2024年5月12日发(作者：)
201
2年1月
农机化研究
第1期
炒青茶生产线自动控制系统的研究
一基于PLC与组态软件
徐惠敏
(衢州学院机械工程学院，浙江衢州324000)
摘要：针对我国制茶业机械化程度低、茶叶生产成本高，研发了一种新型的自动化炒青茶生产线。该生产线
充分利用PLC可靠性优、精度高、体积小和逻辑算术能力强等特点，实现了茶叶在杀青、揉捻、解块筛分和炒干等
工艺过程中的精确控制，有效提高了茶叶的生产效率与品质。基于MCGS组态软件设计的友好人机界面，可对生
产线的整个流程状态进行实时监控与数据采集，保证了茶叶生产的安全。
关键词：组态软件；PLC；炒青茶生产线；CCLink
中图分类号：TP273+．5文献标识码：A文章编号i1003-188X(2012)01-0199-04
0
引言
，
1
1．1
系统的工作原理与组成
系统的组成
炒青茶生产线主要用于绿茶加工，其生产工艺主
我国是茶叶的发源地，也是茶叶生产大国。茶叶
品种繁多，主要包括绿茶、红茶、黄茶、白茶、青茶和黑
茶等6大类。研究表明，茶叶中含有较高的矿物质、
氨基酸、茶多酚和维生素等多种营养成分，具有清心
明目、减肥美容、减少心血管疾病和延缓衰老等保健
要包括杀青一揉捻一解块筛选一初烘一瓶式炒干等。
以某茶叶产业发展中心定制的炒青茶生产线为例，该
生产线的主要设备如表1所示，生产线中除了与生产
工艺要求相关的设备之外，还大量应用了皮带运输
功效。因此，茶叶越来越受到人们的青睐，其消费量
也日益剧增。
机、提升机、网带输送机、自动皮带秤和摊凉平台等辅
助设施，确保了生产线的连贯、有序运行。其中，自动
皮带秤主要用于精确计量茶叶加工量，在整个控制系
目前，我国农业从事人员的大幅削减与劳动力密
集型产业间的矛盾13益凸显，茶叶的机械化生产已成
为该产业可持续发展的必然趋势。我国在茶叶机械
化加工技术的研究和产品的开发始于20世纪50年
统中起着至关重要的作用。
表l
Tab．1
炒青茶生产线主要设备
tea
代，至今已取得了丰硕成果；特别是90年代以来，开
发了多种适合不同茶叶品种的加工机械，涵盖扁形
茶、针形茶、毛峰茶等，对名优茶叶的发展起到了极大
的推动作用。然而，炒青绿茶作为我国产量最大的绿
Main
equipment
in
greenprocessing
line
茶产品，其加工机械化水平低，基本停留在单机制作
状态，茶叶的品质低，生产成本高。近几年，随着信息
与自动化技术发展，茶叶加工机械化水平也已逐渐进
入自动化控制阶段，采用PLC与组态软件对炒青茶生
产线进行合理控制，能够充分利用PLC的复杂运算处
理与逻辑分析能力，借助组态软件良好的界面监控功
能，有助于在缓解工作人员的劳动强度的同时有效提
升茶叶的品质和生产效率。
收稿日期：201l-08-16
基金项目：衢州市科技局项目(20091044)
mzjqz@126．eonl。
199
。
作者简介：徐惠敏(1975一)，女，浙江江山人，讲师，硕士，(E-mail)】【ll—
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农机化研究
第1期
该炒青茶生产线的整个生产工艺流程如图1所
示。首先，新鲜茶叶通过提升机送人电加热高温滚筒
杀青机中进行杀青，目的是使茶青受热后迅速升温，
迅速且彻底破坏鲜11r中酶的活性，适量散发水分的同
时也促进其内质变化，从而巩固甚至提升茶叶品质。
杀青结束后，将杀青叶送入网带冷却机和摊凉平台进
行冷却。冷却后的杀青叶进入揉捻机中揉捻，即运用
搓揉方法破坏茶叶的组织细胞，挤出茶汁，使茶叶面
积缩小卷成条形。通常．揉成条形的茶叶会结成团
块，通过振动解块后送人烘干机中进行初烘至茶叶含
水量大约35％左右，之后一层一层地放出烘青叶，经
网带输送机送人摊凉平台冷却回潮后，送人炒干机中
炒干并摊凉。最后，摊凉后的成品茶11r经过除尘送人
包装机中进行包装。
图1连续生产工艺流程图
Fig
1Continuous
production
tlow
chart
1
2炒青茶生产线的技术要求
为了提高茶叶生产效率、降低运行与维护成本，
一定的耦合关系，利用上位机PLC实现总控功能。上
位机与下位机PLC之间采用CClink开放式现场总线
实现通讯、设置和输人参数、报警显示等各种控制动
作。为了便于实时了解现场设备的运行情况，设置远
程监控计算机对现场设备进行监控。炒青茶生产线
控制系统的总体框架如图2所示。
炒青茶生产线系统需满足如下要求：
1)电加热滚筒杀青机要求根据杀青叶的情况，采
用红外测温传感器实时监测滚筒内的温度，对加热管
进行精确控制．实时调整加热时间，实现温度控制准
