一種炒青綠茶自動化生產線控制系統的製作方法
2023-11-02 18:15:17 3
專利名稱：一種炒青綠茶自動化生產線控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種炒青綠茶自動化生產線控制系統。
背景技術：
近年來，我國對農業的扶持力度愈來愈大，茶葉經濟在農業中的地位上升。然而，現階段的制茶行業仍處於落後階段，以傳統手工作業為主，制茶機械粗糙。在手工作業的茶葉加工中，工人勞動強度大，對工人技術經驗依賴強、能源利用率低，清潔衛生難以保證，粗糙的制茶機械容易帶來安全隱患，同時伴隨勞動力價格普遍上升，使得制茶規模難以擴大，成為制約茶葉經濟增長的關鍵。目前，國內開始出現一部分單機系統控制的茶葉生產加工機械，比以往手工作業為主的茶葉加工有所改良，但仍然沒有實現茶葉加工的自動化和連續化，且控制粗糙，對茶葉加工技術工人依賴過高，生產過程中參數控制缺乏準確性。·
因此，有必要設計一種炒青綠茶自動化生產線控制系統。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，該炒青綠茶自動化生產線控制系統採用分布式控制系統，自動化程度高。發明的技術解決方案如下一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，其特徵在於，包括上位機、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,數據採集與監控)伺服器和下位機系統；上位機通過乙太網連接SCADA伺服器；下位機系統均通過乙太網網絡交換機連接至SCADA伺服器；所述的下位機系統包括以下多個子系統鮮葉計量系統、殺青系統、風選系統、初揉系統、微波二青系統、復揉系統、微波三青系統、炒干係統、烘乾系統和打包系統。微波二青系統和微波三青系統。分別是第二次，第三次殺青系統。與前文的殺青系統的原理及結構均相同，設置三個殺青系統是工藝要求每一個子系統均設有中央處理器、傳感器單元、中繼單元和報警保護單元，傳感器單元、中繼單元和報警保護單元均與中央處理器連接；傳感器單元為稱重傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器、含水率檢測儀和用於檢測鮮葉是否存在的光電傳感器中的至少一種；中央處理器通過I/O 口控制中繼單元，再由中繼單元控制執行機構，所述的執行機構為繼電器和接觸器中的至少一種；報警保護單元為行程開關和接近開關中的至少一種。鮮葉計量系統包括計量室(25)和儲葉勻葉室(27)，計量室包含計量室出料皮帶
(26)和稱重傳感器，儲葉勻葉室中設有光電傳感器(29)、勻葉皮帶電機(28)和勻葉爪；勻葉皮帶速度在每次出料皮帶剛開始動作時按照以下公式調整Vnew= (VoldX V)/[G/ (T+T 『)];其中，Vnrat:本次出料皮帶出料開始時調整的勻葉皮帶運行速度；
Vold:上次勻葉室內鮮葉流出時勻葉皮帶電機的速度；這裡的速度單位為kg/小時，即後文的鮮葉的流速V:設定的鮮葉流速；G:從計量室進入勻葉室的鮮葉重量；T:出料皮帶上次出料結束到本次出料開始的時間T 『出料皮帶運動的固定時間。稱重傳感器設置在計量室中，茶葉經過計量室流到出料皮帶上。初揉系統和復揉系統採用相同的機械及控制設備；初揉系統或復揉系統包括加壓 電機、傳動絲杆、絲槓、磁感應式接近開關、揉桶和揉桶壓蓋；傳動絲杆呈豎直方向設置；力口壓電機驅動傳動絲杆旋轉；與揉桶壓杆相連的絲槓套裝在傳動絲杆上並沿傳動絲杆作升降運動；傳動絲杆頂端設有L形鐵片，鐵片以傳動絲杆為軸心作水平圓周運動，磁感應式接近開關固定在L形鐵片的運動軌跡外側。有益效果本發明的炒青綠茶自動化生產線控制系統，是針對炒青綠茶的一套全自動生產的控制系統和數據採集與監控系統(SCADA)。