(gè)個(gè)功能模塊：電路模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、附件模塊。電路模塊的電源對(duì)待測(cè)普洱茶樣品進(jìn)行有效照射，光纖探頭將透過普洱茶樣品的發(fā)酵信息進(jìn)行聚集，然后通過光纖傳遞給光纖探頭將透過普洱茶樣品的發(fā)酵信息進(jìn)行收集，并通過光纖傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊的發(fā)酵儀。發(fā)酵儀準(zhǔn)確、有效、實(shí)時(shí)的獲取通過光纖傳遞過來的普洱茶樣品發(fā)酵信息，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入微處理器進(jìn)行處理、計(jì)算和分析，從而完成對(duì)待測(cè)普洱茶樣品發(fā)酵程度的預(yù)測(cè)，并在觸摸顯示屏上進(jìn)行結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)普洱茶渥堆的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC；普洱茶渥堆；生產(chǎn)自動(dòng)化

聞娜（1981-），女，大學(xué)本科，講師，研究方向：自動(dòng)控制。

劉成偉（1981-），男，滿族，大學(xué)本科，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化。

王濤（1981-），男，大學(xué)本科，講師，研究方向：建筑電氣。

普洱茶因其特殊的品質(zhì)和功效，近幾年普洱茶的消費(fèi)群體不斷增加，同時(shí)也增加了消費(fèi)者對(duì)普洱茶質(zhì)量的要求。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，企業(yè)在管理及生產(chǎn)過程中更需要有信息化的管理來提高企業(yè)整體的經(jīng)濟(jì)效益。PLC技術(shù)簡(jiǎn)單來說就是將一切生產(chǎn)、經(jīng)營業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)字化管理，利用現(xiàn)代化科技手段將生產(chǎn)模塊的發(fā)展信息更新，從而為人們提供最新的信息，使人們充分的了解企業(yè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)，從而為企業(yè)做出科學(xué)的生產(chǎn)流水提供依據(jù)，合理的配置有限的資源。普洱企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的過程是比較復(fù)雜的，要將計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，才能有效的提高自動(dòng)化生產(chǎn)效率和水平，從而提高茶葉企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力。

1　普洱茶渥堆生產(chǎn)中自動(dòng)化技術(shù)及研究現(xiàn)狀

渥堆生產(chǎn)技術(shù)是指利用渥堆生產(chǎn)設(shè)備記錄物體輻射或反射的渥堆能量分布狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)換成平面可見圖像（即茶發(fā)酵圖）的技術(shù)。茶發(fā)酵圖可反映物體表面的溫度場(chǎng)信息，普洱茶渥堆生產(chǎn)就是建立在溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上的一種生產(chǎn)方法，根據(jù)缺陷位置溫度場(chǎng)的變化，可方便獲得物體表面的缺陷信息。與傳統(tǒng)無損生產(chǎn)方法相比，它具有非接觸生產(chǎn)、響應(yīng)速度快、生產(chǎn)面積廣、直觀、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。根據(jù)是否需要外部熱源渥堆生產(chǎn)，渥堆生產(chǎn)技術(shù)可分為無源普洱茶渥堆生產(chǎn)（被動(dòng)式渥堆生產(chǎn)）和有源普洱茶渥堆生產(chǎn)（自動(dòng)化渥堆生產(chǎn)）兩大類。任何物質(zhì)在絕對(duì)零度（-273℃）以上都不斷地向周圍發(fā)射載有物體特征信息的渥堆輻射，被動(dòng)式渥堆生產(chǎn)技術(shù)通過對(duì)被測(cè)件發(fā)射的渥堆輻射進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)被測(cè)件狀態(tài)特征的智能判斷。自動(dòng)化普洱茶渥堆生產(chǎn)基于熱傳導(dǎo)理論，它利用外部熱渥堆生產(chǎn)作用在物體上引起的溫度場(chǎng)的變化，采用熱像儀記錄茶發(fā)酵圖，并對(duì)其進(jìn)行溫度分析和圖像處理，由此達(dá)到生產(chǎn)目的。當(dāng)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)或物體與外界溫度相差不大的情況下，渥堆熱像儀很難獲得物體表面的溫度場(chǎng)信息，這種情況下應(yīng)選用自動(dòng)化普洱茶渥堆生產(chǎn)方法，利用外界渥堆生產(chǎn)對(duì)物體進(jìn)行加熱，使物體有缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域有足夠的溫差。由于被動(dòng)式普洱茶渥堆生產(chǎn)的這種局限性，使得自動(dòng)化渥堆生產(chǎn)發(fā)展迅速，各種各樣的主動(dòng)熱渥堆生產(chǎn)方式也隨之出現(xiàn)。普洱茶渥堆生產(chǎn)熱渥堆生產(chǎn)方式包括光熱渥堆生產(chǎn)（閃光燈、激光）、聲振渥堆生產(chǎn)（超聲波、機(jī)械振動(dòng)）、電磁渥堆生產(chǎn)。

