一种炒青绿茶自动化生产线控制系统

摘要

本发明公开了一种炒青绿茶自动化生产线控制系统，包括上位机、SCADA服务器和下位机系统；上位机通过以太网连接SCADA服务器；下位机系统均通过以太网网络交换机连接至SCADA服务器；所述的下位机系统包括以下多个子系统：鲜叶计量系统、杀青系统、风选系统、初揉系统、微波二青系统、复揉系统、微波三青系统、炒干系统、烘干系统和打包系统。本发明的炒青绿茶自动化生产线控制系统，控制精确，自动化程度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种炒青绿茶自动化生产线控制系统。

背景技术

近年来，我国对农业的扶持力度愈来愈大，茶叶经济在农业中的地位上升。 然而，现阶段的制茶行业仍处于落后阶段，以传统手工作业为主，制茶机械粗糙。 在手工作业的茶叶加工中，工人劳动强度大，对工人技术经验依赖强、能源利用 率低，清洁卫生难以保证，粗糙的制茶机械容易带来安全隐患，同时伴随劳动力 价格普遍上升，使得制茶规模难以扩大，成为制约茶叶经济增长的关键。目前， 国内开始出现一部分单机系统控制的茶叶生产加工机械，比以往手工作业为主的 茶叶加工有所改良，但仍然没有实现茶叶加工的自动化和连续化，且控制粗糙， 对茶叶加工技术工人依赖过高，生产过程中参数控制缺乏准确性。

因此，有必要设计一种炒青绿茶自动化生产线控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种炒青绿茶自动化生产线控制系统，该 炒青绿茶自动化生产线控制系统采用分布式控制系统，自动化程度高。

发明的技术解决方案如下：

一种炒青绿茶自动化生产线控制系统，其特征在于，包括上位机、SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监控）服务器和下 位机系统；上位机通过以太网连接SCADA服务器；下位机系统均通过以太网网络 交换机连接至SCADA服务器；

所述的下位机系统包括以下多个子系统：鲜叶计量系统、杀青系统、风选系 统、初揉系统、微波二青系统、复揉系统、微波三青系统、炒干系统、烘干系统 和打包系统。【微波二青系统和微波三青系统。分别是第二次，第三次杀青系统。 与前文的杀青系统的原理及结构均相同，设置三个杀青系统是工艺要求】

每一个子系统均设有中央处理器、传感器单元、中继单元和报警保护单元， 传感器单元、中继单元和报警保护单元均与中央处理器连接；传感器单元为称重 传感器、转速传感器、温度传感器、含水率检测仪和用于检测鲜叶是否存在的光 电传感器中的至少一种；

中央处理器通过I/O口控制中继单元，再由中继单元控制执行机构，所述的 执行机构为继电器和接触器中的至少一种；报警保护单元为行程开关和接近 开关中的至少一种。

鲜叶计量系统包括计量室(25)和储叶匀叶室(27)，计量室包含计量室出料皮 带(26)和称重传感器，储叶匀叶室中设有光电传感器(29)、匀叶皮带电机(28) 和匀叶爪；

匀叶皮带速度在每次出料皮带刚开始动作时按照以下公式调整：

V_new=(V_old×V)/[G/（T+T‘)]；

其中，V_new:本次出料皮带出料开始时调整的匀叶皮带运行速度；

V_old:上次匀叶室内鲜叶流出时匀叶皮带电机的速度；【这里的速度单位为kg/ 小时，即后文的鲜叶的流速】

V:设定的鲜叶流速；

G:从计量室进入匀叶室的鲜叶重量；

T:出料皮带上次出料结束到本次出料开始的时间

T‘:出料皮带运动的固定时间。

【称重传感器设置在计量室中，茶叶经过计量室流到出料皮带上。】

初揉系统和复揉系统采用相同的机械及控制设备；初揉系统或复揉系统包 括加压电机、传动丝杆、丝杠、磁感应式接近开关、揉桶和揉桶压盖；传动丝杆 呈竖直方向设置；加压电机驱动传动丝杆旋转；与揉桶压杆相连的丝杠套装在传 动丝杆上并沿传动丝杆作升降运动；传动丝杆顶端设有L形铁片，铁片以传动丝 杆为轴心作水平圆周运动，磁感应式接近开关固定在L形铁片的运动轨迹外侧。