根據炒青綠茶製作工藝環節，設計包含鮮葉計量系統、殺青系統、風選系統、初揉系統、微波二青系統、復揉系統、微波三青系統、炒干係統、烘乾系統、打包系統等10個下位機系統，再將炒青綠茶製作的各個下位機系統以工業乙太網銜接起來，嚴格以生產工藝參數作為控制依據，從茶葉鮮葉開始，以及各個環節的脫水、冷卻及乾燥，直到成品茶葉結束，中間的整個過程無需人工幹預，由控制系統監管，實現炒青綠茶的全自動化生產。本發明能使得茶葉加工過程中茶葉加工均勻連續，能源利用率提高，生產的茶葉品質安全得到提升，對工人的依賴性減少，茶葉生產成本降低。本發明提供的炒青綠茶自動化生產線控制系統，在炒青綠茶製作過程中相比國內同行業目前水準，具有以下優點I、擺脫傳統手工作業制茶中的茶葉加工工人技術經驗對茶葉品質的關鍵影響，各個環節以準確的生產工藝參數作為控制依據，減少因工人的感官誤差給茶葉品質帶來的影響。2、炒青綠茶製作過程中，僅需三名工人參與，一位負責鮮葉進料，一位負責將打包後的成品茶葉移開，一位負責在控制中心監控各種信號燈以及現場巡迴，相對於傳統制茶工藝，對勞動力需求大大減少。3、生產過程更加連續。在茶葉生產過程中，經過某一工藝環節出來的半成品料必須在一定的時間內進入下一個工藝環節。然而，各個工藝環節的處理量並不一致，當前一環節的處理量過大，必然會出現等待，這影響生產速度，同時對茶葉品質造成影響，這都是傳統制茶和單機控制系統制茶難以很好解決的問題。通過速度控制模塊對部分設備進行調速，以及進料處的流量控制，本系統很好的保證了生產的連續性。4、更好的溫度保證。目前國內炒青綠茶的生產，熱源幾乎都是煤炭和柴火，煤炭以及柴火很難進行溫度的控制，尤其是保溫和迅速升溫。本系統通過溫度控制模塊，用流量可控的液化氣為燃料，通過控制燃氣配比的閥門調節實現小火與大火兩種燃燒方式，小火實現保溫，大火實現迅速升溫，在生產過程中程序通過溫度反饋實現大小火切換，實現溫度的準確控制。
5、更好的揉捻壓力控制。揉捻過程中，通過調整壓蓋位置實現揉捻過程中茶葉的揉捻壓力控制。6、通過「硬體急停」和「軟體急停」以及報警信號三重安全機制保證生產更安全進行。7、管理人員不需親臨生產現場，即可通過遠程監控及時了解生產狀況。
圖I是本發明的控制系統整體拓撲圖；圖2是本發明的殺青模塊下位機系統內部控制結構圖；圖3是本發明鮮葉計量系統實現流量控制算法硬體示意圖；圖4是本發明的揉捻系統實現壓力控制硬體示意圖。圖中1鮮葉計量系統、2殺青系統、3風選系統、4初揉系統、5微波_■青系統、6復揉系統、7微波三青系統、8炒干係統、9烘乾系統、10打包系統、11SCADA伺服器、12操作人員HMI人機界面、13現場控制中心、14生產管理計算機、15遠程監控計算機、16配電間、17燃氣站、18速度控制模塊、19溫度控制模塊、20處理器、21傳感器單元、22中繼單元、23報警保護單元、24存儲、25計量室、26計量室出料皮帶、27儲葉勻葉室、28勻葉皮帶、29光電傳感器(用於檢測計量室中的葉子是否流完)、30揉桶壓蓋、31絲槓、32傳動絲杆、33加壓電機、34L形鐵片、35磁感應式接近開關。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明實施例I :對炒青綠茶自動化生產線控制系統作以下介紹I、如圖I所示，以SCADA (數據採集與監控)伺服器為樞紐，包含分布式數據採集系統，過程監控與管理系統和數據通信網絡分布式數據採集系統，即下位機系統，由核心控制器、人機互動觸控螢幕、傳感器和控制中繼組成，負責採集現場設備信息，上傳到SCADA伺服器，並對現場設備進行直接控制。根據炒青綠茶製作工藝，設計包含鮮葉計量系統、殺青系統、風選系統、初揉系統、微波