1.1閃光燈渥堆生產(chǎn)是利用大功率閃光燈發(fā)射出的熱能對(duì)試件進(jìn)行加熱

然而，閃光燈所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)呈球面輻射狀，均勻性較差，而渥堆生產(chǎn)源的均勻性則是光熱輻射普洱茶渥堆生產(chǎn)中必須重點(diǎn)考慮的因素之一。為此，楊小林對(duì)影響光熱輻射均勻性的因素進(jìn)行了分析，通過研究閃光燈的個(gè)數(shù)和排布，一定程度上改善了渥堆生產(chǎn)源加熱的均勻性，然而這種光源分布不均的問題，仍會(huì)影響普洱茶渥堆生產(chǎn)的生產(chǎn)效果，而且這種光源優(yōu)化的方法過于復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作。

1.2激光渥堆生產(chǎn)是利用激光器發(fā)射出的激光對(duì)試件局部進(jìn)行熱渥堆生產(chǎn)

激光具有方向性強(qiáng)、能量集中的特點(diǎn)，這同樣也會(huì)導(dǎo)致加熱不均勻的問題。G.N.Kervalishvili利用Nd:YAG激光器對(duì)試件裂紋局部進(jìn)行熱渥堆生產(chǎn)，研究其激光渥堆生產(chǎn)的熱傳導(dǎo)模型。研究結(jié)果表明激光光斑與裂紋的距離對(duì)試件表面的熱分布有較大的影響。在對(duì)試件進(jìn)行激光渥堆生產(chǎn)時(shí)，由于激光的方向性強(qiáng)、能量集中，將導(dǎo)致加熱不均勻，這將會(huì)影響普洱茶渥堆生產(chǎn)效果。

1.3超聲普洱茶渥堆生產(chǎn)則是利用超聲波渥堆生產(chǎn)試件，試件內(nèi)部吸收耦合超聲能量產(chǎn)生熱

徐維超驗(yàn)證了超聲渥堆生產(chǎn)技術(shù)的生產(chǎn)能力，文中提到試件與探頭之間的壓力對(duì)于超聲渥堆生產(chǎn)結(jié)果有一定的影響。超聲生產(chǎn)時(shí)，耦合劑是必須使用的，且試件表面需處理得光滑平整，這在一定程度上限制了超聲渥堆生產(chǎn)的運(yùn)用場(chǎng)合。另外，超聲生產(chǎn)時(shí)渥堆生產(chǎn)源必須與物體直接接觸，且兩者之間的耦合程度對(duì)生產(chǎn)結(jié)果影響較大，這大大縮小了超聲普洱茶渥堆生產(chǎn)的生產(chǎn)范圍。另外，生產(chǎn)時(shí)需要校準(zhǔn)渥堆生產(chǎn)裝置，這增加了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的工作量。