确，从而达到最佳的杀青效果；
2)揉捻机需要根据叶温与叶量，实时确定加压大
小、时间和次数，确保生产出外形和内质兼优的茶叶
产品；
“
j
一
3)炒干机根据炒制要求设定温度和炒制时间，以
保证茶叶的品质；
4)通过组态监控画面对整个生产过程进行实时
动态监控，可对事故隐患进行预警；
5)系统历史数据能够自动录入数据库中以供用
户查询和分析。
0
习
廊
]
殿
Fig
2
Contxol
system
fr
鹾㈣制引
2．2硬件的设计
往复平输机
。摊
L瓶式炒机一
2炒青茶生产线控制系统的设计
2．1总体设计
璺I
2炒青茶生产线控制系筑总体框架
amework
of
green
E”processing
line
炒青茶生产线包括杀青、出料、摊凉、揉捻、炒干
和茶叶称重等多个自动环节，控制监控系统主界面单
元、揉捻单元、解块单元、炒干单元和包装单元等5个
单元，每个单元都可以实现手动控制和自动控制。以
杀青单元为例，主要涉及提升机、电加热滚筒杀青机、
网带冷却输送机等，其控制要求主要有杀青机主电机
控制、风扇电机控制、电加热管控制、输送机电机的控
制和网带冷却电机的控制等。
根据整套生产线设计和控制要求，每个单元分别
采用独立的PLC实现控制功能，由于各个单元之间有
整个炒青茶生产线是一个非常复杂的自动控制
系统，系统涉及较多的模拟量和开关量，对上位机的
性能提出了较高的要求。本系统选用的三菱Q系列
大型PLC，采用模块化的结构形式，产品的组成与规
模灵活可变，其最大输入输出点数达到4
096点，最大
程序存储器容量可达252k步，采用扩展存储器后可
以达到32M。
下位机PLC的选择充分考虑了生产线机械部分
的特点，在满足功能要求的前提下，选择最可靠、维护
使用最便和性能价格比最优化的机型，保证系统的
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农机化研究
第l期
可靠性和安全性。因此，下位机PLC根据不同单元的
要求进行选择，如电加热滚筒杀青机采用三菱的FX
系列的小型PLC来实现控制。FX系列的小型PLC最
大输入输出点数达256点，可以满足生产要求。对有
模拟量控制要求的场合，如皮带秤的称重力、杀青机
温度、揉捻压力和瓶式炒干机温度等的控制则需要根
据采用相应的模拟量输人／输出模块。其中，热电偶
检测温度的输人可以采用热电偶专用的FX2N一4AD—
TC模拟量输入控制模块。
鉴于揉捻单元需要实时调节揉捻压力与速度，炒
干机与杀青机等也要求调节内筒旋转速度等，系统选
择三菱通用高性能变频器FR—A740实现调速功能，
因该变频器具有强大的网络通讯功能，支持Devi—
eeNet．Profibus—DP，Modbus等协议，能与三菱PLC进
行实时通讯，从而大大简化了机械机构和方便用户日
后升级生产线。
2．3软件的设计
炒青茶生产线的软件整体设计思路如图3所示。
在系统投入运行时，上位机Q系列PLC相当于总控单
元。当系统处于自动运行状态时，Q系列的PLC必须
通电，处于运行模式，同时确保每个下位机的PLC均
通电。当总线通讯正常时可以起动进入自动工作状
态。下位机PLC控制的子单元可以根据生产的具体
状态来选择手动程序或自动程序。
艺规程要求，分别设计了自动控制程序、手动监控程序
和各个单元的运行子程序等，为设备的调试和实际运
行提供了可靠的保障。
2．4
PLC与上位机的通讯
在整个控制系统中，上位机Q系列的PLC要实现
总体控制功能，必须与下位机之间建立可靠的通讯系
统。本系统采用三菱的CCLink(Control
cation
andCommuni—
link)现场总线技术，最高通信速度达到
10Mbit／s，能满足大量数据的通信要求，且主站(上位
机)与从站(下位机)之间的通讯距离可以长达
112kin。CCLink现场总线技术采用双绞线电缆作为
传输介质，最多可以挂64个从站，每617ms可以传送
2
048位I／O数据和512点16位数据，完全可以满足
系统控制要求。此外，CCLink现场总线具有自动更新
参数、自动屏蔽出错站等的人性化功能，为本系统的
设计和调试带来了极大的便利。
3组态界面的设计
炒青茶监控系统采用组态软件MCGS(Monitor
System)进行快速构造。MCGS
具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强等特
andControlGenerated
点，从设备驱动、数据采集到数据处理及流程控制、曲
线显示等方面都为工程问题提供了丰富多样的手段。
监控系统的主界面如图4所示。
t”0“一
日
+!
