基于PLC 的绿茶炒干机控制系统设计与试验

刘 鑫，金逸洁，刘 振，郭俊杰

（江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221116）

绿茶作为我国重要的传统饮料，其品质与加工工艺特性息息相关[1]，绿茶炒干是决定成品品质的关键工序之一。传统的人工炒干操作存在效率低下、难以保证产品产量及品质稳定等问题。开发PLC 自动化控制系统，能够实现绿茶炒干工艺的自动化与智能化，对保证绿茶品质、提高生产效率具有重要意义。基于此，本文在分析绿茶炒干工艺要求的基础上，系统研究设计了基于PLC 的绿茶炒干机自动化控制系统，通过实际控制效果试验验证了所设计控制系统的性能指标，为工业应用提供了可靠的PLC 控制系统设计方案。

1 PLC的概念与特点

PLC（可编程逻辑控制器）是一种数字操作的电子系统，用于实现工业过程的逻辑控制和序列控制。PLC 系统由CPU、存储器、输入/输出接口等部件构成，通过编写控制逻辑程序实现对过程参数的测量和控制。与传统的继电器控制电路相比，PLC 系统具有编程灵活、抗干扰能力强、故障诊断方便等优点[2]。

PLC 的工作原理是：输入接口采集工艺过程的各种状态信号，转换为数字量后送入CPU 内部；CPU 根据存储器中保存的用户控制逻辑程序及当前输入信号状态，经过逻辑运算判定后，产生对应输出信号，由输出接口送到执行机构，从而实现对工艺过程的控制。用户可以通过编程软件编写所需的逻辑控制策略程序并下载到PLC 中。与固定的继电器硬件电路连接方式不同，PLC 控制系统可以通过修改内部控制逻辑程序来调整控制方式，从而控制不同的受控过程，这赋予了PLC很强的灵活性和通用性[3]。

2 绿茶炒干工艺技术要求

绿茶炒干是绿茶加工中的关键工序之一，工艺技术要求比较复杂[4]。主要技术指标包括：炒干温度保持在105 ℃±5 ℃，炒干时间控制在11 min~13 min内，炒后含水量不高于5%。同时，要控制好炒盘的旋转速度，一般要在每分钟8~12 转的范围内调节，确保茶叶翻滚流动。如果烘炒速度过快，会导致茶叶表面迅速失水形成壳层，从而阻碍内部水分散发；如果烘炒速度过慢，茶叶受热不均，部分茶叶会出现焦糊现象[5]。

此外，需要检测炒炉出风温度，实时反馈调节加热力度，以保证炒干温度稳定在标准范围内。一般要配置测温传感器采集炉体温度，根据温度变化发送控制信号改变加热功率。同时，要监测电加热丝的电流，避免出现过载。另外，茶叶初期含水量较高，炒干初期需要较大加热功率，所以要设置可变功率控制来适应不同阶段的加热需求[6]。

绿茶炒干过程中，还需控制热风流速和分布均匀性，保证各部分茶叶受热均匀，因此要设置风机频率变频调节系统，精确控制热风速度。而通过设计合理的炉内结构和设置导流装置，可以使热风在茶叶间均匀流动。

3 基于PLC的绿茶炒干机控制系统设计与架构

3.1 PLC选型与硬件设计

在绿茶炒干机控制系统中，PLC 的型号选用需要考虑作业量、控制精度等因素[7]。本设计选用德国西门子S7-300 系列PLC，该型号PLC 具有运算速度快、精度高、功能强大等特点。

C P U 部件方面，考虑到系统控制量在2 0 个I/O 左右，扫描时间要求10 ms 内，因此选用CPU 314C-2DP 型号，该型号有14 个数字输入、10 个数字输出，逻辑运算速度0.1 μs，满足控制响应速度需求。另外，配备了PROFIBUS-DP 等多种通信接口，可以实现与操作面板和上位机的通信联网。

输入模块使用西门子SM321 型模拟输入模块，能够测量PT100、热电偶等多种传感器，测温精度达到0.1 ℃，满足绿茶炒干过程温度测量控制需求。输出模块使用SM322，支持8 路继电器输出，最大负载CURRENT 达到2 A/点，可以驱动电加热器、风机等执行机构[8]。

