可编程控制技术在普洱茶渥堆生产自动化中的应用

闻　娜，刘成伟，王　涛（河北机电职业技术学院电气工程系，河北邢台054000）



可编程控制技术在普洱茶渥堆生产自动化中的应用

闻娜，刘成伟，王涛
（河北机电职业技术学院电气工程系，河北邢台054000）

摘要：本设计旨在建立一种基于PLC技术的自动化普洱茶渥堆生产装置，该装置共分为三个个功能模块：电路模块、数据处理模块、附件模块。电路模块的电源对待测普洱茶样品进行有效照射，光纤探头将透过普洱茶样品的发酵信息进行聚集，然后通过光纤传递给光纤探头将透过普洱茶样品的发酵信息进行收集，并通过光纤传递给数据处理模块的发酵仪。发酵仪准确、有效、实时的获取通过光纤传递过来的普洱茶样品发酵信息，将其转换成数字信号，送入微处理器进行处理、计算和分析，从而完成对待测普洱茶样品发酵程度的预测，并在触摸显示屏上进行结果显示，实现普洱茶渥堆的生产。

关键词：PLC；普洱茶渥堆；生产自动化

闻娜（1981-），女，大学本科，讲师，研究方向：自动控制。

刘成伟（1981-），男，满族，大学本科，讲师，研究方向：电气自动化。

王涛（1981-），男，大学本科，讲师，研究方向：建筑电气。

普洱茶因其特殊的品质和功效，近几年普洱茶的消费群体不断增加，同时也增加了消费者对普洱茶质量的要求。随着计算机应用技术及网络的迅速发展，企业在管理及生产过程中更需要有信息化的管理来提高企业整体的经济效益。PLC技术简单来说就是将一切生产、经营业务进行数字化管理，利用现代化科技手段将生产模块的发展信息更新，从而为人们提供最新的信息，使人们充分的了解企业发展的动态业务，从而为企业做出科学的生产流水提供依据，合理的配置有限的资源。普洱企业实现自动化生产的过程是比较复杂的，要将计算机应用技术和网络技术有机的结合，才能有效的提高自动化生产效率和水平，从而提高茶叶企业的经济效益和竞争力。

1　普洱茶渥堆生产中自动化技术及研究现状

渥堆生产技术是指利用渥堆生产设备记录物体辐射或反射的渥堆能量分布状态，并将其转换成平面可见图像（即茶发酵图）的技术。茶发酵图可反映物体表面的温度场信息，普洱茶渥堆生产就是建立在温度场基础上的一种生产方法，根据缺陷位置温度场的变化，可方便获得物体表面的缺陷信息。与传统无损生产方法相比，它具有非接触生产、响应速度快、生产面积广、直观、实时等特点。根据是否需要外部热源渥堆生产，渥堆生产技术可分为无源普洱茶渥堆生产（被动式渥堆生产）和有源普洱茶渥堆生产（自动化渥堆生产）两大类。任何物质在绝对零度（-273℃）以上都不断地向周围发射载有物体特征信息的渥堆辐射，被动式渥堆生产技术通过对被测件发射的渥堆辐射进行分析，实现被测件状态特征的智能判断。自动化普洱茶渥堆生产基于热传导理论，它利用外部热渥堆生产作用在物体上引起的温度场的变化，采用热像仪记录茶发酵图，并对其进行温度分析和图像处理，由此达到生产目的。当物体处于热平衡状态时或物体与外界温度相差不大的情况下，渥堆热像仪很难获得物体表面的温度场信息，这种情况下应选用自动化普洱茶渥堆生产方法，利用外界渥堆生产对物体进行加热，使物体有缺陷区域与无缺陷区域有足够的温差。由于被动式普洱茶渥堆生产的这种局限性，使得自动化渥堆生产发展迅速，各种各样的主动热渥堆生产方式也随之出现。普洱茶渥堆生产热渥堆生产方式包括光热渥堆生产（闪光灯、激光）、声振渥堆生产（超声波、机械振动）、电磁渥堆生产。

1.1闪光灯渥堆生产是利用大功率闪光灯发射出的热能对试件进行加热

然而，闪光灯所产生的温度场呈球面辐射状，均匀性较差，而渥堆生产源的均匀性则是光热辐射普洱茶渥堆生产中必须重点考虑的因素之一。为此，杨小林对影响光热辐射均匀性的因素进行了分析，通过研究闪光灯的个数和排布，一定程度上改善了渥堆生产源加热的均匀性，然而这种光源分布不均的问题，仍会影响普洱茶渥堆生产的生产效果，而且这种光源优化的方法过于复杂，不利于现场操作。

1.2激光渥堆生产是利用激光器发射出的激光对试件局部进行热渥堆生产

激光具有方向性强、能量集中的特点，这同样也会导致加热不均匀的问题。G.N.Kervalishvili利用Nd:YAG激光器对试件裂纹局部进行热渥堆生产，研究其激光渥堆生产的热传导模型。研究结果表明激光光斑与裂纹的距离对试件表面的热分布有较大的影响。在对试件进行激光渥堆生产时，由于激光的方向性强、能量集中，将导致加热不均匀，这将会影响普洱茶渥堆生产效果。

1.3超声普洱茶渥堆生产则是利用超声波渥堆生产试件，试件内部吸收耦合超声能量产生热

徐维超验证了超声渥堆生产技术的生产能力，文中提到试件与探头之间的压力对于超声渥堆生产结果有一定的影响。超声生产时，耦合剂是必须使用的，且试件表面需处理得光滑平整，这在一定程度上限制了超声渥堆生产的运用场合。另外，超声生产时渥堆生产源必须与物体直接接触，且两者之间的耦合程度对生产结果影响较大，这大大缩小了超声普洱茶渥堆生产的生产范围。另外，生产时需要校准渥堆生产装置，这增加了现场生产的工作量。

