本科机械制造及其自动化毕业设计_图文

1、目录第一章 绪论 . 1 1.1引言 . 1 1.2课题来源 . 1 1.3本文主要工作 . 2 第二章 揉捻加工分析及自动控制总体方案确定 . 3 2.1揉捻 . 3 2.2茶叶揉捻加工基本原理 . 3 2.2.1叶子的物理性能对揉捻的重要性分析 . 3 2.2.2揉捻叶使其成条的过程 . 5 2.2.3揉捻技术要求与分析 . 6 2.2.4揉捻的技术措施 . 8 2.2.5揉捻工段质量审评 . 10 2.2.6揉捻技术与形质变化 . 10 2.3茶叶揉捻设备 . 11 2.3.1茶叶揉捻机的分类 . 11 2.4揉捻机自动控制系统总体方案 . 12 2.4.1茶叶揉捻加工工艺 . 12 2

2、.4.2揉捻机自动控制系统总体方案设计 . 14 第三章 茶叶揉捻机自动控制系统的硬件实现 . 16 3.1茶叶揉捻机自动控制系统的硬件概况 . 16 3.2触摸屏选择 . 17 3.3下位机 . 17 3.3.1 CPU选型 . 18 3.3.2 I/0地址分配 . 19 3.3.3 PLC总接线图 . 21 3.4调速系统 . 22 3.4.1. 变频器的选型 . 22 3.5压力控制系统 . 23 第四章 软件设计与实现 . 24 4.1下位机软件设计 . 24 4.2.1软件开发的环境 . 24 4.2.3寄存器地址的分配 . 25 4.2.4 PLC程序的设计 . 28 第五章 结束

3、语 . 43 参考文献 . 44 第一章 绪论1.1引言我国是茶叶的故乡,具有悠久的茶叶种植、加工历史,形成了各具特色的六大茶类 加工艺。茶叶加工机械经过长期的探索、发展,机械化程度大大提高,红 (碎 茶加工已 基本实现机械化;炒青绿茶加工机械较完整、配套;珠茶加工,由于 60年代珠茶炒干机 的出现,极大地降低了劳动强度和提高了生产能力,茶机有力地促进了茶叶生产的迅速 发展。近年来我国在制茶机械自动控制方面也有所突破, 如以继电器为基础控制元件的自 动控制技术在匀堆拼配设备中应用;机电控制系统在揉捻机上的应用; 1987年通过部级 鉴定的“计算机控制茶叶烘干机”及在乌龙茶做青工艺中的应用;电脑

4、控制型龙井茶炒 制机的研制成功等, 圆这些研究成果对我国茶叶机械的自动化和连续化必将起到推动作 用。我国制茶机械化作业技术虽然取得了长足的发展,但制茶机械的自动化和连 续化程度仍然较低, ,与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距。食品工业生 产技术的发展过程大体要经历五个阶段,即机械化阶段、初级自动化阶段、自动 控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段 (无人化阶段 。目前国内食品加工技术 已处于第四阶段,国外茶叶加工己进人第三、第四阶段,如日本蒸青茶生产线和 英国 C 丁 C 生产线。而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段,个别单机或生产线 处于第二阶段,与国外相比尚存在巨大的差距。1.2课题来

5、源目前,世界产茶发达国家茶叶机械化生产发展速度很快,尤其是日本、印度、斯里 兰卡等国家。我国南方产茶发达省份制茶也基本上实现了机械化,但是,在自动化水平 与国外同类装备相比还存在较大的差异。近年来,绿茶加工的鲜叶摊放、杀青、冷却和干燥等工序在一定程度上实现了连续 化流水作业,唯有杀青后的揉捻间歇作业如何实现连续化仍在探索中。浙江省和安徽省 分别就揉捻机技术进行了攻关,取得了一些成果,但揉捻机的自动化及适应性水平却不 甚理想,揉捻质量也不稳定,制约着茶叶加工机械化、连续化流水作业的发展 。 1994年 8月,中央决定,在“九五”期间,国家安排专款用于引进国际先农业科 学技术,每年实施一批项目。引

6、进技术所需用于消化、吸收和推广的经,中央单位承担 的项目由中央财政解决,地方单位承担的项目由地方财政配套。就是 948项目。最近, 国务院再次决定,在“十一五”期间,中央财政每年投资 2亿元,继续执行“ 948”计 划。由中国农业科学院茶叶研究所承担的农业部 948滚动项目 茶叶标准化生产键技术 引进、消化与创新研究于 2006年正式启动。该项目称 :“我国的茶加工技术水平与装 备多年以来没有重大改进,总体上还处于传统农副产品初级工,加工的机械化、自动化 程度低,质量管理与品质控制仅凭人工经验和常规审评与理化检验来保证,与全程清洁 化生产、机械化加工和自动化控制的世界进水平差距甚远。针对我国不

7、同茶叶生产过程 的特色和上述主要问题, 引进一世界先进水平的种植和加工技术、 理念、 设备和装置等, 在消化吸收的基础上,合必要的创新研究,整合过去几十年来提出的成熟技术成果,力 求改善加工设的自动化和智能化程度,提升加工的工艺水平,提出我国绿茶 (名优绿茶、 大绿茶 、 CTC 红茶和乌龙茶的标准化加工工艺参数, 研制出茶叶加工关键设备自动控制 装置和生产线自动控制系统,研制出茶叶加工智能化专家咨询系统。 ”本课题是该滚动 项目的一部分,其技术目标是实现 6CR 一 55型茶叶揉捻机的作压力、时间、转速的自 动控制。1.3本文主要工作本课题的主要研究内容包括 :1.从理论上深入分析茶叶揉捻原