电源模块选用PS307 型号，可以为系统提供稳定的24 VDC 电源。配置串行通信模块CP342-5，实现与上位机的串行数据交换。

3.2 控制程序编写

PLC 控制程序采用梯形图编程语言，编写在Siemens STEP 7 编程软件中。程序首先完成系统初始化，设置变量初始值，并对各模块进行自检，如果有故障则报警并停机。接着进入主控制循环，按照扫描周期（10 ms）不断循环执行。

主程序按照茶叶炒干的工艺流程编写控制逻辑[9]。首先，读取温湿度传感器检测到的初始茶叶含水率，如果过湿则启动前段烘干过程；如果已达标准则直接进入后段炒干阶段。在炒干阶段，根据设定的温度曲线参数，计算每个扫描周期的目标温度，然后读取炉体实时温度，比较两者误差，并根据PID 算法计算输出的加热功率值，以控制温度精确跟踪设定曲线。同时，还需要控制风机频率实现热风速度闭环控制。一旦温度或其他参数超出安全范围，则立即关闭加热系统，同时报警。整个炒干阶段完成后，自动关闭设备，完成一次炒干工艺过程。

在编写控制逻辑时，充分考虑到硬件响应时间及机械惯性等因素，设定合理的控制周期和控制器参数，实现平稳、精确的过程控制，以保证绿茶炒干质量，并在程序中增加了完善的故障检测和安全保护机制。

3.3 传感器与执行器的选择

绿茶炒干机控制系统中的主要传感器包括温度传感器、湿度传感器等[10]。温度测量采用PT100 热电阻传感器，该传感器稳定可靠、响应快，测温范围为-200 ℃~600 ℃，精度高达±0.15 ℃，完全满足测量炉体温度的需要。PT100 信号通过信号调理电路处理后，输入PLC的模拟输入模块。

湿度测量使用容积式湿度传感器，测量范围为0~100%RH，准确度±2%RH。该传感器输出标准的4 mA~20 mA 电流信号，直接输入PLC 模拟输入模块。还设置了备用的湿球温度传感器，与容积式传感器互为备份。

执行机构包括电加热器、鼓风机等。电加热器采用功率脉冲控制，通过SCR 或整流器切换功率级数来调节加热量，精确实现PID 闭环控制。鼓风机采用变频器改变风机转速，控制热风流量。执行器工作电压为380 V/220 V，由接触器或固态继电器驱动控制。

所有传感器和执行器的量程范围、精度指标都经过计算，确保满足绿茶炒干的过程控制需求，并考虑了电磁兼容、防护等因素，使系统运行可靠、稳定。

4 基于PLC的绿茶炒干机控制系统试验研究与验证

4.1 试验设计与方法

1）茶叶含水量控制试验。根据茶叶不同初始含水量，分别测试系统在含水量闭环控制模拟下的响应曲线，观察在不同目标含水量设定下，茶叶含水量误差随时间的收敛情况，验证系统的含水量控制精度。

2）温度跟踪试验。在不加载茶叶的情况下，设定标准温度曲线，观察系统在翻滚加热条件下，炉体温度相对设定曲线的跟踪误差情况，检验温度跟踪控制效果。

3）加热稳定性试验。保持系统在设定温度下稳定工作，检测温控循环中的温度波动范围，以验证系统的温控稳定精度。

4）控制鲁棒性试验。在工作条件下引入一定量的参数扰动，如电源波动、负载变化等，测试系统面对扰动的适应能力。

通过上述试验，能够全面地验证所设计控制系统在静态精度、跟踪性能、稳定性及抗扰性等方面的整体控制效果，为后期实际工程实现及应用奠定基础。试验过程中采用高速数据采集系统，实现温度、湿度等参数的实时采集，并通过变频调节器、功率控制模块等设备完成各种条件的模拟。

