徐文娟

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

0 引言

我國是茶葉的發(fā)源地,茶葉產(chǎn)量逐年增加。茶葉生產(chǎn)過程需要經(jīng)過多道工序,其中的烘干工序作為茶葉加工的最后一道工序,起到了使茶葉香氣充分散發(fā)及提高茶葉干燥度以便于儲存的作用。烘干工序?qū)τ谠O(shè)備的溫度和時間的控制要求較高,但目前我國大多數(shù)的茶葉加工企業(yè)設(shè)備自動化程度較低,茶葉的加工以手工為主[1],加工過程的參數(shù)控制主要依靠工人的經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整,無法實現(xiàn)茶葉的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),茶葉的質(zhì)量無法得到保證,且加工效率較低。為準(zhǔn)確控制茶葉的烘干工藝參數(shù),提高茶葉烘干質(zhì)量,保證茶葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化,需要對茶葉的烘干過程進(jìn)行自動化控制,并對其進(jìn)行監(jiān)控,在保證茶葉的烘干質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率。

SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))是結(jié)合了自動化和通信技術(shù)的一種組態(tài)軟件,可以實現(xiàn)對生產(chǎn)加工過程的實時監(jiān)控,具有采集設(shè)備及工藝參數(shù)等信號的功能[2]。目前,我國對于茶葉生產(chǎn)的監(jiān)控主要依靠人工,SCADA在我國的應(yīng)用還很少,因此將SCADA應(yīng)用于茶葉烘干工藝中,對其進(jìn)行監(jiān)控。

DCS(集散控制系統(tǒng))是集合了計算機(jī)技術(shù)、CRT等技術(shù)的一種計算機(jī)控制系統(tǒng),具有連續(xù)控制和邏輯控制等功能,在工業(yè)的過程控制方面有非常廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)具有信息化和集成化的優(yōu)點(diǎn),既可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制,又可以執(zhí)行生產(chǎn)。為此,本文利用DCS系統(tǒng)的信息化、集成化的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行茶葉烘干工藝的自動化生產(chǎn)和控制,并結(jié)合SCADA對烘干工藝進(jìn)行監(jiān)控,對茶葉的烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 茶葉烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過對該茶葉烘干系統(tǒng)進(jìn)行需求分析,將SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)功能分為3層,如表1所示。

表1 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng):上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)過程管理,即軟件的控制;下位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對烘干工藝現(xiàn)場進(jìn)行控制,實現(xiàn)烘干過程,即硬件的控制。系統(tǒng)主要組成包括輸入模塊、監(jiān)控模塊和輸出模塊,如圖1所示。上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的互通。

1.2 輸入模塊

輸入模塊主要由溫度傳感器組、濕度傳感器組和前后流量秤組成。傳感器通過量綱轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模采樣電路把測得的非電參數(shù)按照對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電量輸出,滿足信息的傳遞、記錄和控制等需求。

溫度傳感器也稱作熱電偶傳感器,用于檢測茶葉烘干箱的溫度,轉(zhuǎn)換為電信號后傳輸給控制器,達(dá)到對烘干箱溫度控制的目的。一般熱電偶傳感器通過連接兩個不同材料的導(dǎo)體和半導(dǎo)體構(gòu)成,具有可靠性和穩(wěn)定性高、測量結(jié)果較準(zhǔn)確及可大范圍連續(xù)測量的優(yōu)點(diǎn)。本茶葉烘干機(jī)采用電子皮帶秤,原理如圖2所示。

圖1 茶葉烘干監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 烘干機(jī)電子皮帶秤稱重原理

在皮帶秤的輸送架上安裝壓力傳感器,當(dāng)皮帶上有茶葉傳輸時,壓力傳感器將受到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制儀表;同時,在皮帶秤的電機(jī)位置安裝有速度傳感器,通過測量電機(jī)速度即可得到皮帶運(yùn)行速度;將速度信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制儀表,控制儀表將計算得到的茶葉流量和總量在儀表盤上顯示。

