自动茶叶揉捻机的PLC改造

方 翔

自动茶叶揉捻机的PLC改造

方 翔

方 翔

金华市高级技工学校讲师。

引言

众所周知，茶叶是中国自古以来最重要的饮料，而它也走出中国，走向世界，成为世界三大饮料之一。改革开放以来，我国在茶业上的飞速发展，无论产量和种植面积都是全球之首。最近几年来，我国的茶叶出口量均逐年上升，出口金额再次创下新高。

根据茶叶及其生产工艺不同，可分为绿茶、黄茶、白茶、红茶、乌龙茶，等等，其中在中国最受欢迎的一种是绿茶，无论花色还是品种之多均是无可争议的世界第一。绿茶中富含茶多酚、蛋白质、维生素、氨基酸等大量有机化学成分，并含有多种无机矿物元素，具有延缓衰老、强身健体的多重功效。

绿茶的生产过程中，大多需要对新鲜采来的茶叶进行杀青、揉捻、干燥几个过程。过去这几个过程都是由人们手工生产完成的，劳动强度大，而整体的生产品质又不够稳定，因此，目前我国大量的绿茶生产企业都已经开始采用茶叶自动揉捻机来代替人工揉捻。

揉茶机是一种能保证茶叶质量、尽量少破坏其纤维组织，同时又能完成对其进行揉捻工艺的生产辅助机械。它操作简单、方便，应用场所广。对于不同品种的茶叶，所需的揉捻程序不尽相同，因此，我们就需要能有一种可以通过设定一些参数后，全自动对茶叶进行揉捻的机器。

图1 原6CR-55型茶叶揉捻机外形

自动茶叶揉捻机工作原理

自动茶叶揉捻机的工作原理是利用PLC作为核心控制设备，对原CR-55型茶叶揉捻机进行自动化改造。

控制过程如下：PLC控制曲柄连杆机构带动揉桶在揉盘上作平面圆周运动，而上述机构工作过程中揉捻的动作使叶片细胞损伤，从而完成揉捻过程。

主要技术参数见表1。

表1 CR-55型揉捻机的主要技术参数

本设计用变频器和FX0N- 3A数模转换模块实现对揉盘的转速控制，用FX2N-1PG控制步进电机带动揉盖上下移动，从而实现对压力的控制。PLC与操作人员之间信息交互通过步科触摸屏实现，可以通过触摸屏启停茶叶揉捻机，输入揉盘转速，揉盖压力控制和揉捻机工作状态显示。

设备主要由控制面板、控制箱、揉茶机构三大部分组成。其中，控制面板主要由文本显示器、按键、指示灯、蜂鸣器、面板电源开关等构成。

控制箱主要由三菱FX2N型PLC，变频器，空气开关，接触器，继电器， A/D转换模块，24V开关电源，步进电机驱动机构等构成。

揉茶机构主要由接近开关、限位开关、交流异步电机、丝杆步进电机、压力变送器等构成。控制系统见框图2。

系统硬件设计

设备选型

变频器选择

本课题选用的三相异步电动机功率为2.2KW，根据电流计算公式计算得出电流I=2200w/1.73/0.75/380=4.46A。根据三相异步电动机的额定电图压，额定电流，额定功率选择FR-E540-3.7K-CHT通用型变频器。

图2 茶叶揉捻机控制系统框图

图3 变频器和3A模块连接图

步进驱动器的选型

步进电机与驱动器与1PG连接见图4。

图4 步进电机与驱动器与1PG连接框图

电机控制系统如图4所示：由三菱FX型PLC、FX2N-1PG定位模块、步进电机驱动程序等组成。PLC在控制系统中的作用主要是生成控制脉冲，控制过程是首先由PLC编程输出一定数量的脉冲，用来控制步进电机的转动角度，并实现对的伺服装置的控制；并通过对脉冲频率的控制，继而完成对伺服装置的控制。

结合本课题我们将M542 V2.0型设备作为步进驱动设备。

元器件明细表

元器件清单明细见表2。

表2 元器件清单明细

PLC外部接线图

茶叶揉捻机电气控制系统PLC外部接线见图5。

图5 PLC外部接线图

控制程序设计

文本显示器程序

本设计采用OP320-A型设备，具体屏幕设置描述如下。

1.第一幅画面设置

2.第二幅画面设置

3.揉茶时间设置寄存器为D104

4.当前压力设置寄存器为D101

5.当前工作阶段设置寄存器为D106

PLC程序流程图

PLC程序总流程

设备启动时，系统自动进入加料等待过程，如果需要加料，则进行加料操作，如已经有料，则进行下一步工序。加料完成后，按下启动按键，进入揉茶子程序，如果操作时到了，则进入下一步程序，询问是否停止设备，如果按下停止，则使全部电机停止，如果没有按下停止按键，则进入下一步程序，检查急停按键是否被按下，如果急停按键被按下，则进入输出全部停止的急停状态，如果没有急停，则回到加料等待状态。

揉茶子程序流程

开始揉茶子程序后，询问是否进入第一阶段，如果是，则设定压力值为0，调用压力控制子程序；如果不是，询问是否进入第二阶段，如果是，则设定压力值为略压力，调用压力控制子程序；如果不是，询问是否进入第三阶段，如果是，则设定压力值为轻压力，调用压力控制子程序；如果不是，询问是否进入第四阶段，如果是，则设定压力值为重压力，调用压力控制子程序；如果不是，回到第一阶段。

压力控制子程序流程

开始压力控制子程序后，先检测压力是否达到压力设定值，如果已经达到，则改变步进电机转动方向向上，如果没有达到，则检测是否达到中位，如果已经达到，则改变步进电机转动方向向下，如果没有达到，重新回到程序开始阶段。

图6 PLC程序总流程图

图7 揉茶子程序流程图

图8 压力控制子程序流程图

结束语

该设计基本实现了茶叶揉捻机的自动化改造，可以满足生产需求，但是在设计过程中还是暴露了我本身对生产工艺的不熟悉等缺点，这也需要我们以后在进行设备改造或设计之前，进行足够的企业调研。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.079