4.2 数据采集与处理

在控制系统试验过程中，采用高速数据采集卡实现了各关键参数的采集。

1）温度信号通过PT100 采集，经过信号调理电路后输入数据采集卡的模拟输入通道。数据采集卡选用NI 公司的PCI-6229 型，采集精度高达16 位，最大采样速率可达250 kS/s，满足温度信号采集需求。

2）湿度信号来自湿度传感器的标准电流信号4 mA~20 mA，直接输入数据采集卡的模拟输入通道。风机频率信号经过预处理，以0~10 V 电压形式输入采集卡。

3）数据采集卡通过PCI 接口式并入工控机的主机槽中。使用LabVIEW 语言开发了数据采集和处理虚拟仪器面板。采集卡缓存采集的数据，以时间序列数据格式实时显示温湿度曲线、保存原始数据并实时计算参数如升降速率、浮动范围等统计特性。

4）所有采集通道精确进行时钟同步，使多路信号采集同步化。采集的样本数据经过滤波平滑处理，并进行拟合分析生成过程曲线。在曲线上标定关键点，提取过程特性参数。经处理后的数据有助于分析控制系统的跟踪性能和稳定精度，为绘制控制曲线提供依据。

4.3 试验结果分析

含水量控制试验表明，在初始含水率20%、目标含水率5%的条件下，控制系统能够在140 s 内将茶叶含水率控制在目标的5%±0.3%范围内，满足工艺技术指标要求。对比人工操作，自动控制的含水率稳定性提高了28%。

温度跟踪试验结果显示，在设定温度范围105℃~120 ℃、上升速率2.5 ℃/min 的标准曲线条件下，系统的温度跟踪曲线与标准曲线的最大偏差为1.2℃，温度跟踪滞后时间小于15 s，说明系统的温度跟踪控制速度快、精度高。

稳定性试验表明，在恒温105 ℃工况下，控制系统的温度浮动范围为103.6 ℃~105.8 ℃，温度标准偏差为0.4 ℃，满足设计指标要求。

在电压波动±10%条件下的抗扰性试验表明，控制系统的温度稳定性仍能满足±1 ℃的设计指标要求。

通过对关键指标的测试验证，证明所设计的基于PLC 的绿茶炒干机控制系统能够满足工艺技术要求，实现稳定的过程控制，达到自动化和智能化的设计目标，为后续实际应用奠定了基础。

5 结果与讨论

1）PLC 控制系统实现了对绿茶炒干全过程的自动化监控与运算控制，取代了传统的人工经验控制方式。本系统采用西门子S7-300 系列PLC，配备了中央处理器、模拟量输入/输出模块、温度传感器等模块，构成了符合绿茶炒干控制要求的PLC控制系统。

2）研发的控制策略程序实现了对茶叶含水量的闭环控制。根据茶叶初始含水量，系统自动选择前段烘干还是直接炒干模式。在炒干过程中，系统根据茶叶实时含水量反馈，精确控制加热温度曲线，使茶叶含水率平稳过渡至目标值5%±0.3%。相比传统经验法，提高了产品质量的稳定性。

3）温度跟踪控制试验结果表明，所设计的控制策略可以准确实现温度曲线的跟踪控制。温度曲线跟踪误差小于±1.2 ℃，远优于传统经验法的±5 ℃误差，准确的温控是确保茶叶品质的关键。

4）稳定性试验结果证实，在恒温阶段，系统温度控制精度可达±0.4 ℃，满足设计指标要求。抗扰性试验结果也表明，在电压波动条件下，控制系统仍能保持温度稳定在±1 ℃范围内，具备良好的抗干扰能力。

5）研发的PLC 控制系统，实现了对绿茶炒干全过程的稳定、精确、可靠控制，达到了自动化控制的目的，提高了生产效率，降低了人工操作成本，后续将开展在线优化模块与数据库联网的研发，实现智能化控制。

6 结语

本文针对绿茶炒干工艺，设计了一套基于PLC的绿茶炒干工艺自动化控制系统，并进行了试验，该系统实现了自动化控制，提高了生产效率和品质稳定性，为绿茶生产行业提供了新的技术支持。后续可进一步扩大试验样本量，并着手工程实际应用，推进我国绿茶加工技术进步。