8、理, 并制定适合茶叶揉捻机自动控制加工的茶叶加 工工艺 ;2.根据原有 6CR 一 55型茶叶揉捻机的结构特点,制定出相应的茶叶揉捻机自动控制 系统总体设计方案 ;3.设计开发适合实际作业需要的软件系统 ;4. 对改造完成的 6CR 一 55型茶叶揉捻机自动控制系统的运行情况进行测试,对其结 果进行分析,并根据结果修改软件和工艺参数。 第二章 揉捻加工分析及自动控制总体方案确定2.1揉捻揉捻是制茶重要的加工工序。其作用主要是破坏茶叶细胞、揉出茶汁,使冲泡的 茶水滋味浓烈醇厚,并使茶叶初步成形。因此,揉捻是影响茶叶外形质量的主要工序, 也是奠定茶叶耐泡度的关键环节。(1揉捻目的通过揉捻,卷起茶条

9、,初步形成条索,缩小体积,为成茶的美观外形奠定基础 ; 同 时,适当破坏杀青叶的叶细胞组织,部分茶汁流出附于茶条表面,使成茶冲泡时茶汁较 容易泡出。(2揉捻方法和技术绿茶加工中的揉捻作业,有手工揉捻和机械揉捻两种揉捻方法。目前除一些名优绿 茶加工尚少量保留手工揉捻外,绝大多数己实现机械化作业。2.2茶叶揉捻加工基本原理目前,茶叶的揉捻原理基本相同,均是让杀青(或萎凋叶团在揉桶中做匀速平行 圆周运动,受到揉桶、压盖、揉盘、棱骨及叶团自身的多方向力的复合作用,使其沿各 自叶片主脉搓揉成紧结圆浑的条索状,同时将叶细胞破碎。揉捻是初步做形,除了白茶 类和绿、黄茶中有些不要揉捻外,一般在制茶过程中都有揉

10、捻工序。鲜叶直接揉捻是不 能成条的。因其物理性能硬、脆。揉捻是力的作用,如果用力不当,也不能成条。下面 将着重阐述这两个问题。2.2.1叶子的物理性能对揉捻的重要性分析揉捻的作用就是是揉捻力作用于叶子使之变形从而达到破坏茶叶细胞、揉出茶汁, 使冲泡的茶水滋味浓烈醇厚,并使茶叶初步成形。而揉捻质量首先决定于揉捻叶的物理性能。要求揉捻叶柔软性好,受力容易变形。 韧性好, 受力变形而不折断。 可塑性好, 受力变形后不容易恢复原来形状。 还有粘性好, 与可塑性直接相关。揉捻叶水分含量与叶子物理性能,如柔软性、韧性、可塑性、粘性呈一曲线关系。 鲜叶水分多,细胞膨胀,这四种物理性能都较差。一般含水量为 5

11、0%的时候叶子的物理 性能最好,否则增加或减少都会使叶子的物理性能变差。揉捻叶的叶温与叶子的物理性能也有一定的相关性。叶温高,内含物质的分子结构 松懈,叶子的柔软性、韧性和可塑性都增强。特别是老叶纤维素含量多,柔软性和可塑 性较差。 叶温高对老叶的这些物理性能的增大显著。 所以质量较老的叶子多采用 “热揉” 。 热揉的叶温较高,叶子内含物的变化是很激烈的。制红茶,揉捻开始, “发酵”作 用开始。揉捻叶温度直接影响“发酵”作用,影响制茶品质。制绿茶、黑茶、黄茶、青 茶等茶类热揉的化学变化,实质是湿热作用。湿热作用对绿茶品质不利。热揉对制绿茶 有利外形,不利内质。制绿茶应用热揉技术,要具体情况具体

12、分析。一般热揉要与短揉 相配合。揉捻方法,除了一些著名绿茶采用手揉外,大部分的是采用机揉。机揉设备的装叶 量依揉桶的大小而异,由几十斤到一百多斤不等,为手揉量的几十倍到几百倍。机揉比 手揉工效大为提高。 揉捻时间, 手工 5一 IOmin , 而机揉要 20一 l00min 。 一般装叶量越多, 揉时越长。从最长揉时算,机揉比手揉多 10倍。机揉叶量多,揉捻时间长,散热比手揉 慢 (水分的散失也较手揉少 。机揉的揉捻叶的化学变化比手揉多。假如热揉用于手揉并 不影响到茶叶的色香味品质,而用于机揉,茶叶色香味品质就要改变。所以用于绿茶的 揉捻机,揉桶不宜太大。叶子的嫩度不同,不仅是内含物的含量不同

13、,其内含物的化学稳定性也不一样。如 嫩叶比成熟叶的叶绿素容易破坏。嫩叶热揉其色泽容易变黄,产生低闷的气味。热揉多 用于老叶,尤其是机揉的热揉更是如此。揉捻过程的化学变化,并不是对任何茶类的制茶品质都不利,如黄茶类、黑茶类等 的品质形成,正需要加强这种化学变化湿热作用。热揉和冷揉, 都具有其对品质有利的一面, 也有其不利的一面, 要发挥其有利方面, 限制其不利方面。 新的揉捻设备的研究除了效率外, 应考虑到叶温、 叶量和揉时等因素, 才能生产出外形和内质兼优的产品。 2.2.2揉捻叶使其成条的过程揉捻叶成条必须是两个以上的力,作用于松散的叶团,才能使叶团滚动,叶团内部 叶子四周受到挤压力,发生皱