有益效果：

本发明的炒青绿茶自动化生产线控制系统，是针对炒青绿茶的一套全自动生 产的控制系统和数据采集与监控系统(SCADA)。根据炒青绿茶制作工艺环节，设 计包含鲜叶计量系统、杀青系统、风选系统、初揉系统、微波二青系统、复揉系 统、微波三青系统、炒干系统、烘干系统、打包系统等10个下位机系统，再将 炒青绿茶制作的各个下位机系统以工业以太网衔接起来，严格以生产工艺参数作 为控制依据，从茶叶鲜叶开始，以及各个环节的脱水、冷却及干燥，直到成品茶 叶结束，中间的整个过程无需人工干预，由控制系统监管，实现炒青绿茶的全自 动化生产。本发明能使得茶叶加工过程中茶叶加工均匀连续，能源利用率提高， 生产的茶叶品质安全得到提升，对工人的依赖性减少，茶叶生产成本降低。

本发明提供的炒青绿茶自动化生产线控制系统，在炒青绿茶制作过程中相比 国内同行业目前水准，具有以下优点：

1、摆脱传统手工作业制茶中的茶叶加工工人技术经验对茶叶品质的关键影 响，各个环节以准确的生产工艺参数作为控制依据，减少因工人的感官误差给茶 叶品质带来的影响。

2、炒青绿茶制作过程中，仅需三名工人参与，一位负责鲜叶进料，一位负 责将打包后的成品茶叶移开，一位负责在控制中心监控各种信号灯以及现场巡 回，相对于传统制茶工艺，对劳动力需求大大减少。

3、生产过程更加连续。在茶叶生产过程中，经过某一工艺环节出来的半成 品料必须在一定的时间内进入下一个工艺环节。然而，各个工艺环节的处理量并 不一致，当前一环节的处理量过大，必然会出现等待，这影响生产速度，同时对 茶叶品质造成影响，这都是传统制茶和单机控制系统制茶难以很好解决的问题。 通过速度控制模块对部分设备进行调速，以及进料处的流量控制，本系统很好的 保证了生产的连续性。

4、更好的温度保证。目前国内炒青绿茶的生产，热源几乎都是煤炭和柴火， 煤炭以及柴火很难进行温度的控制，尤其是保温和迅速升温。本系统通过温度控 制模块，用流量可控的液化气为燃料，通过控制燃气配比的阀门调节实现小火与 大火两种燃烧方式，小火实现保温，大火实现迅速升温，在生产过程中程序通过 温度反馈实现大小火切换，实现温度的准确控制。

5、更好的揉捻压力控制。揉捻过程中，通过调整压盖位置实现揉捻过程中 茶叶的揉捻压力控制。

6、通过“硬件急停”和“软件急停”以及报警信号三重安全机制保证生产 更安全进行。

7、管理人员不需亲临生产现场，即可通过远程监控及时了解生产状况。

附图说明

图1是本发明的控制系统整体拓扑图；

图2是本发明的杀青模块下位机系统内部控制结构图；

图3是本发明鲜叶计量系统实现流量控制算法硬件示意图；

图4是本发明的揉捻系统实现压力控制硬件示意图。

图中：1鲜叶计量系统、2杀青系统、3风选系统、4初揉系统、5微波二青 系统、6复揉系统、7微波三青系统、8炒干系统、9烘干系统、10打包系统、 11SCADA服务器、12操作人员HMI人机界面、13现场控制中心、14生产管理计 算机、15远程监控计算机、16配电间、17燃气站、18速度控制模块、19温度 控制模块、20处理器、21传感器单元、22中继单元、23报警保护单元、24存 储、25计量室、26计量室出料皮带、27储叶匀叶室、28匀叶皮带、29光电传 感器（用于检测计量室中的叶子是否流完）、30揉桶压盖、31丝杠、32传动丝 杆、33加压电机、34L形铁片、35磁感应式接近开关。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

对炒青绿茶自动化生产线控制系统作以下介绍：

1、如图1所示，以SCADA（数据采集与监控）服务器为枢纽，包含分布式 数据采集系统，过程监控与管理系统和数据通信网络：

分布式数据采集系统，即下位机系统，由核心控制器、人机交互触摸屏、传 感器和控制中继组成，负责采集现场设备信息，上传到SCADA服务器，并对现场 设备进行直接控制。根据炒青绿茶制作工艺，设计包含鲜叶计量系统、杀青系统、 风选系统、初揉系统、微波二青系统、复揉系统、微波三青系统、炒干系统、烘 干系统、打包系统等10个下位机系统模块。

过程监控与管理系统，即上位机，上位机安装有组态软件，通过提取SCADA 服务器中的所有信息，查看生产线上包含传感器状态，设备属性，生产过程工艺 参数，设备安全日志等参数，同时可以通过OPC方式实现对生产线上各下位机的 总控功能。

数据通信网络，实现各下位机之间以及下位机与上位机的通信。SCADA服务 器内配有以太网适配模块，下位机通过以太网网络交换机连接至SCADA服务器， 上位机直接经过以太网连接至SCADA服务器。同时系统配备了基于Internet的 远程监控系统，用户可以通过互联网对上位机进行访问，实现对生产的远程监控。