其他的傳感器組如水分傳感器組、濕度傳感器組均需要將測得的參數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)參數(shù)的電信號,傳遞給監(jiān)控模塊。

1.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊包括狀態(tài)顯示、設(shè)備控制、參數(shù)設(shè)置和報警4部分,主要有以下功能:①采集茶葉烘干設(shè)備輸入模塊的溫度、傳輸速度、質(zhì)量等信息,顯示、記錄和存儲各參數(shù)的歷史值;②監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時的設(shè)備狀態(tài);③在系統(tǒng)運(yùn)行前進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,包括烘干時間、溫度、設(shè)備安全等,保證烘干工藝的穩(wěn)定性;④針對不同的情況報警,如設(shè)備斷電保護(hù)和設(shè)備故障時數(shù)據(jù)存儲,并對設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)。

1.4 輸出模塊

輸出模塊由驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、變頻器和微波管組成。監(jiān)控模塊和輸入模塊的信息由PLC控制器處理后,向輸出模塊發(fā)出參數(shù)調(diào)整的指令,由變頻器驅(qū)動微波管加熱,調(diào)整烘干設(shè)備的溫度;由驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)調(diào)整茶葉傳送帶的傳輸速度,保證茶葉的烘干質(zhì)量。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

采用模糊PID控制算法對烘干系統(tǒng)進(jìn)行控制,具有模糊算法的快速響應(yīng)和易適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),還具有PID算法精度高、方便的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到該烘干系統(tǒng)是由溫度和濕度共同控制,具有很強(qiáng)的耦合性[3],若僅僅對溫度和濕度單獨(dú)進(jìn)行PID控制,效果不理想,甚至?xí)霈F(xiàn)溫度和濕度的振蕩[4],因此采用模糊推理的方法解決這個問題。

首先分別通過模糊控制器對溫度和濕度進(jìn)行模糊控制,將溫度和濕度模糊控制的輸出結(jié)果進(jìn)行模糊推理,得到溫度和濕度的耦合補(bǔ)償值;將此值分別與單獨(dú)的模糊控制器的輸出值進(jìn)行合成,即可得到溫度和濕度的實際輸出值。通過此方法對茶葉烘干設(shè)備的溫度和濕度進(jìn)行控制,結(jié)構(gòu)[7]如圖3所示。

圖3 溫度和濕度的模糊控制結(jié)構(gòu)圖

圖3中,Ctep為溫度經(jīng)模糊控制后的輸出;Chum為濕度經(jīng)模糊控制后的輸出;Utep和Uhum分別為溫度和濕度經(jīng)耦合后的實際輸出值。

茶葉進(jìn)入烘干設(shè)備后,濕度傳感器組測量其濕度,結(jié)果作為濕度模糊控制器的輸入量。定義輸入量的模糊子集為{Etep}={NB,NM,NS,PS,PM},濕度的論域范圍為[0,100],則濕度的模糊子集的隸屬函數(shù)U濕度(r)為

對應(yīng)的濕度隸屬函數(shù)關(guān)系圖如圖4所示,由此完成了烘干設(shè)備濕度的模糊控制。

圖4 濕度隸屬函數(shù)關(guān)系圖

除了對濕度進(jìn)行模糊控制,還需要對溫度進(jìn)行模糊控制。烘干設(shè)備的溫度傳感器將測得的溫度結(jié)果作為溫度模糊控制器的輸入量,定義輸入量的模糊子集為{Ehum}={NS,Z,PS,PM,PB}。一般茶葉烘干的溫度范圍為90°～120℃,因此該溫度的論域范圍選擇為[90,120]。由此可以得到溫度模糊子集的隸屬函數(shù)U溫度(p)為