14、褶,由于主脉硬度较大,叶片皱褶的纹路,基本上与主脉 平行,并向主脉靠拢。然后,由于皱褶,叶子弯曲受力细胞组织破裂,便增加叶质柔软 性和可塑性。同时使茶汁混和,增加叶子的粘性。这些都是叶子成条的有利条件。叶片 上的皱褶纹路越多,越能揉捻成紧条。揉捻的开始阶段应注意掌握轻压力。因为揉捻的第一阶段叶团,需要获得压力,但 加上叶团的压力不宜太大。压力太大,叶子受单方面力的作用而叠起来。韧性较差的叶 子容易在叠褶处断裂成碎片。加入叶片已叠合,要使叶片卷曲成条就十分困难。揉捻的 开始阶段应注意使用轻压力。随着揉捻叶皱褶纹路增多,柔软性、可塑性和粘性增大,体积缩小,再逐渐加大压 力。一方面使叶子皱褶得更好、

15、纹路更多,形成粗条形。另一方面,叶与叶之间的摩擦 力增大,叶子不同部位所受的摩擦力不同,运动的速度也不一样而产生扭力,于是粗条 经扭力作用扭卷成紧条。嫩叶与老叶的揉捻区别;如下表:表 2.1 嫩叶与老叶的揉捻区别 柔软性、粘性大的叶子在揉捻过程中,容易几个叶片或叶条粘连一起,并滚转成团 块。团块在压力下越滚越紧。这些团块在干燥中水分不容易蒸发,贮存过程容易发霉变 质、影响整批茶叶质量。在干燥时将团块解散,这时条索粗松,有的不成条形,也影响茶叶外形。对这种叶 子,在揉捻过程的加压中,要结合几次松压。即加压几分钟,发现有团块可能形成,就 要及时去除压力,使还是松的团块在揉桶运动的冲力下解散,松压几

16、分钟后又接着加压 力。有的情况是,松压措施仍不能彻底解散团块,揉捻一定时间后还要解块,有的结合 筛分进行解决。解决技术措施在解散团块的同时, 会抖松条索, 影响条索紧度。 实际应用时要注意, 不需解散团块的就不要解块。炒青绿茶注重外形, 条索要圆直、 紧结、 整齐, 主要是在揉捻后炒烩过程中完成的, 虽然与揉捻关系不是很大,但是揉卷成条是炒焙整形的良好基础,也是必要的。揉捻促 进细胞内含物的混合作用,引起复杂的化学变化,与茶汤色味浓淡也有一定关系。但是 揉捻时间短,程度轻,内质变化不大。2.2.3揉捻技术要求与分析炒青绿茶的外形要求很苛刻是五要五不要 :一要叶条,不要叶片 ; 二要圆条,不要扁

17、 条 ; 三要直条,不要弯条 ; 四要紧条,不要松条 ; 五要整条,不要碎条。这五对相互矛盾, 但是又相互联系,相互影响,都是在一定条件下转化。要抓住叶片与叶条的主要矛盾, 其他矛盾就容易解决。转化的条件主要是力的作用。力的作用有轻与重、用力时间长与短、次数多与少、 早与迟的矛盾。这些矛盾也是相互联系、相互影响的,根据叶质和叶量的不同而变化。 要抓住轻与重的主要矛盾,其他矛盾也就迎刃而解。要解决这些矛盾须反复实践,逐步 提高认识,才能做到五要五不要。力的作用力分摩擦力和压力。摩擦力使叶子顺主脉卷转为椭圆螺形。压力是增大摩 擦力。使叶子快速成条而卷紧。要做到五要五不要,就要摩擦力与压力巧结合。先

18、使用 摩擦力,后使用压力,再使用摩擦力。先使用摩擦力,使叶子大部分初步卷转成叶条。 后使用压力加大摩擦力,使叶子大部分卷成条索。去掉压力,再使用摩擦力,主要使叶 团松开,叶汁内渗,避免叶汁流失。如先使用压力容易产生扁条,不能揉成圆条。后使 用压力,使叶条收缩,挤出叶汁。叶汁挤出后,去掉压力,再使用摩擦力,叶条松开, 叶汁回渗。这样解决圆条与扁条、茶汤浓与淡的矛盾。加压力的原则加压力是解决外形的技术措施, 要先轻后重再轻, 加压与放压相结合。 加压与放压的时间比例是 2比 l ,如加压 10min ,放压 smin; 或 3比 1,如加压 15min ,放压 smin ,这样才能解决圆与扁、紧与

19、松、整与碎的矛盾。如加压不放压,就不能达到五要 求。先轻压才不会压扁。只是轻度加大摩擦力,加速叶子卷转,初步把叶片揉成圆形叶 条。轻压放压后,加重压,加大摩擦力使叶条在圆而松的状态下,逐渐卷成紧条。 叶条在重压揉捻条件下,揉成叶团,如果成团的叶条,不能再揉紧,不成团的叶条 继续揉紧,揉捻就不均匀。同时叶条缩紧,叶汁大部分挤出,如不放压,叶汁流失,茶 汤淡薄。叶汁大部分挤出后,叶条干硬,重压揉捻,就容易揉成碎片。因此,重压后就 要放压,叶团就不会愈揉愈紧,叶汁内渗也不会流失,进一步解决浓与淡的矛盾。 放压后再加压,不但不会叶团愈揉愈紧,而且叶团才不会松开而不起揉紧作用。同 时未成团的叶条不会揉过