2、如图2所示，下位机系统内部均含有统一的核心处理器，可以对现场设 备进行直接控制。在下位机系统内，速度控制模块与温度控制模块由Modbus总 线连接至处理器；传感器单元，中继单元和报警保护单元通过直接I/O接口与处 理器连接。传感器包含称重传感器，温度传感器，含水率检测仪，分别获取重量， 温度，含水率信息，光电传感器检测是否有鲜叶存在。中继单元是实现控制功能 的主要设备，处理器通过I/O口控制中继单元，再由中继单元控制相应设备如电 机，电磁阀，中继单元包含继电器，接触器等。报警保护单元通过传感器、继电 器、行程开关或接近开关等状态的改变向处理器反馈设备安全警报。传感器单元、 中继单元和报警保护单元之间实现交互。

下位机系统包括有HMI（人机交互触摸品）和小容量存储单元（4KB），HMI 方便用户对设备进行操作与维护，处理器定时刷新小容量存储单元，并保存当次 生产过程参数及设备安全信息。

3、上位机组态界面包含以下组成部分，

系统模拟图界面，本界面以全屏直观的图片方式显示生产线的各设备运行工 况和工艺参数；

数据总貌界面，本界面以表格方式显示各设备的工矿数据；

实时报警界面，本界面以“光子弹”伴随蜂鸣器的形式显示各设备的各种报 警信息；

事件记录界面，本界面以表格的形式记录各报警信息发生的时间以及当时的 处理情况；

历史曲线界面，本界面对控制系统中的一些主要运行参数进行历史曲线记 录。

4、所述的整个控制系统中，鲜叶计量作为生产运行的原料入口环节，在鲜 叶单机系统中，采取了流量控制算法，使生产过程中鲜叶均匀进入生产线；保证 后续生产环节生产的连续性。

如图3所示，鲜叶计量系统由计量室25和储叶匀叶室27实现，计量室包含 计量室出料皮带26，称重传感器，储叶匀叶室中包含光电传感器29、匀叶皮带 电机28和匀叶爪。首先，通过传输设备往计量室内输入设定重量的鲜叶，当匀 叶室内光电传感器检测不到鲜叶，计量室出料皮带动作设定时间将设定重量的鲜 叶投到匀叶室后停止，并开启计时，直到下次光电传感器检测不到鲜叶计量室出 料皮带重新动作时计时停止出料时，计时停止。鲜叶在匀叶室内通过匀叶皮带流 出匀叶室，匀叶皮带速度在每次出料皮带刚开始动作时调整。

G:从计量室进入匀叶室的鲜叶重量

T:出料皮带上次出料结束到本次出料开始的时间

T‘:出料皮带运动的固定时间

V_old:上次匀叶室内鲜叶流出时匀叶皮带电机的速度

V:设定的鲜叶流速

V_new:本次出料皮带出料开始时调整的匀叶皮带运行速度

V_new=(V_old×V)/[G/（T+T‘)]

5、初揉以及复揉系统通过精确定位加压位置实现揉捻过程中的压力控制。

如图4所示，加压电机33连接传动丝杆32，揉桶压盖30通过丝杠31套在 传动丝杆上。在丝杆顶端伸出一块L形铁片(34)，铁片以传动丝杆为轴心做水平 圆周运动，L形铁片的运动轨迹外侧放置一个磁感应式接近开关(35)。加压电机 动作实现揉桶压盖位置变化，通过磁感应式接近开关以及加压电机运动方向实现 揉桶压盖位置的计数，揉桶压盖位置的变化实现揉捻过程中茶叶所受压力变化。

6、过程监控与管理系统和SCADA服务器组成控制中心：过程监控与管理系 统由生产管理计算机实现，SCADA服务器与生产管理计算机通过以太网相连。生 产管理计算机即上位机，上面安装有生产数据库和组态软件的服务器端，装有组 态软件客户端的用户可经授权实现对生成管理的远程监控。生产时，上位机定时 从SCADA服务器中提取现场设备信息，生成各种组态画面和报表以及设备安全日 志并保存在生产数据库中。

7、炒青绿茶自动化生产线控制系统采用集中和分散两种控制方式。可以在 控制中心通过上位机的生产数据库一键导出相应原料生产所需参数并下载至各 个单机系统存储单元，实现集中控制；也可以通过单机系统自带的HMI人机界面 对生产参数进行设定，实现分散控制。

8、所述的生产线控制系统上位机采用的是Windows XP系统通过组态软件将 生产管理信息以站点形式发布到windows本地IIS（internet信息服务）上，再 以VPN技术经过固定IP或者动态域名方式发布到internet。Internet远程监控 计算机用户经过授权，可以对控制中心进行访问。