二青系統、復揉系統、微波三青系統、炒干係統、烘乾系統、打包系統等10個下位機系統模塊。過程監控與管理系統，即上位機，上位機安裝有組態軟體，通過提取SCADA伺服器中的所有信息，查看生產線上包含傳感器狀態，設備屬性，生產過程工藝參數，設備安全日誌等參數，同時可以通過OPC方式實現對生產線上各下位機的總控功能。數據通信網絡，實現各下位機之間以及下位機與上位機的通信。SCADA伺服器內配有乙太網適配模塊，下位機通過乙太網網絡交換機連接至SCADA伺服器，上位機直接經過乙太網連接至SCADA伺服器。同時系統配備了基於Internet的遠程監控系統，用戶可以通過網際網路對上位機進行訪問，實現對生產的遠程監控。2、如圖2所示，下位機系統內部均含有統一的核心處理器，可以對現場設備進行直接控制。在下位機系統內，速度控制模塊與溫度控制模塊由Modbus總線連接至處理器；傳感器單元，中繼單元和報警保護單元通過直接I/o接口與處理器連接。傳感器包含稱重傳感器，溫度傳感器，含水率檢測儀，分別獲取重量，溫度，含水率信息，光電傳感器檢測是否有鮮葉存在。中繼單元是實現控制功能的主要設備，處理器通過I/o 口控制中繼單元，再由中繼單元控制相應設備如電機，電磁閥，中繼單元包含繼電器，接觸器等。報警保護單元通過傳感器、繼電器、行程開關或接近開關等狀態的改變向處理器反饋設備安全警報。傳感器單元、中繼單元和報警保護單元之間實現交互。下位機系統包括有HMI (人機互動觸摸品)和小容量存儲單元(4KB)，HMI方便用戶對設備進行操作與維護，處理器定時刷新小容量存儲單元，並保存當次生產過程參數及設備安全信息。3、上位機組態界面包含以下組成部分，系統模擬圖界面，本界面以全屏直觀的圖片方式顯示生產線的各設備運行工況和工藝參數； 數據總貌界面，本界面以表格方式顯示各設備的工礦數據；實時報警界面，本界面以「光子彈」伴隨蜂鳴器的形式顯示各設備的各種報警信息；事件記錄界面，本界面以表格的形式記錄各報警信息發生的時間以及當時的處理情況；歷史曲線界面，本界面對控制系統中的一些主要運行參數進行歷史曲線記錄。4、所述的整個控制系統中，鮮葉計量作為生產運行的原料入口環節，在鮮葉單機系統中，採取了流量控制算法，使生產過程中鮮葉均勻進入生產線；保證後續生產環節生產的連續性。如圖3所示，鮮葉計量系統由計量室25和儲葉勻葉室27實現，計量室包含計量室出料皮帶26，稱重傳感器，儲葉勻葉室中包含光電傳感器29、勻葉皮帶電機28和勻葉爪。首先，通過傳輸設備往計量室內輸入設定重量的鮮葉，當勻葉室內光電傳感器檢測不到鮮葉，計量室出料皮帶動作設定時間將設定重量的鮮葉投到勻葉室後停止，並開啟計時，直到下次光電傳感器檢測不到鮮葉計量室出料皮帶重新動作時計時停止出料時，計時停止。鮮葉在勻葉室內通過勻葉皮帶流出勻葉室，勻葉皮帶速度在每次出料皮帶剛開始動作時調整。G:從計量室進入勻葉室的鮮葉重量T:出料皮帶上次出料結束到本次出料開始的時間T 『出料皮帶運動的固定時間Vold:上次勻葉室內鮮葉流出時勻葉皮帶電機的速度V:設定的鮮葉流速Vnew:本次出料皮帶出料開始時調整的勻葉皮帶運行速度Vnew= (VoldXV)/[G/ (T+T 『)]5、初揉以及復揉系統通過精確定位加壓位置實現揉捻過程中的壓力控制。 如圖4所示，加壓電機33連接傳動絲杆32，揉桶壓蓋30通過絲槓31套在傳動絲杆上。在絲杆頂端伸出一塊L形鐵片(34)，鐵片以傳動絲杆為軸心做水平圓周運動，L形鐵片的運動軌跡外側放置一個磁感應式接近開關(35)。加壓電機動作實現揉桶壓蓋位置變化，通過磁感應式接近開關以及加壓電機運動方向實現揉桶壓蓋位置的計數，揉桶壓蓋位置的變化實現揉捻過程中茶葉所受壓力變化。6、過程監控與管理系統和SCADA伺服器組成控制中心過程監控與管理系統由生產管理計算機實現，SCADA伺服器與生產管理計算機通過乙太網相連。生產管理計算機即上位機，上面安裝有生產資料庫和組態軟體的伺服器端，裝有組態軟體客戶端的用戶可經授權實現對生成管理的遠程監控。生產時，上位機定時從SCADA伺服器中提取現場設備信息，生成各種組態畫面和報表以及設備安全日誌並保存在生產資料庫中。