20、紧而容易破碎。最后轻压也同样要放压,就是以不加压的摩擦 力结束揉捻过程。但是粗老叶例外,重压揉捻到结束。1. 加压技术加压有压力轻重之分。加压大和加压小的区别如下表:表 2.2 加压大和加压小的区别 无论轻压或重压都有时间长短的矛盾。加压时间过长或过短的弊端如下表:表 2.3 加压时间过长或过短的弊端 加压时间一般分为 5min 、 7min、 10min、 15min、 20min等五档。另外加压时间长短也与叶子的老嫩量的多少有关嫩叶短,老叶长 ; 叶量少短,叶量多长 ; 粗老叶量少也 短些。加压时间长短,又与加压次数多少交叉关系。加压次数多,时间短 ; 次数少,时间 长。加压次数多少,又与

21、叶质老嫩和叶量多少交叉有关。叶嫩而少,次数少,每次的时 间长些,叶老而量多,次数多,每次的时间短些。次数至少轻重二次,至多轻、重、较 重、重、轻五次。加压有迟与早之别。过早叶条压扁不圆,过迟叶条松而不紧。叶嫩而量多迟些,叶 老而量少早些。总之,加压大小、时间长短和次数多少,以及加压早迟,是依叶质和杀青程度以及 揉捻时间的不同而不同。简单说,嫩叶加压轻,次数少,时间短,加压迟些,老叶则相 反。揉捻时间长,加压全程时间也长,加压次数多些,加压总重大些。2. 揉捻机的影响揉捻机的转速,应掌握先慢后快再慢的原则。先慢才不会使叶条揉碎,也不会因热 揉或摩擦发热叶温过高,而使叶质起不良的变化。后快,叶条卷

22、转成螺旋形的可能性就 越大,可以使叶条卷得很紧。再慢,可使结团叶条松开,使未揉到的叶条进一步成圆直 的叶条。揉盘的棱骨构造,与揉成条索很有关系。棱骨弧形底而宽的适合揉细嫩鲜叶,揉粗 老叶不易成条。弧形高而狭的适合揉粗老鲜叶,揉细嫩叶容易揉碎。最好揉捻机揉盘棱 骨有活动装置,以适应叶质老嫩不同的要求。2.2.4揉捻的技术措施绿茶要热揉与红茶要冷揉不同。热揉叶软容易成条,而不象红茶引起不良的变化。 一因叶量少、时间短,摩擦发生热量不大,叶温上升不高,内质变化不大。二是由于高 温杀青,酶的活化己完全或大部分破坏,酶促作用已制止,就是没有破坏完全的残余酶 的催化作用不大,不致改变品质。冷揉与热揉的区别

23、特点如下表: 现用揉捻机,一桶要几锅杀青叶完全相同,事实上困难很多,不能同时杀青,同时 投入。杀青时间很短,揉捻时间长,常杀青叶多,揉捻来不及,不能热揉,就要冷揉。 冷揉条件 :一是杀青要杀熟杀透 ; 二是杀青叶摊放很薄,摊放不能过久 ; 三是揉捻时 间也不要过长,要防止因杀不熟而发黄。 绿茶揉捻具体要求 :一是绿茶冲泡次数多,茶汁不要全部挤出,细胞组织不要全部 破坏,破坏率 45一 65%;二是要揉成圆直紧结、整齐的条索。揉捻不足,滋味和色泽都较淡薄,不能形成紧结条索。揉捻过度,茶汁完全挤出, 有些黄酮类化合物自动氧化,茶汤不清,揉碎芽叶。炒绿揉捻技术具体掌握如下 : 1. 看叶质来决定揉叶

24、量首先看鲜叶, 细嫩的多些, 粗老的少些。 其次看杀青叶, 杀青时间短, 含水量较多, 不宜过多,避免外形弯曲。2. 看揉叶量来决定揉捻时间揉叶量多就长,揉叶量少就短。揉叶量过多,揉捻时间过长,对香气有相当提高,但汤色叶底都不亮。过多如果加 大压力,不论时间长短都是条索碎细,下身茶较多。叶量过少,不论时间长短,条索不 是粗松,就是碎小。3. 揉捻时间决定揉捻程度和形状时间长减少粗大茶条,但是断碎、叶尖折断,下身茶较多,形状不整齐。时间短, 条索不紧,碎么较少,头子茶增多。4. 揉捻快慢决定时间和形状揉快易生碎片,芽尖易揉断,汤色混浊苦涩,色泽带红。揉慢延长时间,条索难 紧结。5. 解块与筛分解

25、块有决定外形的作用,使条索均匀,直而圆。筛分也有同样的作用,并使嫩叶 少揉而不断碎小,老叶多揉而条索紧结。两者配合,才能达到五要五不要的要求。 叶子经过揉捻,有的顺主脉卷成圆直条,有的与主脉垂直卷转,或不圆而扁,卷 成团块,条索扁而不直。因此,解块筛分技术把成团的叶条抖开,筛出细叶和碎片。同 时使叶条伸直而不弯曲,并防止热揉叶温过高,引起叶质变化而泛红。还可以把下面细 嫩叶条分开,及时烘千,不会揉捻过度而断碎。解块筛分次数,根据揉捻时间、叶质老嫩而定,一般是一二次。粗老叶比细嫩叶次 数少些。如叶条松散或粗老叶揉捻结束,就无需解块筛分。解块筛分要迅速,否则水分散失过多,容易揉碎,尤其是粗老叶水分