1.4振动渥堆生产是利用特定的振动渥堆生产源促使物体内部产生机械振动

由于热弹效应和滞后效应，弹性波的传播使缺陷部位因声能衰减而产生热，最终引起物体局部温度升高。杨小林利用振动普洱茶渥堆生产法对飞机疲劳裂纹自然损伤件的微裂纹进行生产，结果表明，该技术能很好地应用在金属的裂纹生产领域。但文章在设计生产系统的时候，提到要将振动渥堆生产源与试件紧密接触，显然，这一要求使得振动渥堆生产很难在现场生产中得以进一步推广。

2　PLC在普洱茶渥堆生产自动化系统中的设计与实现

2.1电源选型

电源的选择对于自动化普洱茶渥堆PLC生产装置至关重要，直接影响着装置的生产精度和稳定性。电源在包含普洱茶样品特征峰的波长区必须要有足够的发光强度及稳定性，电源的发光强度及稳定性也直接影响着生产装置的信噪比；电源的发光波长范围决定着生产装置的生产波长范围，近渥堆生产仪器中常采用卤素灯或钨灯作为电源，它们的发酵范围能够覆盖整个PLC区域，具有发光强度高，性能稳定性好，以及寿命长等优点。

本装置中发酵仪的PLC区域为300-1000nm，普洱茶样品在其中的500-1000nm区域内具有明显的特征峰。欧司朗公司生产的HALOSPOT-111系列卤素灯发酵覆盖范围为350-1700nm，并且在500-1000nm的发酵区域内，具有足够的发光强度和较高的稳定性，完全可以满足生产要求。所以，在本装置设计中选择欧司朗公司生产的HALOSPOT-111系列卤素灯作为电源。

2.2电路布置

电路布置是根据生产方式确定的。本装置采用透射方式对普洱茶进行发酵程度生产，所以装置的电路布置是根据透射方式进行设计的。电源采用两盏欧司朗卤素灯（12V，100W，型号：41850sp）两边对称布置方式。卤素灯灯杯两端对称钻有两个直径为3mm孔，并且在灯支架上钻有宽度为3mm的滑槽，卤素灯通过直径为3mm的螺栓固定在灯支架上。灯支架通过螺栓固定在底板的滑槽上，而底板通过螺栓固定在仪器的箱壁上。

在这种结构设计下，可以通过调节电源的照射角度，或是改变电源在灯支架滑槽中的位置，从而调节光照高度，达到生产不同种类普洱茶和不同大小普洱茶的目的。同时对于有核普洱茶，也可通过调整角度和距离避免果核对生产结果的影响。通过改变灯支架在底板滑槽中的位置，可以改变电源照在普洱茶上强度的大小，从而可以生产不同果皮厚度及不同大小的普洱茶。被生产普洱茶放置在橡胶材质的普洱茶托盘上面，这样既可以起到固定普洱茶的作用，又可以提高密封性能，减小沿普洱茶表面产生的衍射光对生产结果的影响。光纤前段加装光纤探头（74-UV，Ocean Optical Co.，Ltd.），以增强收集到的透过普洱茶样品的发酵信息，然后发酵信息经光纤传递给光纤发酵仪（USB4000或USB2000＋，OceanOptical Co.，Ltd.），完成发酵信息向数字信息的转化，并输送给微处理器进行数据的处理。至此，就完成了采集普洱茶发酵信息的电路模块的设计。

2.3数据处理模块

该部分主要包括微处理器、软件系统和触摸显示屏组成。微处理器采用的是华硕公司生产的，型号为PCM-9361的电脑主板。它具有体积小，低功耗，处理数据能力相对较快，符合装置要求。软件系统采用发酵仪自带的发酵采集软件SpectraSuite，其主要作用是将微型光纤发酵仪传递过来的关于样品的发酵信息，转换成方便数据处理的文档格式，同时在触摸显示屏上进行发酵的显示。可根据不同实验的需要，在软件上对发酵仪进行相关参数设置，包括积分时间设置、平滑度设置和平均次数设置等。此外，软件系统还具有数据存储、触发方式选择及数据打印等基本功能。触摸显示屏的作用是对装置的软件进行操作，以及对被测样品的发酵信息及生产结果进行显示。

2.4附件模块

为提高普洱茶渥堆的生产精度和稳定性，装置的供电电源采用性能较好的12V锂电池给电源和微处理器供电。此外，附件部分还包括仪器箱体、起支撑作用的底板和微处理器支架以及起固定作用的螺栓、螺母等，其中箱体设计要做到结构紧凑和外形美观等要求。

3　结　语

现阶段，在生产自动化设备的控制系统设计过程中，对生产自动化设备的运行效率造成了负面影响，为了满足市场对电气工程智能化的巨大需求，本文针对普洱茶渥堆发酵生产当中存在的问题，设计了自动生产与控制系统，该系统利用PLC及各种生产与控制设备为下位机，以PC机和WINCC为上位机，对普洱茶发酵过程中的温度、湿度、pH值等相关数据进行实时采集与存储。

参考文献

[1]吴晓强，黄云战，周红杰，赵永洁.PLC在普洱茶渥堆生产自动化中的应用[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版). 2012(03)

[2]赵永洁，黄云战，周红杰，吴晓强.普洱茶发酵车间测控系统的设计与实现[J].食品与机械. 2012(02)

[3]杨小林，杜来林，冯立春.红外热成像检测中的主动加热方法研究[J].激光与红外，2007，37(11)

[4] G. N. Kervalishvili et al.，Contrib. Plasma Phys. 48，32 (2008).

[5]徐维超.超声红外热波无损检测技术应用于裂纹检测的研究[D].北京:首都师范大学，2008

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