基于VFD-E变频器的智能炒茶机设计

胡 斌,罗 浩

(信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

0 引言

信阳毛尖是我国著名绿茶，也是十大名茶之一.随着人民群众对其需求量的增大，信阳毛尖的产区在扩大，生产加工企业也逐渐增多.传统的手工制作茶叶工艺具有信阳茶独特的风格和特色，但产量很低，是制约茶叶产量的一个重要因素.近年来，信阳地区出现了一批生产制茶机械的中小企业，一些规模较大的茶叶销售公司，直接收购茶农采摘的鲜叶，集中进行机械化加工，大大提高了生产效率，降低了劳动成本，也进一步规范了制茶工艺.目前，炒茶机械仍然存在着一些不足[1-2]，如自动化程度较低，各生产环节工艺脱节等.只有将人工炒茶工艺与自动化炒茶机械有机结合起来，才能即提高产量，又不失特色和品质.在手工制茶工程中，各个环节都需要人凭经验来决定，很多因素共同作用才形成最后产茶的质量，采用自动化机械，就需要用机械实现每个决定性因素.本文从制茶过程中茶叶翻炒速度与加热温度这一环节入手，探讨手炒茶工艺的机械自动化实现方法，设计了一种基于VFD-E变频器的智能炒茶机.

1 手炒茶工艺

信阳毛尖茶传统手工制茶工艺经过多年传承，形成了自身独特的风格.其主要过程分为三步：生锅、熟锅和烘焙.首先将采摘的鲜叶在竹匾内均匀摊晾，使其失去一定水分，鲜叶颜色转为暗绿并且变软，青草气减轻而散出果香味，然后进行生锅的步骤.将茶叶投入铁锅，温度控制在150 ℃左右，用茶帚翻炒茶叶，在叶片变软绵以后，收拢在锅中，用茶帚尖端同向转圈轻揉，逐渐加快速度和加重力度.下一步是熟锅，根据茶叶等级，温度稍有变化，大致在80 ℃～120 ℃.熟锅主要靠手的抓、压和甩的动作进行“理条”.熟锅的作用是使茶叶进一步失水，并通过手的动作使茶叶形成卷紧和圆直的条形，成形后的茶叶进入烘焙的环节.在上述步骤中，生锅和熟锅最为关键，主要依靠人的经验和炒制手法，如对炒锅温度和茶叶湿度的感觉和控制，茶帚的压力和速度，手的动作等，这都直接决定了茶叶的品质.以下以炒锅温度控制和茶帚速度控制为出发点，着重讨论用自动化机械装置模拟手炒茶的过程.

2 智能炒茶机的实现

2.1 炒茶机机械装置

图1是一种常用的小型炒茶机械装置，主要由机身支架、传动装置、电动推杆和茶帚组成.其传动装置和茶帚固定在炒茶机机身支架上，传动装置主要由电机和皮带轮组成，带动下面的茶帚，使茶帚在炒锅内做圆周运动.电动推杆可控制茶帚的升降，进而调节茶帚对茶叶叶片的压力．茶帚在炒锅内转动的圆周直径可调.另外，还需要根据传统的制作工艺，根据炒锅温度，利用变频器实时调节茶帚的转速.此炒茶机装置可以完成杀青、揉捻和理条等工序，一机多能，在中高档信阳毛尖茶的炒制上具有明显优势．

图1 炒茶机结构示意图Fig.1 The diagram of configuration of tea frying machine1.机身支架，2.传动装置，3.电动推杆B，4.电动推杆A，5.茶帚，6.炒锅.

2.2 电气控制部分

电气控制是实现智能炒制的关键，设计采用PLC和变频器配合使用的方式来完成.PLC主要进行开关量控制，根据系统的 I/O 点数需求，选用西门子S7-200系列CPU224[3].炒茶电机的调速采用台达VFE-D变频器，这款变频器具有内置PLC，具有一个模拟量输入通道和一个模拟量输出通道，变频器可根据外部输入信号，执行自身内部PLC程序，进行运算后，输出开关信号或者模拟信号[4].炒茶机工作过程中，茶帚对茶叶的压力靠电动推杆A调节，茶帚在炒锅中的回转直径则通过电动推杆B调节.如表1所示，每个电动推杆可调位置有四个，包括完全伸出、完全缩回等，在极限行程之间，再设置两个位置点，位置的检测采用行程开关控制，PLC负责采集这些位置信号[5].根据炒茶工艺，电动推杆的伸出和缩回作为输出量，也由PLC来控制.系统包括启动、停止和复位3个操作按钮，另外，变频器的启动和停止，通过接收PLC的输出控制信号来实现，见表2.