26、少,解块筛分更要 快些。杀青过老,水分少也要快些。 页2.2.5揉捻工段质量审评揉捻技术好的条索,应是圆直整齐,扁曲碎片就不符合要求。但是要揉卷很好,鲜 叶形质和揉捻机棱骨构造都有很大关系。实际上要全部揉得很好,全部卷成旋形,没有 折叠是不可能的,也是做不到的。在生产实际中,只要有 80%以上条,也就算揉好了。 揉不成条索的原因有很多, 但是其中主要是揉速过快, 或开始就加压, 或没有放压。 扁条是加压过过大的毛病。弯条主要是解块不匀,或没有解块。松条主要是加压过迟过 小,揉捻时间不够。碎条是加压过早过大、揉速过快、时间过长等等毛病。2.2.6揉捻技术与形质变化揉捻主要是形态上和组织上的物理变

27、化,化学变化是次要的。揉捻时间短,度很 轻,质的变化不显著。叶子经过揉捻后,由于受到两个平面的摩擦压力,就顺着主脉直 卷为椭圆螺旋形的条索 ; 如果与主脉垂直卷转,或卷不圆而扁,或卷成圆块,都不合要 求,但是要卷得很好,鲜叶和技术都要有相当条件。实际上折叠的多,卷螺旋形的少, 要全部卷得很好,更不可能。软的幼嫩鲜叶,弹性不大,容易揉卷 ; 硬的粗老鲜叶,弹性大,就不容易卷成一定 的形状。叶内水分过多,涨性大,水分少,干而硬,都不容易卷成所要求的形状,而容 易揉成碎片。至于卷条的松紧、曲直、粗细是与技术高低分不开的。细胞破裂需要较大的压力。平面的摩擦压力是不能压破细胞的。当叶子在两个平面 之间,

28、还有折叠的曲压力时,刁能破坏细胞组织。在折叠曲压时,叶外表层的细胞受 到两面的拉力而使皮膜裂开,使所含汁液流出叶面。揉捻时间短,如茶汁没有流失,水分散失不大,最多不超过 2一 3%。例如 22的杀 青叶含水量 60.54%,揉捻后水分含量减至 58.16%,也没有超过 3%。揉捻过程中,叶绿素减少不多,由杀青叶的 0.95%减至 0.81%。叶绿素 A 破坏比 B 多, 杀青叶 A 比 B 是 4.0,揉捻叶是 3.7。可溶性的氧化物变化不大。绿茶揉捻越多,可溶性的 氧化物 (指儿茶多酚类 减少越多。第一次揉后是 12.8%,第二次揉后 12.3%,第三次揉后 12.2%。使用揉叶不多的小型单

29、动揉捻机,就会缩短揉捻时间,避免发生高温引起各种不必 页要的化学变化而降低品质。由于揉叶量不多而时间短,揉捻技术影响炒青绿茶的品质不 大,较易掌握。2.3茶叶揉捻设备茶叶揉捻机 (tea twisting machine是由揉桶与揉盘作相对回转运动而将茶叶搓 揉成条、挤出茶汁的机械。我国生产的茶叶揉捻机是茶机工业中较为成熟的机种之一, 也是第一个颁布部标准的茶机机种。第六代茶叶揉捻机产品系列统一标注为“ 6CR ”字 样, “ 6”代表第六代, “ C ”是“茶”字拼音第一个字母大写, “ R ”是“揉”字拼音第一 个字母大写。2.3.1茶叶揉捻机的分类茶叶揉捻机的分类如表 2.5表 2.5茶

30、叶揉捻机分类2.32CR-55型揉捻机的主要技术参数:文中我们所要改造的揉捻为 CR-55型揉捻机其主要技术参数为表 2.2所示表 2.6 CR-55型揉捻机的主要技术参数 页 2.4揉捻机自动控制系统总体方案本课题的技术, 目标是实现 6CR 一 55型茶叶揉捻机的工作压力、 时间、 转速的自 动控制,包括传感采集系统、电气系统、控制和界面系统、软件系统的设计和开发。要 达此目标,首先要确定揉捻作业加工工艺,再根据加工工艺制定揉捻机自动控制系统的 总体方案。2.4.1茶叶揉捻加工工艺揉捻必须根据各茶种的特征,揉捻机的性能,叶质老嫩、匀度和杀青质量来正确掌 握揉捻方法。特别注意投叶量,揉捻时间

31、,压力大小,解块筛分和揉捻程度等技术,方 能提高质量,保证优良产品。 6CR 一 55型盘式茶叶揉捻机,主要用于毛峰、碧螺春等条 形和卷曲形长炒青绿茶的揉捻加工,所以下面长炒青绿茶 (眉茶 的加工工艺 :1. 投叶量投叶量的多少, 直接关系到揉捻质量和工效。 投叶量过多, 叶团在揉桶内翻转困难, 揉捻不均匀,扁碎叶较多,而且时间较长 :叶子过少,则不易成条,工效低,碎茶多。 因此,必须掌握好各类揉捻机的投叶量。本文选用 6CR 一 55型盘式茶叶揉捻机所以其 投叶量为 30一 35公斤。掌握程度 :对于杠杆加压结构的揉捻机, 装叶时要求手稍压紧, 叶子装至比桶口浅 页1一 2cm 处,不能太满

