基于云端控制的普洱茶发酵系统研究

闫洪猛

（德州职业技术学院电气工程系，山东德州 253034）

0 引言

普洱茶具有降低血脂、减肥、抑菌助消化、暖胃、生津、止渴、醒酒解毒等多种功效。自有“雾锁千树茶，云开万壑葱。香飘十里外，味酽一杯中”，道出了古老而神奇的普洱茶文化。据调查，现在的普洱茶在储存的过程中主要靠自然发酵，没有成熟的储存发酵设备。

国内及国外针对普洱茶发酵设备的研究起步较晚，普洱茶发酵设备的规范化、自动化、产业化等程度低。目前，普洱茶的发酵生产过程，绝大多数采用传统的人工渥堆方式，其主要是依靠周围环境中的微生物自然发酵进行。而传统小作坊式的自然发酵，不可避免存在卫生条件差、品质上不同批次不一样、工人劳动强度大、生产率低下等问题，严重影响着普洱茶整个产业健康、可持续、稳定的发展。可见，普洱茶发酵设备自动化的研究对云南普洱茶清洁化、产业化及自动化生产具有非常重要的意义。为此设计基于云端控制的普洱茶发酵控制系统，来实现普洱茶发酵过程自动化、洁净化。

1 结构设计

1.1 硬件部分

1.1.1 机械部分

（1）框架：采用的是亚克力板组建而成，保证设备的美观，结紧凑结实用。

（2）按钮：开始和急停按钮位于设备的一侧，便于一键启动和停止。

（3）万向轮：万向轮滑轮在底部，便于设备移动。

（4）加温装置：在设备一侧，使用风机驱动热风，近距离传递热量。

（5）加湿装置：采用常温增湿水汽设备，使水汽全方位包裹普洱。

（6）除湿降温装置：采用轴流风扇将发酵装置中温度和湿度抽出，与室外空气进行热湿交换，以达到平衡。

（7）网络装置：采用智能网关实现远程控制、智能分析等。

1.2 电气部分

1.2.1 PLC控制器

该系统采用的PLC为S7-1200作为主控制器，它是西门子公司出品的一款紧凑型、模块化的小型PLC，可实现逻辑控制、数据处理、与HMI连接和网络通信等功能，因此它是单机小型自动化系统的完美解决方案。对于设备中需要网络通信功能和单屏或多屏HMI的自动化场景，它也便于设计和实施。另外，它支持小型运动控制、过程控制等高级应用功能。它还集成Profinet/Ethernet端口不需要专用编程电缆和以太网扩展模块，减少安装空间和成本。

1.2.2 物联网云盒子

随着万物互联概念的不断深入，各种物联网络应用遍地开花。与此同时，物联网云盒子也将成为连接的重要纽带。在设备控制的现场，物联网云盒子数据处理单元完成控制器与数据中心的远程通信，为客户提供远程维护的通道，便于用户远程监控、远程调试、远程维护以及建设大规模远程管理设备的信息化网络，同时可以为设备制造商、系统集成商以及终端客户提供完整的设备远程维护管理解决方案。

1.2.3 温湿度传感器

温湿度传感器是一种装有湿敏和热敏元件、能够用来测量温度和湿度的传感器装置，有的带有现场显示，有的不带有现场显示。温湿度传感器由于体积小，性能稳定等特点，被广泛应用在生产生活的各个领域。设计中采用的西门子S7-1200PLC中集成了模拟量0～10 V输入功能，为此选用带0～10 V模拟量输入信号的温湿度传感器。

1.2.4 触摸屏

在设计中为便于调试、现场手动操作和数据查看，选用昆仑通态带以太网通信口的触摸屏TPC7062TI。

2 工作过程

该项目运用人工智能技术，将多次实验数据输入到人工智能算法进行模型训练，测算出最佳的加速发酵数据作为运行参数数据。根据这些温湿度等工艺数据，利用控制系统将普洱茶的发酵空间调整到利于普洱茶发酵的温湿度，并且根据普洱茶菌群发酵周期，不间断的实现普洱茶的发酵，提高普洱茶的发酵效率。

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

设计根据需求，IO分配如表1所示。

表1 PLC IO分配

3.1.1 主程序设计

主程序包括模拟量处理、手动运行、自动运行三部分。

3.1.2 模拟量处理

模块采用将温湿度传感器采集到的温湿度数据以0～10 V电压值，发送给PLC模拟量IW64（湿度）、IW66（温度）根据比例转换为0～27 648的值，并利用标准化指令NORM_X将转换值缩放到0.0～1.0。再利用缩放指令SCALE_X，将转换值变换为实际的温湿度值。模拟量处理程序如图1所示。

图1 模拟量处理程序

3.1.3 手动运行

手动启动程序采用一键启停设计思路：按下加湿按键，加湿器启动工作，同时运行指示绿灯亮；再次按下加湿健，加湿器停止工作，运行指示灯绿灯灭。

3.1.4 自动运行

自动运行采用步进方式进行：第一步，为避免出现水汽凝结现象，先对普洱茶发酵空间进行加热；第二步，加热到设定温度后，再启动加湿器对普洱茶发酵空间进行加湿处理；第三步，温湿度达到设定值后，控制系统进行温湿度自动保持；第四步，连续发酵时间到以后，为避免出现水汽凝结，设备先进行除湿，普洱茶发酵空间湿度达到与室内外湿度一致时，再进行降温处理。按照普洱茶菌群发酵规律设定，循环发酵次数，如此往复循环处理，直到达到预想的发酵效果和口感。程序中温湿度的上限和下限，发酵时间等都可以通过触摸屏及云端进行设置。

3.2 云端设计

为方便云端监控和操作，采用的物联网云盒子需输入用户名和密码登陆取得权限以后才能进行数据监控和手动操作控制。同时设定温湿度实时曲线和历史曲线图及报表功能，用以记录普洱茶发酵过程的动态数据，方便后续进行分析及处理。

4 结束语

经过多次实验验证，该设计具有以下优势：

（1）提高普洱茶发酵效率。利用人工智能算法模型训练出的工艺数据，提高普洱茶的发酵效率。普洱茶发酵一个月，相当于自然储存一年。

（2）实现了云端手自动控制。采用“云网端一体化”，利用物联网云平台，采集各种工程数据，在利用人工智能算法等新一代信息技术，对工程中采集的大量监测数据进行分析、研判，测算出最佳的工程运行参数。实现多种手段全方位立体监测融合，各类源数据时空上统一，各项监测业务互联共享，达到“云上控、地上控、网上管”等全方位立体监管体系，对故障诊断预警，实现运维过程中的精准管理。推动茶叶发酵与保存向智能化、科学化、自动化发展。

（3）多维度操控方式。按钮手动操控方式、触摸屏操控方式、基于云端的手机操控方式、基于云端的上位机操控方式，适合各类不同背景人群。可以在室内工作也可以在室外工作，可以适应多种复杂的工作环境，操作性适应性强。