如图2所示，按下复位按钮SF2,炒茶机准备工作，电动推杆带动茶帚移至原点；按下启动按钮SF0,开始炒茶；按下停止按钮SF1，炒茶机停止工作.在炒制过程中，根据炒茶工艺，通过电动推杆A对茶帚加压，首先Q0.0输出信号，电动推杆伸至位置BGA1，PLC检测到行程开关信号后，关闭Q0.0信号，定时一段时间后，电动推杆继续伸长至位置BGA2，同样经过相应时间的炒制，推杆伸长到达极限位置BGA3.与此同时，电动推杆B同样在PLC的控制下，以相同原理进行伸长和缩短，以改变茶帚在炒锅内的回转直径.在整个炒制过程中，由变频器采集炒锅的温度信号，输入至其AVI端子上.变频器独立运行内部自身的PLC程序，通过温度实时调节炒茶电机的转速.炒制过程结束后，PLC控制变频器停机，茶帚自动回到原点.

表1 PLC输入点代码和地址编号Tab.1 Code and address number of PLC input point

表2 PLC输出点代码和地址编号Tab.2 Code and address number of PLC output point

2.3 软件设计

系统软件包括两部分：S7-200CPU224的程序设计和台达VFD-E变频器内置的独立PLC程序.CPU224程序主要完成系统启动、停止以及两个电动推杆的动作控制等工作；变频器自身PLC程序主要进行温度信号的采集[6]、炒茶电机的正反转控制和转速实时调整.变频器PLC部分程序如图3所示,地址对应关系见表3.

表3 变频器程序地址说明Tab.3 Inverter program address instruction

程序原理：X2接收到CPU224启动信号Q0.4后，接通特殊继电器M1025，变频器启动，开始控制炒茶电机以一定的周期进行正转和反转，这里采用定时器T0和T1分别定时20 s和10 s.同时，实时采集炒锅的温度信号，送至模拟量输入通道D1028，经过变频器内部运算，输出至模拟量输出通道D1040，自动控制电机转速.X3接收到CPU224停止信号Q0.5后，炒茶电机停止运转.

图2 电气控制原理图Fig.2 The scheme of electricity control

图3 变频器PLC梯形图程序Fig.3 Ladder diagram of inverter PLC

3 炒茶机控制系统测试

采用设计的智能炒茶机，投入500 g 鲜叶进行炒制.控制系统启动后，茶帚下降到一定高度，以预设的速度进行翻炒，在此过程中明显可见鲜叶被挑起，温度变化时，茶帚转速随之改变.约3 min后，从炒锅中取出少量叶片观察，发现叶片受热均匀，表明杀青情况较好.在系统控制下，茶帚提升，旋转圆周减小，转速下降；然后茶帚下降，转速提升.通过观察，发现此时锅中叶片逐渐卷缩，形状基本一致.随着叶片含水率的降低，偶有少量叶片折断，这种情况在理条环节也有出现.与手工炒制同品质茶叶相比，智能炒茶机炒出的茶叶碎叶稍多，茶叶的紧细和圆直形状稍差.这说明茶帚的动作控制还不够精细，与人手的感觉还有差距.另外，控制系统对杀青、揉捻和理条的工序过渡是以时间定时来完成的，而手工炒制则是依靠人的经验，通过判断叶片的含水率来决定是否进行下一步工序，而对炒锅内叶片含水率的检测和控制仍然是目前自动炒茶机需要解决的问题.

4 结论

在手工制茶工艺基础上，设计了一种智能炒茶机控制系统.通过PLC和变频器结合的方法，对小型炒茶机进行智能化控制,采用电动推杆实现炒茶过程中的对茶帚的压力控制以及茶帚在炒锅内回转圆周的控制.茶帚上下移动行程20 cm，转动速度在50～120 r/min，其速度根据采集温度连续可调；茶帚倾斜角调节范围0°～45 °，茶帚对茶叶的压力范围为0～40 N.系统对炒锅温度进行实时采集，对炒茶电机的转速、转向以及压力进行变频控制.另外，PLC和变频器的运行彼此独立，保证了系统I/O点数需求，同时增加了系统的可靠性.该装置可适于各类茶叶的炒制.