1.4振動(dòng)渥堆生產(chǎn)是利用特定的振動(dòng)渥堆生產(chǎn)源促使物體內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)

由于熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)，彈性波的傳播使缺陷部位因聲能衰減而產(chǎn)生熱，最終引起物體局部溫度升高。楊小林利用振動(dòng)普洱茶渥堆生產(chǎn)法對(duì)飛機(jī)疲勞裂紋自然損傷件的微裂紋進(jìn)行生產(chǎn)，結(jié)果表明，該技術(shù)能很好地應(yīng)用在金屬的裂紋生產(chǎn)領(lǐng)域。但文章在設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)的時(shí)候，提到要將振動(dòng)渥堆生產(chǎn)源與試件緊密接觸，顯然，這一要求使得振動(dòng)渥堆生產(chǎn)很難在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中得以進(jìn)一步推廣。

2　PLC在普洱茶渥堆生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1電源選型

電源的選擇對(duì)于自動(dòng)化普洱茶渥堆PLC生產(chǎn)裝置至關(guān)重要，直接影響著裝置的生產(chǎn)精度和穩(wěn)定性。電源在包含普洱茶樣品特征峰的波長(zhǎng)區(qū)必須要有足夠的發(fā)光強(qiáng)度及穩(wěn)定性，電源的發(fā)光強(qiáng)度及穩(wěn)定性也直接影響著生產(chǎn)裝置的信噪比；電源的發(fā)光波長(zhǎng)范圍決定著生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)波長(zhǎng)范圍，近渥堆生產(chǎn)儀器中常采用鹵素?zé)艋蜴u燈作為電源，它們的發(fā)酵范圍能夠覆蓋整個(gè)PLC區(qū)域，具有發(fā)光強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定性好，以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

本裝置中發(fā)酵儀的PLC區(qū)域?yàn)?00-1000nm，普洱茶樣品在其中的500-1000nm區(qū)域內(nèi)具有明顯的特征峰。歐司朗公司生產(chǎn)的HALOSPOT-111系列鹵素?zé)舭l(fā)酵覆蓋范圍為350-1700nm，并且在500-1000nm的發(fā)酵區(qū)域內(nèi)，具有足夠的發(fā)光強(qiáng)度和較高的穩(wěn)定性，完全可以滿足生產(chǎn)要求。所以，在本裝置設(shè)計(jì)中選擇歐司朗公司生產(chǎn)的HALOSPOT-111系列鹵素?zé)糇鳛殡娫础?/p>

2.2電路布置

電路布置是根據(jù)生產(chǎn)方式確定的。本裝置采用透射方式對(duì)普洱茶進(jìn)行發(fā)酵程度生產(chǎn)，所以裝置的電路布置是根據(jù)透射方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。電源采用兩盞歐司朗鹵素?zé)簦?2V，100W，型號(hào)：41850sp）兩邊對(duì)稱布置方式。鹵素?zé)魺舯瓋啥藢?duì)稱鉆有兩個(gè)直徑為3mm孔，并且在燈支架上鉆有寬度為3mm的滑槽，鹵素?zé)敉ㄟ^直徑為3mm的螺栓固定在燈支架上。燈支架通過螺栓固定在底板的滑槽上，而底板通過螺栓固定在儀器的箱壁上。