32、 ; 不然,揉捻机转动时,由于桶内运动时桶盖的反作用力大,而使 盖子甩出去造成事故 (丝杆加压有自锁现象 。2. 揉盘转速用于绿茶初制的揉捻机,一般转速控制在 45一 60转 /分之间,以每分钟 48转上下 较为合适。3. 压力和时间炒青绿茶要求条索紧结,倒直,匀整,茶汤有一定的浓度,同时又要耐泡。形成 这些特征,首先与揉捻时压力调节有很大关系。揉捻作业时,加压轻重应以“轻一重一 轻” ,嫩叶轻压短揉,老叶重压长揉,解块分筛,多次揉捻为原则。揉捻时间视揉捻叶量,叶质及加压等情况灵活掌握。实际生产过程中掌握各种叶子的压力和时间如表 2.3:表 2.7各种叶子的揉捻压力与时间 4.揉捻程度长炒青绿

33、茶加工时的揉捻程度,一般嫩叶要求成条率达到 80%至 90%、粗老叶成条 率在 60%以上为适度,质量良好的揉捻叶要有茶汁黏附叶面,手摸有滑黏手的感觉。 5. 揉后注意问题 :揉捻叶下机以后,要立即进行解块千燥。切勿静置,以免叶色变黄,要快。尤其是 杀青不足的叶子,揉好后众即以较高温进干燥,防止继续红变。 页2.4.2揉捻机自动控制系统总体方案设计为了操作简便, 安全可靠, 生产效率高的目标,茶叶揉捻机控制部分应达到以下工 作要求。 打开电源后, 首先进行触摸屏操作, 输入工作组、 用户名与密码, 验证无误后, 才能进入茶叶揉捻机的控制系统,然后或更改生产参数,或进入监视界面。按下开始按 钮,

34、茶叶揉捻机会进入自动运行状态,随后进入初始化状态,再进行故障自检,一切正 常后,如果没有新的数据输入,系统会自动载入上次数据。如果有新的数据输入,系统 将采用新的数据进行揉捻。揉捻结束后,手动打开出茶门,等待下茶。按下复位按钮, 系统会自动返回初始状态。如果在揉捻过程当中,系统检测到异常现象,系统会报警。 在揉捻过程当中,允许随时暂停操作,并在转换到继续时,恢复所有数据。运行当中的 重要数据,在停电后能够得到保持,恢复供电后,也能继续工作。在遇到非常严重的故 障,按下急停按钮,系统会自动禁止所有输出,等待人工处理后,按下复位按钮,系统 就可以恢复到初始状态。如果在运行当中遇到问题,但是可以通过

35、手动解决,那么,先 可以按下暂停,然后再切换到手动状态,进行手动操作。在遇到较大的故障后,系统仍 然可以进行手动揉捻、压盖手动升降、手动复位等日常操作。1. 揉桶转速控制原 6CR-55型茶叶揉捻机有一齿轮减速机构 (见图 2.2 , 输出转速为 50士 1r/min(见 表 2.1 。这一转速是固定的,不能调整。但是不同的茶种、叶质和杀青质量,需用不同 的转速交流电机变频调速技术来实现。 变频调速技术是目前世界上技术先进、 使用成熟、 性能可靠的调速方式,它实现了电机转速连续无级调速。这里的变频调速是开环控制, 控制指令直接来自于上位机中输入的参数。2. 压力控制压力控制是整个控制系统的关键

36、所在, 利用压盖的升降来控制桶内茶叶所受到的压 力。其控制框图如图 2.4所示,它是一个开环控制。 图 2.4压力控制 页把加压型式由 55型的双滑柱加压改为 40-45型的单滑柱丝杆浮动加压 (见图 2.1、 图 2.3 。 滑柱是一根中空的钢管, 对着压盖的一侧, 开有一平行于钢管中心线的竖直长 槽, 竖直长槽的顶部又连着一段与水平方向成 45。 角沿管壁开凿的斜槽, 钢管中心是一 根丝杆,可以带动加压臂上的螺母沿着竖直长槽上下移动,并沿着斜槽移离揉桶上方, 便于上叶。在滑柱的根部装有一个手轮,用来转动丝杆。现在,在手轮的位置上装一个 步进电机,改手轮转动为步进电机带动丝杆转动。再在滑柱的

37、顶部和根部分别装上一个行程开关控制加压臂的上下限和进行加压臂 定位。3. 揉捻过程控制过程控制其实就是时间控制。可以把揉捻加工分为“轻一重一轻”三过程,也可以 分为“轻一重一较重一轻”四过程,还可以制定别的工艺阶段。总之,要根据各茶种的 特征,叶质老嫩、匀度和杀青质量来制定。每一过程的时间数值,按前面论述的揉捻加 工工艺灵活掌握确定。加工前,把每一过程的时间参数输入上位机中,再由上位机传输 给 PLC, PLC根据输入的时间参数控制主电机和压力系统的运行。 页第三章 茶叶揉捻机自动控制系统的硬件实现3.1茶叶揉捻机自动控制系统的硬件概况茶叶揉捻机自动控制系统的硬件主要由上位机、 下位机和调速控

38、制、 压力控制以及 显示三个子系统组成。 整个硬件系统的框架如图 3-1所示, 上位机是一台 PC , 和触摸屏 组成一体机 ; 下位机是一个西门子 S7-300系列的 PLC:调速控制系统主要是一台变频器, 交流电机是原有的 ; 压力控制系统由压力传感器、步进电机、步进电机驱动器以及两个 行程开关组成 ; 显示系统是一个西门子触摸屏。 图 3-1茶叶揉捻机白动控制系统硬件框架 页3.2触摸屏选择茶叶揉捻机自动控制系统结构不十分复杂。 其触摸屏而对的是使用水平相对不高的 茶农,坚固,耐用的整体机较为合适。另外,茶叶机械整体价格较低,触摸屏的价格不 能占据茶叶揉捻机整机价格太大的比例,应选用价廉