7、炒青綠茶自動化生產線控制系統採用集中和分散兩種控制方式。可以在控制中心通過上位機的生產資料庫一鍵導出相應原料生產所需參數並下載至各個單機系統存儲單元，實現集中控制；也可以通過單機系統自帶的HMI人機界面對生產參數進行設定，實現分散控制。8、所述的生產線控制系統上位機採用的是Windows XP系統通過組態軟體將生產管理信息以站點形式發布到windows本地IIS (internet信息服務)上,再以VPN技術經過固定IP或者動態域名方式發布到internet。Internet遠程監控計算機用戶經過授權,可·以對控制中心進行訪問。9、炒青綠茶自動化生產線控制系統設有「硬體急停」和「軟體急停」以及報警信號三重安全防護。硬體急停，在設備的動力電源迴路上串入急停開關，此開關能使設備停止動作。軟體急停，在控制程序中，將急停按鈕狀態串入控制迴路中，此狀態變化能使輸出控制指令清除，從而停止設備動作。報警信號，在關鍵設備的顯眼處，設置有報警指示燈，以及系統控制程序中，通過直接I/o接口獲取設備報警信息，在組態畫面以及HMI上顯示，必要時報警信息可以激活軟體急停。10、配電間和燃氣站通過智能儀表向SCADA伺服器上傳信息，便於生產管理軟體進行成本的統計。如圖I所示，本發明是一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，以SCADA伺服器為樞紐，包括分布式數據採集系統，過程監控與管理系統和數據通信網絡。根據炒青綠茶製作工藝，10個分布式數據採集系統包括鮮葉計量系統，殺青系統，風選系統，初揉系統，微波二青系統，復揉系統，微波三青系統，炒干係統，烘乾系統，打包系統。鮮葉計量系統作為整個控制系統的入口環節，實現鮮葉進料的流量控制，保證進料連續且符合後續制茶設備的處理能力。殺青工藝，利用高溫破壞鮮葉中酶活性，保持茶葉色澤，以及鮮葉脫水。在殺青過程中，通過大小火切換保證殺青過程中的溫度穩定。溫度，時間的控制是殺青工藝過程中相應下位機的主要控制對象。揉捻工藝利用茶葉揉捻過程，使芽葉成型，適度破壞葉細胞組織，讓茶汁外溢並附著於葉表面。初揉及復揉實現揉捻工藝，揉捻時間，揉捻速度，揉捻時茶葉所受壓力，是揉捻的主要控制對象。根據生產工藝，設定揉捻時間，並將揉捻過程分為不同步驟，在不同的步驟內，改變揉捻壓蓋的位置值，以及揉桶的轉速，使揉捻過程符合生產工藝要求。揉捻後，茶葉表面附著茶汁，茶葉水分也同時外溢，通過微波系統對茶葉進行進一步脫水。因微波的加熱是從內而外，能夠使得脫水均勻。乾燥工藝進一步脫去茶葉水分，並讓形成固定的色、香、味、形。炒干係統和烘乾系統實現乾燥工藝，先炒後烘利於做形和防止斷碎，乾燥時間，溫度是乾燥的控制對象。
打包系統先用冷卻風機將經過高溫乾燥後的茶葉進行迅速冷卻，然後裝袋。單機系統內處理器通過直接I/O接口與傳感器單元，中繼單元，報警保護單元相連；同時經Modbus總線，速度控制模塊和溫度控制模塊能夠與處理器連通。處理器通過I/O接口和Modbus總線進行設備信息的採集，同時處理器利用RS485接口與人機互動觸控螢幕通信，方便用戶對生產過程中的操作以及設備的檢修，實現分散控制；同時處理器通過乙太網連接至SCADA伺服器，將信息上傳至生產管理上位機，通過上位機可以實現生產的集中控制。下位機處理器在直接I/O接口和Modbus總線上獲得的設備狀態信息，通過程序運算，輸出控制命令，控制執行機構(如變頻器、接觸器、電磁閥等)執行相應的操作，完成控制任務。茶葉生產加工開始時，下位機系統處理器會在控制的初始步驟訪問小容量存儲單元並將其存儲的生產過程控制數據提取，作為本次生產過程的初始控制參數。在集中控制狀態下，生產操作人員在上位機的生產資料庫選擇相應的制茶品種，一鍵導出生產過程控 制參數下載至相應的下位機系統小容量存儲器中，在修改並確認生產過程控制參數後，可以通過自動按鈕進入自動生產狀態；在分散控制狀態下，對生產過程參數進行新配置將刷新小容量存儲單元內的過程控制參數信息，如不進行新配置，下位機系統小容量存儲單元內保存的是上次生產後的過程控制參數信息。