9、炒青绿茶自动化生产线控制系统设有“硬件急停”和“软件急停”以及 报警信号三重安全防护。硬件急停，在设备的动力电源回路上串入急停开关，此 开关能使设备停止动作。软件急停，在控制程序中，将急停按钮状态串入控制回 路中，此状态变化能使输出控制指令清除，从而停止设备动作。报警信号，在关 键设备的显眼处，设置有报警指示灯，以及系统控制程序中，通过直接I/O接口 获取设备报警信息，在组态画面以及HMI上显示，必要时报警信息可以激活软件 急停。

10、配电间和燃气站通过智能仪表向SCADA服务器上传信息，便于生产管理 软件进行成本的统计。

如图1所示，本发明是一种炒青绿茶自动化生产线控制系统，以SCADA服务 器为枢纽，包括分布式数据采集系统，过程监控与管理系统和数据通信网络。根 据炒青绿茶制作工艺，10个分布式数据采集系统包括鲜叶计量系统，杀青系统， 风选系统，初揉系统，微波二青系统，复揉系统，微波三青系统，炒干系统，烘 干系统，打包系统。

鲜叶计量系统作为整个控制系统的入口环节，实现鲜叶进料的流量控制，保 证进料连续且符合后续制茶设备的处理能力。

杀青工艺，利用高温破坏鲜叶中酶活性，保持茶叶色泽，以及鲜叶脱水。在 杀青过程中，通过大小火切换保证杀青过程中的温度稳定。温度，时间的控制是 杀青工艺过程中相应下位机的主要控制对象。

揉捻工艺利用茶叶揉捻过程，使芽叶成型，适度破坏叶细胞组织，让茶汁外 溢并附着于叶表面。初揉及复揉实现揉捻工艺，揉捻时间，揉捻速度，揉捻时茶 叶所受压力，是揉捻的主要控制对象。根据生产工艺，设定揉捻时间，并将揉捻 过程分为不同步骤，在不同的步骤内，改变揉捻压盖的位置值，以及揉桶的转速， 使揉捻过程符合生产工艺要求。

揉捻后，茶叶表面附着茶汁，茶叶水分也同时外溢，通过微波系统对茶叶进 行进一步脱水。因微波的加热是从内而外，能够使得脱水均匀。

干燥工艺进一步脱去茶叶水分，并让形成固定的色、香、味、形。炒干系统 和烘干系统实现干燥工艺，先炒后烘利于做形和防止断碎，干燥时间，温度是干 燥的控制对象。

打包系统先用冷却风机将经过高温干燥后的茶叶进行迅速冷却，然后装袋。

单机系统内处理器通过直接I/O接口与传感器单元，中继单元，报警保护单 元相连；同时经Modbus总线，速度控制模块和温度控制模块能够与处理器连通。 处理器通过I/O接口和Modbus总线进行设备信息的采集，同时处理器利用RS485 接口与人机交互触摸屏通信，方便用户对生产过程中的操作以及设备的检修，实 现分散控制；同时处理器通过以太网连接至SCADA服务器，将信息上传至生产管 理上位机，通过上位机可以实现生产的集中控制。下位机处理器在直接I/O接口 和Modbus总线上获得的设备状态信息，通过程序运算，输出控制命令，控制执 行机构(如变频器、接触器、电磁阀等)执行相应的操作，完成控制任务。

茶叶生产加工开始时，下位机系统处理器会在控制的初始步骤访问小容量存 储单元并将其存储的生产过程控制数据提取，作为本次生产过程的初始控制参 数。在集中控制状态下，生产操作人员在上位机的生产数据库选择相应的制茶品 种，一键导出生产过程控制参数下载至相应的下位机系统小容量存储器中，在修 改并确认生产过程控制参数后，可以通过自动按钮进入自动生产状态；在分散控 制状态下，对生产过程参数进行新配置将刷新小容量存储单元内的过程控制参数 信息，如不进行新配置，下位机系统小容量存储单元内保存的是上次生产后的过 程控制参数信息。在生产过程中，下位机处理器定时将当前生产过程控制参数传 入小容量存储单元以覆盖先前的。

生产数据库中记录：设备的状态属性，包含名称，出厂日期，功率；制茶品 种，包含春茶，秋茶，一芽一叶，一芽二叶等以及相应制茶品种对应的单机系统 生产过程控制参数；生产成本，包含耗电量，耗气量，耗水量，生产用时等；生 产安全日志，包含当次生产操作人员，生产日期，生产过程单机系统设备状况等。

自动运行时，下位机系统之间通过工业以太网传递生产同步信息，使得茶叶 生产按照工艺方案顺畅进行。