39、触摸屏。再加上采购、维修以及其 他技术上的考虑,木课题选用西门子公司生产的 MP277-10 按键式面板 ,10寸 64K 色中 文显示,其突出特点有:1. 操作方便*全图形化 5.7” TFT 显示屏, 256 色*内置 PROFINET/以太网*用户存储器 4 MB*支持 SmrtService 和 SmrtAccess*具有可追溯性 (符合 FDA*免维护、非易失性报警缓存器*脚本,归档2. 灵活性好*可从 TP 270 转换 (例外:RS232 和 CF 卡 *与 xP 270 兼容*多媒体卡插槽*USB 端口 (鼠标,键盘,打印机 *多达 5 种语言在线切换,全球通用 (包括亚洲和西

40、里尔语言 3.3下位机考虑到系统的可延展性本课题选用西门子公司的 SIMATIC S7-300系列属于中型 PLC, 可代替继电器用于简单的控制场合,也可用于复杂的自动化控制系统。由于它有极 强的通信功能,在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。因为茶叶揉捻机自动控制系 统要用于各茶种的揉捻控制,工艺过程不固定,所以不易选用整体式结构的 PLC ,应选 用模块式结构的 PLC; 系统以数字量控制为主, 带少量模拟量, 对控制速度没有太多要求, 页带 A/D转换、 D/A转换、 加减运算和数据传送功能就可以了 ; 此外系统控制虽然目前不要 求实现闭环控制和进行 PID 运算,但以后可能会对此有要求

41、。因此, S7-300系列 PLC 能满足茶叶揉捻机自动控制系统的性能要求。3.3.1 CPU选型PLC 与生产过程的联系是通过 I/O接口模块来实现的。 PLC 有许多 I/O接口模 块,包括数字量输入输出、模拟量输入输出以及其它一些特殊功能模块,使用时应根据 它们的特点进行选择。 I/O点数选择的内容如下 :定义 PLC 的 I/O点数, 包括数字量 I/O、 模拟量 I/O以及特殊功能模块 ; 建立 I/O地址分配表。本系统中变频器、 步进电机驱动器和接近开关各一个, 行程开关、 压力传感器两个, 还有指示灯若干,这些构成了被控对象,其中压力传感器的输入和变频器的输出是模拟 量,其余都为

42、数字量的输入和输出。手动自动切换,主电机开与关,揉捻机开与停,压 盖上升与下降都是按钮控制,是数字量输入。本系统 PLC 的 1/O点数与类型如表 3.1所 示。表 3.1 PLC 1/O点数与类型 根据被控对象的 1/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑, 页选用 SIMATIC S7-300系列 PLC 的 CPU 为 CPU314C_2DP ,CPU314C-2DP, 64K工作内存, 位操作时间 0.1us , PROFIBUS-DP 主 /从接口, 集成 24DI/16DO,4AI/2AO,4通道高速计数, 4通道 PWM 输出, 4通道频率测量, PID 调节, 一

43、轴定位功能; DI/DO最大 1016/1008点。3.3.2 I/0地址分配I/O地址分配直接关系到硬件的接线图,以及软件的编程。因此, I/O分配地 址至关重要。具体 I/O地址分配如表 3.2, 3.3所示。表 3.2 I/O地址分配信号输入如表 页 表 3.3 I/O地址分配信号输出如表 页 表 3.3(续 3.3.3 PLC总接线图 页图 3.2数字量总接线图数字量的输入和输出如图 3.2所示接线,模拟量输入和输出的连接分别在各 节中介绍。3.4调速系统1. 变频器变频调速器也称变频器,全称为变频变压调速器 VvVFI(variable voltage & vairable freq

44、uency inverter,是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为 另一频率的电能控制装置。它采用大功率晶体管 GTR 作为功率元件,以单片机为核心进 行控制,采用 SPWM 正弦脉宽调制方式,是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化 产品。3.4.1. 变频器的选型西门子公司生产的 MICROMASTER 系列变频器是目前市场上技术比较熟,性能价格 比高的主流产品。木课题选用其中的 MICROMASTER 440型变频器。 MicroMaster440是全 新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术,提供低速高 转矩输出和良好的动态特性,同时具备超强的过载能力

45、,以满足广泛的应用场合。创新 的 BiCo (内部功能互联功能有无可比拟的灵活性。它可以与 SIMATIC S7-300链接, 或集成到 SIMATIC 和 SIMOTION 的 TIA 系统中。 MICROMASTER 440通用型变频器用于驱动 普通应用对象的时, 只要对它进行简单的组态, 就可以满足对特定传动系统的控制要求。 而且,由于变频器采用的是模块化设计,可以选用各种选件,非常方便地对传动装置进 行扩展,从而实现多种标准功能。1. 变频器调速回路根据变频调速原理,在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路,由 PLC 输出的 模拟量来控制变频器的输出频率。此时的变频器输出频率与设定电

