基于PLC的智能全自動奶茶機(jī)設(shè)計方法

鄭宇欣+李健舒+應(yīng)宇暉

摘 要：為了幫助奶茶門店節(jié)約人力成本，提升利潤空間，提出了智能全自動奶茶機(jī)的設(shè)計方法。首先設(shè)計并分析了智能全自動奶茶機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明了各部分的工作原理；然后詳細(xì)說明了控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計方法；最后介紹了智能全自動奶茶機(jī)未來的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：奶茶機(jī)；PLC；節(jié)約人力

中圖分類號：TH381 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

奶茶消費已屬于大眾消費，尤其是在年輕人群中，市場潛力非常巨大。通過對奶茶門店經(jīng)營情況的觀察，一般銷售情況較好的奶茶門店包括3～4名員工，配制一杯奶茶的時間為3min～5min不等，所以人力成本是限制奶茶門店營業(yè)利潤的關(guān)鍵。如果能夠創(chuàng)造一臺能夠自動配制奶茶飲品的機(jī)器，這臺機(jī)器能夠幫助奶茶店節(jié)約人力成本、提高配制效率，那么，這將有助于增加該行業(yè)的營業(yè)利潤。這便是智能全自動奶茶機(jī)的靈感來源。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示是全智能智能奶茶機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。①是固體原料箱；②是熱水箱，水箱有電熱絲是為了加熱和保溫；③是螺桿泵，將固體原料輸送到攪拌釜；④是送料離心泵，將液體原料輸送到攪拌釜；⑤是攪拌棒，負(fù)責(zé)攪拌混合原料；⑥是攪拌釜，是攪拌混合的主要容器；⑦是壓力傳感器，測量攪拌釜的重量變化；⑧是出料離心泵，將攪拌完成的飲品輸出；⑨是出料口，完成飲品由此輸出至紙杯；⑩是廢水出液口，將清洗攪拌釜的廢水由此口輸出。

2.工作原理

首先通過PC機(jī)或人機(jī)界面組態(tài)將制作奶茶機(jī)信號輸入至PLC，由PLC調(diào)用奶茶子程序，進(jìn)行所需原料選擇，包括固體和液體的選擇。將選擇好的原料輸送至攪拌容器中攪拌，在攪拌一定時間后，將攪拌后的奶茶放入杯中，輸出給客戶。在這一系列步驟完成后，利用清水將攪拌容器清洗。整個機(jī)器分為以下幾個裝置：液體送料裝置、固體送料裝置、水箱保溫裝置、攪拌混合裝置。

2.1 液體輸送裝置

液體輸送裝置主要是用于將原料按需求從原料儲槽輸送至攪拌器供下一步流程使用。為了保證液體定量輸送，攪拌釜底部安裝壓力傳感器，測量攪拌釜的重量變化量。采用離心泵向攪拌釜輸送液體，當(dāng)攪拌釜重量變化達(dá)到要求時，關(guān)閉離心泵。

2.2 固體輸送裝置

固體輸送裝置主要是用于將固體按需求從原料儲槽輸送至攪拌器供下一步流程使用。對于固體原料定量輸送，選擇螺桿泵進(jìn)料方式，配合攪拌釜底部的壓力傳感器進(jìn)行定量控制?？刂品绞酵后w輸送裝置，不再贅述。

2.3 水箱保溫裝置

水箱保溫裝置主要是用于產(chǎn)生配制奶茶過程中所需的熱水。測溫元件為熱電阻，執(zhí)行器為電熱絲，用PID控制器使水溫達(dá)到設(shè)定溫度。PID控制器廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，能夠使水溫快速且平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定值。數(shù)學(xué)公式如公式（1）所示。

其中U是控制器輸出，是設(shè)定溫度，KP，KI，KD是實際溫度。通過調(diào)節(jié)使控制器能夠有效地工作。

2.4 攪拌混合裝置

攪拌混合裝置主要是用于將液體原料和固體原料混合攪拌。原料輸送完畢后，開啟攪拌棒高速旋轉(zhuǎn)一段時間。為了使奶茶口味多樣化，攪拌時間可長可短。該裝置也用于清洗環(huán)節(jié)。奶茶配制完成后，打開底部閥門，輸出奶茶。然后向攪拌釜加入一定量清水，再次開啟攪拌棒，實現(xiàn)對攪拌釜清洗功能。清洗后的廢水由排水口排出。

3.控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)分析

3.1 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的控制核心是PLC。PLC采用臺達(dá)公司的DPV20SX211R，所以PLC的編程軟件也采用臺達(dá)公司配套的編程軟件WPLSoft2.41，編程語言是梯形圖（LD）。因為奶茶配制過程自動化控制主要涉及邏輯控制，利用梯形圖編程簡單明了，易于調(diào)試。單片機(jī)采用ARM Cortex-M4微處理器中的Kinetis KL26，在AIR Embedded Workbench軟件環(huán)境下編程，編程語言是C語言。因為壓力傳感器和溫度傳感器部分涉及AD采樣，C語言屬于文本化編程語言，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，所以單片機(jī)部分采用C語言編程。

3.2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用單片機(jī)和PLC相結(jié)合。綜合了單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點和PLC運行可靠、邏輯編程簡單的優(yōu)點。原料罐壓力信號、攪拌釜壓力信號和熱水箱溫度信號輸入至單片機(jī)，單片機(jī)AD采集微弱的電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，DA輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，以模擬量的形式輸入至PLC。后者采用模擬量的原因是，為了實現(xiàn)進(jìn)料精確控制和溫度精確控制，需要攪拌釜壓力和熱水箱溫度的精確值。然而，前者只需要表示原料罐是否為空，故只要數(shù)字量表示即可，減少了PLC模擬量通道使用數(shù)量，節(jié)約了制造成本。

電源模塊將24V交流電轉(zhuǎn)化了24V直流電，給PLC供電。經(jīng)過PLC邏輯運算后，數(shù)字量IO口輸入數(shù)字信號至繼電器，進(jìn)而分別控制液體出料泵、固體出料泵、熱水出料泵、廢水出料泵、成品出料泵和攪拌棒。輸入和輸出端都必須設(shè)置繼電器，這是為了解決各部件公共端電壓不一致的問題。模擬量IO口輸出0-10V的電壓，連接電熱絲的正負(fù)極。

結(jié)語

隨著奶茶門店的逐漸增多，人們需求逐漸增大，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)奶茶具有十分廣闊的發(fā)展前景。通過測試，此智能奶茶機(jī)能夠很好地做到固體輸料、液體輸料、清洗、保溫等功能，通過PLC以及MCU進(jìn)行控制，自動地生產(chǎn)出所需要的奶茶，因此，在經(jīng)過進(jìn)一步的改良優(yōu)化后，可以進(jìn)行大范圍的推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]胡新明，萬魯魯.全自動家用咖啡機(jī)設(shè)計研究[J].包裝工程，2015， 36（4）：72-75.

[2]侯軍剛，孟欣，曹廣忠，等.智能咖啡機(jī)的精確恒溫方案設(shè)計[J].應(yīng)用技術(shù)，2014（4）：19-21.

[3]李勇.咖啡機(jī)攪拌棒供給系統(tǒng)設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016（21）：6-7.

[4]朱振建，石樺，宋杰，等.臺達(dá)PLC實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集升級的應(yīng)用方案[J].PLC與工控機(jī)，2010（6）：46-48.

[4]王華忠.工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用-PLC與組態(tài)軟件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.