自動茶葉揉捻機的PLC改造

方 翔

自動茶葉揉捻機的PLC改造

方 翔

方 翔

金華市高級技工學校講師。

引言

眾所周知，茶葉是中國自古以來最重要的飲料，而它也走出中國，走向世界，成為世界三大飲料之一。改革開放以來，我國在茶業(yè)上的飛速發(fā)展，無論產(chǎn)量和種植面積都是全球之首。最近幾年來，我國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，其中在中國最受歡迎的一種是綠茶，無論花色還是品種之多均是無可爭議的世界第一。綠茶中富含茶多酚、蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸等大量有機化學成分，并含有多種無機礦物元素，具有延緩衰老、強身健體的多重功效。

綠茶的生產(chǎn)過程中，大多需要對新鮮采來的茶葉進行殺青、揉捻、干燥幾個過程。過去這幾個過程都是由人們手工生產(chǎn)完成的，勞動強度大，而整體的生產(chǎn)品質(zhì)又不夠穩(wěn)定，因此，目前我國大量的綠茶生產(chǎn)企業(yè)都已經(jīng)開始采用茶葉自動揉捻機來代替人工揉捻。

揉茶機是一種能保證茶葉質(zhì)量、盡量少破壞其纖維組織，同時又能完成對其進行揉捻工藝的生產(chǎn)輔助機械。它操作簡單、方便，應用場所廣。對于不同品種的茶葉，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設定一些參數(shù)后，全自動對茶葉進行揉捻的機器。

圖1 原6CR-55型茶葉揉捻機外形

自動茶葉揉捻機工作原理

自動茶葉揉捻機的工作原理是利用PLC作為核心控制設備，對原CR-55型茶葉揉捻機進行自動化改造。

控制過程如下：PLC控制曲柄連桿機構(gòu)帶動揉桶在揉盤上作平面圓周運動，而上述機構(gòu)工作過程中揉捻的動作使葉片細胞損傷，從而完成揉捻過程。

主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 CR-55型揉捻機的主要技術(shù)參數(shù)

本設計用變頻器和FX0N- 3A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對揉盤的轉(zhuǎn)速控制，用FX2N-1PG控制步進電機帶動揉蓋上下移動，從而實現(xiàn)對壓力的控制。PLC與操作人員之間信息交互通過步科觸摸屏實現(xiàn)，可以通過觸摸屏啟停茶葉揉捻機，輸入揉盤轉(zhuǎn)速，揉蓋壓力控制和揉捻機工作狀態(tài)顯示。

設備主要由控制面板、控制箱、揉茶機構(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、面板電源開關(guān)等構(gòu)成。

控制箱主要由三菱FX2N型PLC，變頻器，空氣開關(guān)，接觸器，繼電器， A/D轉(zhuǎn)換模塊，24V開關(guān)電源，步進電機驅(qū)動機構(gòu)等構(gòu)成。

揉茶機構(gòu)主要由接近開關(guān)、限位開關(guān)、交流異步電機、絲桿步進電機、壓力變送器等構(gòu)成。控制系統(tǒng)見框圖2。

系統(tǒng)硬件設計

設備選型

變頻器選擇

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

圖2 茶葉揉捻機控制系統(tǒng)框圖

圖3 變頻器和3A模塊連接圖

步進驅(qū)動器的選型

步進電機與驅(qū)動器與1PG連接見圖4。

圖4 步進電機與驅(qū)動器與1PG連接框圖

電機控制系統(tǒng)如圖4所示：由三菱FX型PLC、FX2N-1PG定位模塊、步進電機驅(qū)動程序等組成。PLC在控制系統(tǒng)中的作用主要是生成控制脈沖，控制過程是首先由PLC編程輸出一定數(shù)量的脈沖，用來控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度，并實現(xiàn)對的伺服裝置的控制；并通過對脈沖頻率的控制，繼而完成對伺服裝置的控制。

結(jié)合本課題我們將M542 V2.0型設備作為步進驅(qū)動設備。

元器件明細表

元器件清單明細見表2。

表2 元器件清單明細

PLC外部接線圖

茶葉揉捻機電氣控制系統(tǒng)PLC外部接線見圖5。

圖5 PLC外部接線圖

控制程序設計

文本顯示器程序

本設計采用OP320-A型設備，具體屏幕設置描述如下。

1.第一幅畫面設置

2.第二幅畫面設置

3.揉茶時間設置寄存器為D104

4.當前壓力設置寄存器為D101

5.當前工作階段設置寄存器為D106

PLC程序流程圖

PLC程序總流程

設備啟動時，系統(tǒng)自動進入加料等待過程，如果需要加料，則進行加料操作，如已經(jīng)有料，則進行下一步工序。加料完成后，按下啟動按鍵，進入揉茶子程序，如果操作時到了，則進入下一步程序，詢問是否停止設備，如果按下停止，則使全部電機停止，如果沒有按下停止按鍵，則進入下一步程序，檢查急停按鍵是否被按下，如果急停按鍵被按下，則進入輸出全部停止的急停狀態(tài)，如果沒有急停，則回到加料等待狀態(tài)。

揉茶子程序流程

開始揉茶子程序后，詢問是否進入第一階段，如果是，則設定壓力值為0，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問是否進入第二階段，如果是，則設定壓力值為略壓力，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問是否進入第三階段，如果是，則設定壓力值為輕壓力，調(diào)用壓力控制子程序；如果不是，詢問是否進入第四階段，如果是，則設定壓力值為重壓力，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

開始壓力控制子程序后，先檢測壓力是否達到壓力設定值，如果已經(jīng)達到，則改變步進電機轉(zhuǎn)動方向向上，如果沒有達到，則檢測是否達到中位，如果已經(jīng)達到，則改變步進電機轉(zhuǎn)動方向向下，如果沒有達到，重新回到程序開始階段。

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

該設計基本實現(xiàn)了茶葉揉捻機的自動化改造，可以滿足生產(chǎn)需求，但是在設計過程中還是暴露了我本身對生產(chǎn)工藝的不熟悉等缺點，這也需要我們以后在進行設備改造或設計之前，進行足夠的企業(yè)調(diào)研。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.079