對應(yīng)的溫度隸屬函數(shù)圖如圖5所示,由此可以完成茶葉烘干設(shè)備的溫度的模糊控制。

圖5 溫度隸屬函數(shù)關(guān)系圖

在烘干環(huán)節(jié)完成對溫度、濕度的PID模糊化處理后,通過對結(jié)果進(jìn)行模糊推理獲得溫度和濕度的耦合補(bǔ)償值;分別將溫度和濕度的耦合補(bǔ)償值與前面的單獨(dú)模糊控制的輸出值合成[5],即為溫度和濕度的實際輸出值。在溫度和濕度的PID模糊控制完成后,對烘干時間進(jìn)行模糊控制。

烘干時間的輸入量模糊子集選取為{Et}={S,MS,M,ME,E},茶葉烘干時間一般為5～21min,因此論域選擇為[5,17]。此時,烘干時間子集的隸屬函數(shù)U烘干時間(t)為

對應(yīng)的烘干時間隸屬函數(shù)關(guān)系圖如圖6所示,此時茶葉的整個烘干過程控制完成。

圖6 烘干時間隸屬函數(shù)關(guān)系圖

3 試驗結(jié)果

在構(gòu)建好茶葉烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)后,需要在實際生產(chǎn)中對其控制效果進(jìn)行測試,選取同一個地區(qū)同一個茶葉品種。茶葉烘干之前的工藝過程為堆放—?dú)⑶唷項l成形,所有茶葉的工藝流程參數(shù)均相同,保證所有的茶葉在烘干之前的濕度盡可能相同。

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,烘干試驗進(jìn)行3次。將茶葉均分為5組,從中選取3組在該茶葉烘干設(shè)備進(jìn)行烘干工藝,并進(jìn)行監(jiān)控,測試該烘干工藝生產(chǎn)線及監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。茶葉烘干過程的溫度、時間的試驗結(jié)果和偏差如表2所示。

由表2可以看出:茶葉烘干過程中,模糊控制器可以完成對溫度、濕度、時間的調(diào)節(jié)和控制,實際的烘干溫度、時間與理論的控制參數(shù)相比偏差較小,均在合理的偏差范圍。其中,烘干溫度的偏差均小于±1.3%,烘干時間的偏差均小于5.1%。在烘干過程中,狀態(tài)顯示區(qū)域可以實時地顯示烘干進(jìn)程,包括濕度、溫度、時間等工藝參數(shù),且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,參數(shù)控制良好。

表2 茶葉烘干過程參數(shù)

3.2 烘干工藝后的茶葉質(zhì)量

為了對比茶葉烘干工藝生產(chǎn)線和人工烘干的茶葉質(zhì)量,將剩余的兩組茶葉分別在該茶葉烘干設(shè)備中進(jìn)行烘干和人工烘干,計算烘干時間,并對比烘干完成后的茶葉質(zhì)量,結(jié)果如表3所示。

表3 不同烘干方式茶葉質(zhì)量

由表3可知:烘干設(shè)備和人工烘干的茶葉烘干質(zhì)量均較好,烘干設(shè)備由于可以進(jìn)行模糊控制調(diào)整,烘干效率較高。

4 結(jié)論

1)針對茶葉的烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng),下位機(jī)系統(tǒng)主要由輸入模塊、監(jiān)控模塊和輸出模塊組成。

2)烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)為SCADA監(jiān)控系統(tǒng),可實時監(jiān)控烘干工藝過程、設(shè)備狀態(tài),并記錄歷史信息。烘干過程采用PID控制算法對烘干工程參數(shù)進(jìn)行控制,溫度和濕度采用模糊推理的方法完成控制,再通過模糊算法完成烘干時間的控制。

3)試驗結(jié)果表明:系統(tǒng)可以完成茶葉的烘干過程,且在生產(chǎn)時可以進(jìn)行實時監(jiān)控,且工作穩(wěn)定,能夠保證茶葉的烘干質(zhì)量,提高烘干效率。