徐文娟

(咸寧職業(yè)技術學院,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)驗進行調(diào)整,無法實現(xiàn)茶葉的標準化生產(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)標準化,需要對茶葉的烘干過程進行自動化控制,并對其進行監(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在我國的應用還很少,因此將SCADA應用于茶葉烘干工藝中,對其進行監(jiān)控。

DCS(集散控制系統(tǒng))是集合了計算機技術、CRT等技術的一種計算機控制系統(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用。該系統(tǒng)具有信息化和集成化的優(yōu)點,既可以對生產(chǎn)過程進行控制,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)點進行茶葉烘干工藝的自動化生產(chǎn)和控制,并結(jié)合SCADA對烘干工藝進行監(jiān)控,對茶葉的烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。

1 茶葉烘干工藝監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構

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

表1 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構

SCADA系統(tǒng)分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng):上位機系統(tǒng)負責實現(xiàn)過程管理,即軟件的控制;下位機系統(tǒng)負責對烘干工藝現(xiàn)場進行控制,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。上位機和下位機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡實現(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)按照對應關系轉(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體和半導體構成,具有可靠性和穩(wěn)定性高、測量結(jié)果較準確及可大范圍連續(xù)測量的優(yōu)點。本茶葉烘干機采用電子皮帶秤,原理如圖2所示。

圖1 茶葉烘干監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構圖

圖2 烘干機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,在皮帶秤的電機位置安裝有速度傳感器,通過測量電機速度即可得到皮帶運行速度;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、設備控制、參數(shù)設置和報警4部分,主要有以下功能:①采集茶葉烘干設備輸入模塊的溫度、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)運行時的設備狀態(tài);③在系統(tǒng)運行前進行參數(shù)設置,包括烘干時間、溫度、設備安全等,保證烘干工藝的穩(wěn)定性;④針對不同的情況報警,如設備斷電保護和設備故障時數(shù)據(jù)存儲,并對設備進行安全保護。

1.4 輸出模塊

輸出模塊由驅(qū)動器、步進電機、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)整烘干設備的溫度;由驅(qū)動器驅(qū)動步進電機調(diào)整茶葉傳送帶的傳輸速度,保證茶葉的烘干質(zhì)量。

2 關鍵部件設計

采用模糊PID控制算法對烘干系統(tǒng)進行控制,具有模糊算法的快速響應和易適應的優(yōu)點,還具有PID算法精度高、方便的優(yōu)點?？紤]到該烘干系統(tǒng)是由溫度和濕度共同控制,具有很強的耦合性[3],若僅僅對溫度和濕度單獨進行PID控制,效果不理想,甚至會出現(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行模糊控制,將溫度和濕度模糊控制的輸出結(jié)果進行模糊推理,得到溫度和濕度的耦合補償值;將此值分別與單獨的模糊控制器的輸出值進行合成,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備的溫度和濕度進行控制,結(jié)構[7]如圖3所示。

圖3 溫度和濕度的模糊控制結(jié)構圖

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。

茶葉進入烘干設備后,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

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

圖4 濕度隸屬函數(shù)關系圖

除了對濕度進行模糊控制,還需要對溫度進行模糊控制。烘干設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備的溫度的模糊控制。

圖5 溫度隸屬函數(shù)關系圖

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)果進行模糊推理獲得溫度和濕度的耦合補償值;分別將溫度和濕度的耦合補償值與前面的單獨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

對應的烘干時間隸屬函數(shù)關系圖如圖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)關系圖

3 試驗結(jié)果

在構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—殺青—理條成形,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)果的準確性,烘干試驗進行3次。將茶葉均分為5組,從中選取3組在該茶葉烘干設備進行烘干工藝,并進行監(jiān)控,測試該烘干工藝生產(chǎn)線及監(jiān)控系統(tǒng)的運行效果。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程,包括濕度、溫度、時間等工藝參數(shù),且設備運行穩(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備中進行烘干和人工烘干,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:烘干設備和人工烘干的茶葉烘干質(zhì)量均較好,烘干設備由于可以進行模糊控制調(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)進行設計,監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng),下位機系統(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。