46、压或电流输入成正 比。这里是从 PLC 的 V 端输出 0-1 OV的电压信号 (模拟量 作为变频器的控制端 3的输 入,然后经变频器调制输出高频脉冲给异步电动机。 页2. 变频器启停回路由回路, PLC 、继电器 KM 和变频器,以及外接 24V 直流电源组成了变频器启停这里 是由 PLC 的 Q0.4端口输出 24V 的直流电压信号 (数字量 到继电器 KM , 再由 KM 控制变频 器的运行。3.5压力控制系统1. 步进电机的选型本课题选用 110BYG350C 式步进电机,其性能参数如下:2. 步进电机驱动器的选型本课题选用 WZM-3H110MS 三相混合式步进电机驱动器, WZM-

47、3H110MS 驱动器驱动三 相混合式步进电机,该驱动器采用原装进口模块,实现高频斩波,恒流驱动,具有很强 的抗干扰性、 高频性能好、 起动频率高、 控制信号与内部信号实现光电隔离、 电流可选、 结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小,带动 5.2A 以下所有的 110BYG 系列电机三相 混合式步进电机。其供电电源为 AC220V ,每圈最大步数为 10000。3. 压力传感器的选型揉捻机对茶叶进行揉捻时压盖对茶叶所施加的压力重压为 20kg 左右。根据现有市 场的供货情况,再考虑性价比,本项目选用大通自动化设计有限公司的量程为 50kg 的 TJH-1称重传感器作为压力传感器。特有的 T 型

48、过载保护装置。可选择一体化标准信号 输出, 三线制, 010mA 、 420mA 或 05V 输出。 TJH-1称重传感器是一种称重传感器, 采用的是电阻应变原理。 页第四章 软件设计与实现整个茶叶揉捻系统的软件设计分为上位机软件的设计和下位机软件的设计。 上位机 软件指的是计算机上应用软件设计,是利用 WINCC Flexible开发的用户应用软件,主 要实现揉捻流程及工艺参数的显示、数据处理与保存、参数设定和系统控制 ; 下位机软 件指的是 S7-300 PLC程序的开发,是利用 STEP7进行程序设计,主要实现揉捻过程的 自动控制、传感器数据采集、逻辑运算以及人机界面的设计开发。本论文在

49、这里只讨论 下位机软件程序的开发。4.1下位机软件设计下位机软件指的是 S7-300 PLC程序的开发,主要实现揉捻过程的自动控制、传感 器数据采集、逻辑运算以及人机界面的设计开发。茶叶揉捻控制系统能否照预期设计的 目标运行,一方面要看硬件设计是否具有合理性和可靠性,另一方面要看软件能否可靠 的运行,能否满足用户的需要。4.2.1软件开发的环境STEP7-V5.4软件是由西门子公司专门为 SIMATIC S7-300系列 PLC 设计开发的,操 作环境如图 4-7所示。该软件是基于 Windows 应用软件,功能强大,界面友好,并有方 便的联机帮助功能。 用户可利用该软件开发 PLC 应用程序

50、, 设置 PLC 的工作方式和参数, 上载、下载用户程序,同时还可以实时监控用户程序的执行状态。 页 图 4.3软件编译环境STEP7-Micro/WIN32提供了不同的编程语言 (编辑器 。 语句表 (STL语言 :类似于计 算机的汇编语言,适合来自计算机领域的工程人员,属于面向机器硬件的语言 ; 梯形图 (LAD语言 :接近继电接触控制系统中的电气控制原理图,是一种应用最多的编程语言, 它容易被一般的电气工程设计人员和运行维护人员所接受 ; 功能块图 FBD 语言 :这种图 形与数字电子电路的结构相似,功能模块图中每个模块有输入输出端,输入输出端的函 数关系也使用与、或、非、异或等逻辑,模

51、块之间的连接方式与电路的连接方式也基本 相同,熟悉电路工作的编程人员习惯使用这种语言。本系统 PLC 程序的编写是采用梯形图 (LAD语言,整个程序直观、可读性强。 4.2.3寄存器地址的分配S7-300 PLC的用于存放工作数据的数据空间称为数据存储器,它包括变量存储器 (V、输入映像寄存器 (I、输出映像寄存器 (Q、内部标志位存储器 (M、特殊标志位存 储器 (SM。所有数据存储器均能以位、字节 (B、字 (W,双字 (DW存取。PLC 中变量存储器分为两个部分,分别为 HMI 参数存储区、程序变量存储区。 1. 揉捻工艺设定参数 页揉捻工艺设定参数主要包括三个揉捻过程的工艺设定参数,

52、包括揉捻压力、 揉 捻时间以及电机转速。该部分的变量由上位机传输给 PLC 或由 HMI 设定。具体参数如图 4.4所示: 页 图 4.4 HMI中工艺参数变量表 页4.2.4 PLC程序的设计茶叶揉捻控制系统对 2路压力信号进行实时监控,并对步进电机、变频电机进 行控制,以及各种限位信号的输入。茶叶揉捻控制 PLC 系统是整个控制系统的核心,其 应用程序由主程序、中断服务程序和一些功能模块子程序组成。程序设计过程:1. 创建项目打开 SIMATIC Manager 新建项目 rounianji, 向项目中添加一个 S7程序添加完成后 STEP7会自动建立一个空的 OB1和符号表。2. 编辑符号表将表 3.2分配好的绝对地址用全局符号命名如下图: 页 页 图 4.5编辑符号表3. 插入程序块根据对任务的规划,需要向用户程序中添加的程序块有如图 4.4所示: 页 图 4.6 插入程序块在 Blocks 目录下的空白区域单击右键插入上图中所示各个程序块,然后选中各个数据 块右击选中其属性项设置其各个属性,一下图 0B1,FC1属性设置为例: 页 图 4.7 0B1,FC1属性设置 4. 用 LAD 编写