在生產過程中，下位機處理器定時將當前生產過程控制參數傳入小容量存儲單元以覆蓋先前的。生產資料庫中記錄設備的狀態屬性，包含名稱，出廠日期，功率；制茶品種，包含春茶，秋茶，一芽一葉，一芽二葉等以及相應制茶品種對應的單機系統生產過程控制參數；生產成本，包含耗電量，耗氣量，耗水量，生產用時等；生產安全日誌，包含當次生產操作人員，生產日期，生產過程單機系統設備狀況等。自動運行時，下位機系統之間通過工業乙太網傳遞生產同步信息，使得茶葉生產按照工藝方案順暢進行。
權利要求
1.一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，其特徵在於，包括上位機、SCADA伺服器和下位機系統；上位機通過乙太網連接SCADA伺服器；下位機系統均通過乙太網網絡交換機連接至SCADA伺服器； 所述的下位機系統包括以下多個子系統鮮葉計量系統、殺青系統、風選系統、初揉系統、微波二青系統、復揉系統、微波三青系統、炒干係統、烘乾系統和打包系統。
2.根據權利要求I所述的炒青綠茶自動化生產線控制系統，其特徵在於，每一個子系統均設有中央處理器、傳感器單元、中繼單元和報警保護單元，傳感器單元、中繼單元和報警保護單元均與中央處理器連接；傳感器單元為稱重傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器、含水率檢測儀和用於檢測鮮葉是否存在的光電傳感器中的至少一種； 中央處理器通過I/O 口控制中繼單元，再由中繼單元控制執行機構，所述的執行機構為繼電器和接觸器中的至少一種；報警保護單元為行程開關和接近開關中的至少一種。
3.根據權利要求I所述的炒青綠茶自動化生產線控制系統，其特徵在於，鮮葉計量系統包括計量室(25)和儲葉勻葉室(27)，計量室包含計量室出料皮帶(26)和稱重傳感器，儲葉勻葉室中設有光電傳感器(29)、勻葉皮帶電機(28)和勻葉爪； 勻葉皮帶速度在每次出料皮帶剛開始動作時按照以下公式調整Vnew= (Vold X V)/[G/ (T+T 『)]; 其中，Vmw:本次出料皮帶出料開始時調整的勻葉皮帶運行速度； Vold:上次勻葉室內鮮葉流出時勻葉皮帶電機的速度； V設定的鮮葉流速； G:從計量室進入勻葉室的鮮葉重量； T:出料皮帶上次出料結束到本次出料開始的時間 T 『出料皮帶運動的固定時間。
4.根據權利要求1-3任一項所述的炒青綠茶自動化生產線控制系統，其特徵在於，初揉系統和復揉系統採用相同的機械及控制設備；初揉系統或復揉系統包括加壓電機、傳動絲杆、絲槓、磁感應式接近開關、揉桶和揉桶壓蓋；傳動絲杆呈豎直方向設置；加壓電機驅動傳動絲杆旋轉；與揉桶壓杆相連的絲槓套裝在傳動絲杆上並沿傳動絲杆作升降運動；傳動絲杆頂端設有L形鐵片，鐵片以傳動絲杆為軸心作水平圓周運動，磁感應式接近開關固定在L形鐵片的運動軌跡外側。
全文摘要
本發明公開了一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，包括上位機、SCADA伺服器和下位機系統；上位機通過乙太網連接SCADA伺服器；下位機系統均通過乙太網網絡交換機連接至SCADA伺服器；所述的下位機系統包括以下多個子系統鮮葉計量系統、殺青系統、風選系統、初揉系統、微波二青系統、復揉系統、微波三青系統、炒干係統、烘乾系統和打包系統。本發明的炒青綠茶自動化生產線控制系統，控制精確，自動化程度高。
文檔編號G05B19/418GK102880163SQ20121043050
公開日2013年1月16日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者湯哲, 陳華榮, 周強 申請人:中南大學