基于plc在普洱茶发酵车间的应用分析与研究

计算机科学技术论文：基于PLC在普洱茶发酵车间的应用分析与研究摘要多数中小普洱茶厂在传统自然发酵过程中存在靠经验判断、卫生程度差、品质不稳定及劳动强度大等问题,用现代科学的分析检测方法探寻普洱茶发酵的规律,为普洱茶发酵过程的标准化、规范化、自动化提供示范。普洱茶发酵自动化设备由PLC主控设备、传感器(温湿度传感器)、变送器、计算机处理系统(人机界面显示)、智能化加温和加湿设备等构成,其特征在于将PLC控制及检测技术与普洱茶渥堆发酵工艺相结合,通过控制柜中的PLC连接普洱茶发酵现场的传感器,利用传感器检测发酵箱中普洱茶的温度湿度,通过信号线反馈到PLC控制系统上,对箱体内普洱茶发酵变化过程实时监控,采集数据传输给PLC主控设备和计算机处理系统,由计算机进行处理,实现普洱茶发酵的数字化控制;调整温度湿度达到普洱茶最佳发酵环境。关键词普洱茶;PLC;发酵;应用分析;研究目前,普洱茶发酵生产基本上采用传统的渥堆方式,依靠环境微生物自然感染进行,受季节和环境条件的影响很大,参与发酵的微生物种类不明、杂菌多、发酵过程不稳定,难以控制与规范,导致产品质量不稳定,难以实现规范化生产[1]。普洱茶加工过程中环境因素(温度、湿度、空气、pH值等)的自动控制及检测对品质形成的影响是基础性科学问题,为安全、优质普洱茶生产提供重要理论依据。该研究的目的是突破普洱茶发酵的一些传统方法的瓶颈,利用自动检测及自动控制系统,对发酵车间影响普洱茶品质形成的车间内环境、渥堆内温湿度、环境空气流通交换等参数实时自动监测、采集分析和数据处理,结合化学分析和品质鉴定,寻求他们相互间的变化规律,建立数学模型,不断调整及优化普洱茶发酵过程中的相关参数,为普洱茶发酵过程中有益微生物的生长创造适宜的外部和内部环境条件。实现普洱茶发酵过程的定向可控,缩短普洱茶发酵周期,为实现云南普洱茶清洁化、规模化及自动化生产提供技术支撑。研究结果将提升普洱茶产业效益,为行业规范化生产提供理论依据,从而实现以科技创新为动力的普洱茶产业,对确保普洱茶产业健康持续发展具有十分重要的意义。1控制检测设备技术路线1.1检测控制整体布局系统终端与监控中心利用现有的PLC控制和现场总线技术,挂接按控制要求安放的各种传感器,并控制执行设备。其余部分安装于发酵车间,整个装置构成一组PLC分布式I/O结构,PLC主站与模块型I/O从站之间的通信通过现场总线完成。系统主站接收主站控制面板命令和2号从站传感器数据,对这些数据进行分析、判断、运算,点亮主站指示灯并向1号从站发出控制指令。采用西门子S7-300可编程控制器的中央处理单元,配以2块数字量输入模块和1块数字量输出模块,共同组成系统主站。2块数字量输入模块用以接收从控制面板发送来的各种手动信号,数字量输出模块用来给控制面板上的指示灯和各种显示屏提供直流24V电压。系统主站与主站控制面板安装于主控制台,主控制台置于监控室内[2-5]。其构建路线如图1所示。1.2电器控制系统的建模电阻R、电感L和电容器C是电路中的3个基本组件,常见的基本电路有无源网络电路和有源网络电路,其数学模型的建立主要是依据电路的基本定律。图2为RLC无源网络电路。设输入端电压ui(t)为系统的输入量,电容器C两端电压uo(t)为系统的输出量,L为电路中所有电感元件的等效电感,R为电路中的等效电阻,C为电路中的等效电容。根据基尔霍夫定律可写出微分方程设定模拟信号输入(A/D)部分4个信道的工作模式,每各信道各有4种模式,可独立设定。出厂设定值为H0000。CR#2-CR#5:内容值用来设定进行拉氏变换,可得出传递函数:1.3PLCI/O模块驱动程序的设计普通工业计算机的外围设备不包括I/O模块,它其实是属于PLC的一部分,如果要使普通工业计算机与这些模块进行通讯,就必须设计软件来模拟这些模块与PLC的CPU模块进行通讯。由此设计驱动程序(图4),其中(1)是输入模块驱动程序框图,(2)是输出模块驱动程序框图,(3)是输入模块驱动程序框图,(4)是输出模块驱动程序框图[6-7]。2模拟量转换2.1模拟模块的设置模拟输入/输出混合模块包括可接受外部4点输入(电压或电流),将其转化为12位数字信号。将输出部分接收的主机2组12位数字信号转换为两路模拟输出(电压或电流),有49个16位控制寄存器CR(ControlledRegister),可以通过主机PLC通讯读写模块内的数据,输入/输出(电压或电流)及其量程均可通过控制寄存器设置,只有设置正确模拟模块才能正常工作,CR#1:b0-bl1内容值用来信道CHI~CH4讯号的平均次数设定,可设定范围K1~K4096。