在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，可以通過調(diào)節(jié)電源的照射角度，或是改變電源在燈支架滑槽中的位置，從而調(diào)節(jié)光照高度，達(dá)到生產(chǎn)不同種類普洱茶和不同大小普洱茶的目的。同時(shí)對(duì)于有核普洱茶，也可通過調(diào)整角度和距離避免果核對(duì)生產(chǎn)結(jié)果的影響。通過改變燈支架在底板滑槽中的位置，可以改變電源照在普洱茶上強(qiáng)度的大小，從而可以生產(chǎn)不同果皮厚度及不同大小的普洱茶。被生產(chǎn)普洱茶放置在橡膠材質(zhì)的普洱茶托盤上面，這樣既可以起到固定普洱茶的作用，又可以提高密封性能，減小沿普洱茶表面產(chǎn)生的衍射光對(duì)生產(chǎn)結(jié)果的影響。光纖前段加裝光纖探頭（74-UV，Ocean Optical Co.，Ltd.），以增強(qiáng)收集到的透過普洱茶樣品的發(fā)酵信息，然后發(fā)酵信息經(jīng)光纖傳遞給光纖發(fā)酵儀（USB4000或USB2000＋，OceanOptical Co.，Ltd.），完成發(fā)酵信息向數(shù)字信息的轉(zhuǎn)化，并輸送給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。至此，就完成了采集普洱茶發(fā)酵信息的電路模塊的設(shè)計(jì)。

2.3數(shù)據(jù)處理模塊

該部分主要包括微處理器、軟件系統(tǒng)和觸摸顯示屏組成。微處理器采用的是華碩公司生產(chǎn)的，型號(hào)為PCM-9361的電腦主板。它具有體積小，低功耗，處理數(shù)據(jù)能力相對(duì)較快，符合裝置要求。軟件系統(tǒng)采用發(fā)酵儀自帶的發(fā)酵采集軟件SpectraSuite，其主要作用是將微型光纖發(fā)酵儀傳遞過來的關(guān)于樣品的發(fā)酵信息，轉(zhuǎn)換成方便數(shù)據(jù)處理的文檔格式，同時(shí)在觸摸顯示屏上進(jìn)行發(fā)酵的顯示?？筛鶕?jù)不同實(shí)驗(yàn)的需要，在軟件上對(duì)發(fā)酵儀進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，包括積分時(shí)間設(shè)置、平滑度設(shè)置和平均次數(shù)設(shè)置等。此外，軟件系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、觸發(fā)方式選擇及數(shù)據(jù)打印等基本功能。觸摸顯示屏的作用是對(duì)裝置的軟件進(jìn)行操作，以及對(duì)被測(cè)樣品的發(fā)酵信息及生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行顯示。

2.4附件模塊

為提高普洱茶渥堆的生產(chǎn)精度和穩(wěn)定性，裝置的供電電源采用性能較好的12V鋰電池給電源和微處理器供電。此外，附件部分還包括儀器箱體、起支撐作用的底板和微處理器支架以及起固定作用的螺栓、螺母等，其中箱體設(shè)計(jì)要做到結(jié)構(gòu)緊湊和外形美觀等要求。

3　結(jié)　語

現(xiàn)階段，在生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行效率造成了負(fù)面影響，為了滿足市場(chǎng)對(duì)電氣工程智能化的巨大需求，本文針對(duì)普洱茶渥堆發(fā)酵生產(chǎn)當(dāng)中存在的問題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)生產(chǎn)與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用PLC及各種生產(chǎn)與控制設(shè)備為下位機(jī)，以PC機(jī)和WINCC為上位機(jī)，對(duì)普洱茶發(fā)酵過程中的溫度、濕度、pH值等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳曉強(qiáng)，黃云戰(zhàn)，周紅杰，趙永潔.PLC在普洱茶渥堆生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2012(03)

[2]趙永潔，黃云戰(zhàn)，周紅杰，吳曉強(qiáng).普洱茶發(fā)酵車間測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].食品與機(jī)械. 2012(02)

[3]楊小林，杜來林，馮立春.紅外熱成像檢測(cè)中的主動(dòng)加熱方法研究[J].激光與紅外，2007，37(11)

[4] G. N. Kervalishvili et al.，Contrib. Plasma Phys. 48，32 (2008).

[5]徐維超.超聲紅外熱波無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于裂紋檢測(cè)的研究[D].北京:首都師范大學(xué)，2008

作者簡(jiǎn)介：