红茶自动发酵机控制系统研究

陈加友

（福建省安溪茶业职业技术学校,362400）

红茶发酵机的系统控制，若能实现逻辑运算、定时、计数和算术运算、顺序控制等操作的指令，通过模拟式、数字式的输入和输出，控制发酵的生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计，则将非常适用于红茶的自动生产和加工，使整个生产过程达到智能化控制，有效控制茶叶发酵环境的温湿度和自动供氧排氧，可大幅度提高茶叶的品质和生产效率。

一、控制系统

1.主传动电机电路

电动机在启动时启动电流很大，系统主传动电动机使用变频器控制启停，如图1所示。选用变频器的目的是实现电动机的变速运行、调整电动机的功率，以达到控制摊叶厚度和茶叶流量的目的。采用了变频器后，变频器能最大程度地消除电压下降，发挥更大的优势,能在零频零压时逐步启动。减少机械传动部件的磨损,从而降低采购成本,同时可以提高系统稳定性,可以很好地配合其他控制设备和仪器，实现系统化组网的一体化开发、集中实时监视和控制，节省了选型的麻烦和系统兼容性的问题，节约了成本。

图1 主传动电机电路

2.传送带电机及蒸汽机电路

为了实现对茶叶的自动搬运，系统的传送带电机采用三相电机接线方式，三角形负载连接供电，如图2～图4所示，蒸汽机电机则采用单相供电，如图5所示。

图2 1路传送带电路图

图3 2路传送带电路图

图4 3路传送带电路图

图5 蒸汽机电路图

3.主控制系统PLC电路图

系统采用PLC（Programmable Logic Controller)配合嵌入式控制系统来实现简单的人机操作，用户可以通过在人机界面控制整个系统的做茶参数，是自动控制的核心部分（图6）。

图6 PLC控制系统电路图

（1）开关量的逻辑控制

这个是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器控制电路，实现顺序控制、逻辑控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机联控及自动化生产线。

（2）模拟量控制

发酵生产过程当中，温度、湿度、风速度等都是连续变化的模拟量。为了让PLC处理模拟量，必须实现数字量（Digital）与模拟量（Analog）之间的D/A转换及转换A/D。配套的D/和A/DA转换模块，使PLC用于模拟量控制。

（3）运动控制

可编程序控制器可以用于直线运动和圆周运动的控制。可驱动伺服电机和步进电机的单轴或多轴位置控制模块。实现控制整个发酵房的工作。

（4）过程控制

过程控制是将发酵房内的湿度、换气、温度等模拟量的闭环控制。可编程序控制器编制多样的控制算法程序，完成闭环控制。过程控制能准确控制发酵机内的实时湿度和温度。

（5）数据处理

利用可编程序控制器具有数学计算、数据转换、数据传输、查表、排序、位操作的功能，完成发酵数据的分析、采集、及处理。这些数据与存储在存储器中的设定值比较完成控制操作，也可利用通信功能传送到别的智能终端，或将它们打印出来或制成表格，完成无人控制的柔性智能制造系统。

4.人机界面介绍及参数

用户可以通过界面简单明了地理解整套发酵房系统的各参数与操作方式，用户界面如图7所示。传统的控制方式是用户在控制面板上设置参数及修改变频器的频率来实现控制设备，但是在本控制系统中可以通过可编程序控制器、人机控制界面、变频器三者的无缝通讯方式来实现简单操作，即用户直接在人机的界面就可以轻松查看或修改变频器的控制参数，达到最佳的实现茶叶发酵自动控制。

图7 用户界面图

二、雾化装置

超声波雾化装置是将市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电的信号，驱动超声波换能器工作，大部分采用世界领先的他激式震荡电路的结构，较自激式震荡电路结构在输出功率增加10%以上,超声波发生器是产生一个特定频率的信号，这个信号是脉冲信号或者正弦信号，这个特定频率是换能器工作时产生的频率。当超声波雾化器输入电压的发生变化时，发生器的输出功率马上跟着发生变化。会使超声波换能器的机械振动不一致，致使工作效果不佳。因此需要稳定输出功率,让发生器工作在最佳状态。发酵系统中超声波雾化器，把超声波接入水罐中，利用电子的高频震荡（振荡频率是1.7MHz，超过人的听觉范围，电子振荡对人体以及动物都无伤害），陶瓷雾化片的高频谐振动作将液态水分子的结构震散而产生自然飘逸水雾，不需添加任何化学试剂或加热，同加热雾化方式比较可节省能源达90%。此外在雾化过程中会释放大量的负离子其与空气中漂浮的粉尘、烟雾等产生静电反应使其沉淀，同时还能高效去除空气中的有害物质使空气得到净化，提高环境湿度创造比较适合茶叶发酵的环境。

三、蒸汽及温度与湿度采集模块

发酵系统的温度控制是通过蒸汽来实现的，通过管道把蒸汽分布到发酵机的各个角落，当温度低于设定值时，蒸汽机的电磁阀打开高湿蒸汽进入，当环境温度达到设定值时可编程序控制器的控制蒸汽电磁阀闭合，此系统所用的蒸汽系统与传统的蒸汽机的区别在于：

1.机械结构简介，操作方便。

2.使用380伏三相电源供电，无需通过锅炉烧煤，安全环保。

3.通过PLC与电路板共同控制，实现温度精准化。

4.采用两组L加热棒交替加热，持续性强。

5.有高压报警、低压报警、缺水报警，智能控制整个蒸汽系统的安全。

传统工业控制系统中，温度与湿度都是通过仪表来显示与控制，这种办法比较繁琐，且仪表的界面都相对复杂难以理解，所以在本系统中直接将温度与湿度显示在人机界面上，用最简单明了的方式提供给用户，操作者只需要任意修改温度参数与湿度参数系统即可自动实现温度湿度控制，减少故障率与出错率。为了使采集温度准确，本系统中温度采集模块使用的是PLC特定的温度模块，此模块拥有强大的温度采集功能，可以根据现场条件实现各种样式的温度采集，如图8所示。

湿度模块是一种模拟量模块，发酵系统通过外部模拟量元件的采集信号，再传输回PLC控制系统的模拟量采集模块上，最终通过内部程序的反复处理再得出人机界面上简单的一个数字。

图8 PLC温度采集模块

四、结 语

我国红茶经历了一段时间的辉煌时期后由于各种原因走向低谷，目前正是崛起的关键时期，需求量逐渐增大，对福建工夫红茶的品质要求也越来越高。红茶色、香、味品质取决于发酵过程这一重要工序，采用红茶自动发酵机控制系统，可对发酵房内温度、换气、湿度实行精准闭环控制，更好地实现茶叶发酵自动控制，有效保证茶叶品质，并大大提高生产的效率，为红茶的全自动生产提供了一定的参考依据。