CR#12~CR#15:内容值为信道OHI~CH4输入信号现在值显示~CR#16、CR#17、CR#28、CR#29保留。2.2调整A/D、D/A转换特性曲线由于工业现场传感器种类繁多,信号传输方式和量程也有多种标准,作为DVP-06×A为通用模拟量模块,在使用前必须对控制寄存器进行编程,也就是调整特性曲线[8]。模式0:增益=5V(1000LSB)、偏置=0V(0LSB)。模式1:增益=6V(1200LSB)、偏置=2V(400LSB)。增益是当数字输出值为1000时的电压输入值。设定范围:-4~+20V(-800~+4000LSB)。偏置是当数字输出值为0时的电压输入值。设定范围-5~+5V(-1000~+1000LSB)。增益~偏置的范围需在+1~+15V(+200~+3000LSB)。模式2:增益=20mA(1000LSB)、偏置=4mA(200LSB)。模式3:增益=20mA(1000LSB)、偏置=0mA(0LSB)。对于该系统采用变送器为4~20mA,所以编程为模式2,增益=20mA(1000LSB)、偏置=4mA(200LSB)[9]。具体输入调整特性曲线见图5。调系统输出控制信号,所以输出曲线也要调整,输出编程为模式0:增益=5V(2000LSS)、偏置=0V(0LSB)。模式1:增益=6V(2400LSS)、偏置=2V(800LSS)。增益是当数字输入值为K2000时的电压输出值,设定范围-4~+20V。偏置是当数字输入值为K0时的电压输出值。模式2:增益=12mA(2400LSB)、偏置=4mA(800LSS)。模式3:增益=10mA(2000LSB)、偏置=0mA(0LSB)。该系统控制空调控制系统需要0~10V,所以编程为模式0。具体调整特性曲线见图6[10]。3实时测量和数据处理按规定要求,将硬件设备前后顺序连接好之前先分段检查并调试它们能正常工作。例如传感器的热端应放在测试点上放大器调零,A/D转换器口地址内容能写入和读出,输入采集数据的程序,输入5V以下的直流信号(先去除传感器和放大器)给A/D并连续变化检查A/D转换器、主机和微打系统能否正常工作。然后再查传感器信号被放大的情况。建立系统工作的数学模型,其原因是传感器产品性能的分散性,随着时间的推移和使用条件的不同,其性能也会有变化,再加上整个系统连接以后,当把来自传感器的信号视为输入,打印结果作为输出时,也会有试验误差。根据进行的测量经过BASIC统计处理程序(图7)的处理,达到极显著的水平,数学模型:T=A+B×D+C×D2(2)式中,T表示温湿度,A、B和C都表示常系数都有特定数值,D表示打印输出数字量[11]。4结语把该控制设备应运到普洱茶发酵过程,利用传感器监测车间环境温度、车间环境湿度、茶叶温度和茶叶含水率,通过PLC将检测到的数据反馈到工用计算机上,把普洱茶放在不同的温度、湿度、pH值的环境中发酵,最终得出最佳的发酵数据,利用这套控制设备对发酵过程实现自动监测、自动控制检测、数据采集、整理、比较分析及改进,对所生产的普洱茶进行科学鉴定,确保最佳品质标准的普洱茶。参考文献[1]周红杰,李家华,甘月明,等.普洱茶渥堆过程化学成分变化与品质形成的关系[J].茶苑,2004(1):6-8.[2]王毅斌,郭海林.PLC在供水控制系统中的应用[J].科技情报开发与经济,2003(8):152-153.[3]詹素华,王君儒.PLC在热泵自动控制系统中的应用[J].集美大学学报:自然科学版,2001(3):233-237.[4]张元义,赵庆生.一种改进的PID控制方法[J].太原理工大学学报,1991(3):97-100[5]徐春风,王庭有.基于PIC单片机的谷物容重测量系统设计[J].机电产品开发与创新,2007(5):117-118.[6]陈梅,杨琳琳,李鑫,等.直流调速系统的模糊/PID速度控制器设计[J].电气传动自动化,2008(2):31-33.[7]梁学贤.抗生素发酵过程计算机控制技术新发展[J].中国医药技术与市场,2002(6):29-31.[8]吴小花,曹薇,陈吉芳.提高A/D转换速度的方法[J].机电产品开发与创新,2004(3):68-70.[9]马春华.基于PLC的温湿度采集显示系统[J].工业控制计算机,2006,19(8):29-30.[10]季香云,蒋杰贤,曾爱平,等.温度对甜菜夜蛾染病幼虫存活和取食量的影响[J].华中农业大学学报,2005(2):147-149.[11]李广新.计算机在茶叶制造上应用的设计[J].茶业通报,1985(6):36-38.