’
仕青茶生产娃豁跨最娃
图4监控系统主界面
Fig．4Monitoring
wskm
maininterface
圈3软件程序设计思路
F培3
Software
programdesign
ideas
监控计算机主要对杀青、揉捻、解块、炒干和包装
等5个单元进行实时监控，从而获得各单元的运行状
态数据、工艺数据、动画显示画面、报警输出、数据及
曲线图表等。监控系统同时建立用户运行策略，通过
下位机的软件设计采用三菱GX—Developer编程
软件编写程序并进行调试。GX—Developer编程软件可
以采用梯形图符号，指令语言及SFC符号来创建程序，
还可以在程序加入中文注释，同时能够实时监控PLC
运行时的动作状态和变化情况。根炒青茶的工
构件配置和属性设置动态操作，使系统能够按照设定
的顺序和条件操作实时数据库，实现动画窗口的任意
切换。例如，揉捻单元由6台揉捻机组成，在生产线
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上布置时，将3台揉捻机设为一组，两组揉捻机组并
行排列。其中，第1组揉捻机组的监控画面如图5所
示，各台揉捻机的进料和出料都能实现自动控制。
：t■自l。1t
。=。、，‘
u
短了系统故障检修时间，节省了检修费用。目前，该系
统已经投入生产使用，运营性能良好，有效缓解了劳动
力紧张的问题，同时也大幅降低了炒茶工人的劳动强
度，生产效率提高的同时茶叶的品质也得到了提高，提
高了制茶的经济效益。
=：、、j
此外，该生产线控制灵活方便，具有良好的稳定
性，且功能扩充便捷，当有生产不同品种的茶叶需求
时，茶叶的制作工艺发生较大的变化，系统因采用模块
化组装的形式，利用组态软件可在较短的时间内构成
新的控制系统。
参考文献：
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图5揉捻单元监控系统画面
Fig
5
2
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Roiling‰en
unit
monitoringsystem
3
4结论
炒青茶生产线采用三菱FX2N系列PLC作为各
个独立单元的控制器，充分利用了PLC的控制优点，
提高了制茶机械的自动化水平，有效提升了茶叶的生
产效率和品质。生产线利用组态软件设计的监控系
统使操作人员及时了解杀青、揉捻、炒干等各个工艺
环节设备的运行状态，降低了设备的损耗。另外，根
据监控系统记录的数据和生成的实时曲线，极大地缩
7
4
5
6
程玉明，赵祖光，赵红煜．名优绿茶清洁化流水生产线研
制[J]．中国茶叶加工．2010(2)：31—33
肖宏儒，朱志祥茶叶机械化加工装备技术发展趋势[J]．
农业装备技术，2005(6)：7-10
Study
on
Automatic
Control
System
inGreenTea
Processing
LineBased
on
are
Programmable
Logic
Controllerand
Configuration
Softw
XtlHuimin
echanical
Engineering，Q
(College
ofM
uzhouUniversity，Quzhou324000，China)
Abstract：According
to
thelowlevelofmechanizationand
high
tea
cost
of
tea
production
inChinese
use
tea
industry，a
new
au—
tomated
production
linefor
green
or
as
developed．It
processing
w
makesfullofPLC’s
advantages，including
superi-
etic
ability．Precise
controlof
w
reliability，hishprecision，small
size
and
logical
arithm
ater—removing，twisting，block
and
sifting，androasting
in
tea
—separatingprocessing
is
achieved，whicheffectivelyimproves
on
the
efficiency
and
quality
MCGS
configuration
soft—
status
in
tea
an-machineinterfacebased
production．Meanwhile，with
the
help
ofthe
friendly
m
tea
ware，the
security
of
data
acquisition
over
e
production
is
also
greatlyincreased，which
is
responsible
forthereal-tim
monitoring
and
the
whole
production
line．
tea
Keywords：configuration
software；PLC；green
CLink
processing
line；C
202
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