基于PLC和步進(jìn)伺服的茶葉揉捻壓力柔性控制方法

　　摘要：針對(duì)傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)在工作過程中不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測壓、控壓，不能將茶葉受到的壓力量化，并且茶葉在揉捻翻轉(zhuǎn)過程中所受到的壓力變化較大，影響茶葉揉捻質(zhì)量的這一現(xiàn)狀，提出一種基于PLC和步進(jìn)伺服的揉捻機(jī)壓力柔性控制方法。該控制方法模擬彈簧受力時(shí)的彈性力變化過程，將壓力參數(shù)量化，便于實(shí)時(shí)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)表明：該控制技術(shù)能讓殺青葉在揉捻I：序中達(dá)到成條率高、細(xì)胞破碎率高、碎茶率低的揉捻效果。
　　關(guān)鍵詞：揉捻壓力；柔性控制；PLC；步進(jìn)伺服；模擬彈簧受力
　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
　　文章編號(hào)：1674-5124（2015）02-0080-04
　　引 言
　　隨著茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國機(jī)械行業(yè)從20世紀(jì)70年代初期開始，不斷增加從事茶葉機(jī)械研究的力量，使茶機(jī)研究設(shè)計(jì)的廣度、深度日趨擴(kuò)展，促進(jìn)了茶機(jī)品種和性能的增加與改善，揉捻機(jī)等也已形成系列。同時(shí)，茶葉生產(chǎn)連續(xù)化和自動(dòng)控制技術(shù)，在國內(nèi)已開始研究，揉捻機(jī)的程控功口壓技術(shù)也達(dá)到一定水平。本文所述的壓力柔性控制即是在程控加壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。收稿日期：2014-04-12：收到修改稿日期：2014-06-05基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD06806）作者簡介：譚和平（1957-），男，重慶市人，研究員，享受國務(wù)院政府津貼專家，從事生物化學(xué)茶產(chǎn)業(yè)鏈研究。
　　揉捻，是指用機(jī)械揉搓的方式破碎茶葉組織細(xì)胞，擠出汁液，并使葉片索緊成條的過程。揉捻葉的質(zhì)量用成條率、細(xì)胞破碎率和碎茶率3個(gè)指標(biāo)來衡量。在揉桶轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，茶葉因到桶蓋的壓力以及桶壁的作用力而翻轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的揉捻機(jī)大都不能進(jìn)行壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使得茶葉受到的壓力變化較大，葉片成條的程度和細(xì)胞破碎率也不相同，并加大揉捻機(jī)的機(jī)械磨損及耗能。在揉捻過程中要進(jìn)行壓力實(shí)時(shí)控制，就要對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換，并將之與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，最終將比對(duì)結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)傳遞給壓力執(zhí)行部件，以壓力執(zhí)行部件的實(shí)時(shí)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以及減輕揉捻機(jī)的機(jī)械磨損，降低能耗。
　　1.壓力控制系統(tǒng)的原理
　　該壓力控制系統(tǒng)的T作原理如圖l所示。
　　人機(jī)接口（human maChine inlerface，HMI）也叫人機(jī)界面。用戶可以通過HMI實(shí)時(shí)觀察各項(xiàng)揉捻參數(shù)的變化情況，并對(duì)揉捻機(jī)進(jìn)行直接操控。
　　可編程邏輯控制器（program mable logic con-troller，PLC）具備電氣可靠性高、通信能力較強(qiáng)、適用性廣等特點(diǎn)，是工控行業(yè)的主流控制器之一。PLC與HMI之間的通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議.HMI作為主站，PLC作為從站。
　　步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)兩部分，是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，它受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號(hào)直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，使得精度比較差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。
　　為了彌補(bǔ)這一缺陷，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包含稱重傳感器、壓力變送器和模擬量采集模塊的壓力檢測反饋環(huán)節(jié)，與PLC共同構(gòu)成了一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。2系統(tǒng)硬件組成
　　該壓力控制系統(tǒng)的硬件分為HMI.PLC.壓力檢測組和壓力調(diào)節(jié)組4個(gè)部分。
　　HMI選用昆侖通態(tài)公司的監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（morutor and conl.rol generated system，MCGS）觸摸屏，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)。這是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。
　　PLC選用Kinc，o-306EX系列。模擬量采集模塊選用K333系列模擬量輸入輸出模塊。
　　壓力檢測組由稱重傳感器和隔離型壓力信號(hào)變送器組成。稱重傳感器將桶蓋受到的作用力轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)。本系統(tǒng)中采用隔離型信號(hào)變送器，因?yàn)檎麄�(gè)揉捻系統(tǒng)中有三相電機(jī)、變頻器等交流設(shè)備，對(duì)弱電信號(hào)造成干擾，影響數(shù)據(jù)采集精度，進(jìn)一步影響整個(gè)壓力控制系統(tǒng)的控制精度。
　　壓力調(diào)節(jié)組選用樂創(chuàng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)DM86系列電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選用DMD808A。該系列步進(jìn)電機(jī)步距角為1.80，步距角精度為+5%，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大能達(dá)到2700g.Cm2，完全滿足揉捻加壓壓力需求。
　　3.壓力柔性控制及其算法
　　揉捻加壓的直接動(dòng)作部件是揉桶蓋，通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)揉桶蓋的上升和下降。加壓時(shí)控制揉桶蓋從揉桶上沿向下運(yùn)動(dòng)，減壓時(shí)則相反。壓力柔性控制是指使壓部動(dòng)作壓力值與實(shí)時(shí)壓力值之間存在不同的壓力緩沖值，需求壓力與實(shí)際壓力的差的絕對(duì)值與不同的緩沖值比較，壓部根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行設(shè)定相應(yīng)的動(dòng)作。壓力柔性控制中的關(guān)鍵參數(shù)為揉捻壓力彈性系數(shù)。
　　壓力柔性控制系數(shù)的算法為F差= F實(shí)-F設(shè)。當(dāng)F差>Z粗準(zhǔn)時(shí)，有v壓部=v高；當(dāng)F差　　F實(shí)——揉捻實(shí)時(shí)壓力值，N；
　　F設(shè)——揉捻需求壓力值，N；
　　z粗準(zhǔn)——壓力粗調(diào)緩沖值，N；
　　Z細(xì)準(zhǔn)——壓力細(xì)調(diào)緩沖值，N；
　　v壓部——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；
　　v高——壓力粗調(diào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；
　　k——揉捻壓力彈性系數(shù)。
　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由頻率來控制，并且兩者成正比。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為其中：v步——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；
　　f——步進(jìn)電機(jī)頻率，Hz；
　　T——步進(jìn)脈沖周期值.s：
　　x——細(xì)分步數(shù)。
　　由式（1）可知，根據(jù)壓力彈性系數(shù)的關(guān)系，可以推導(dǎo)出當(dāng)F差從Z粗準(zhǔn)趨近于z細(xì)準(zhǔn)時(shí)，壓部速度是逐漸降低的。壓力差值大，壓部進(jìn)退速度快，反之進(jìn)退速度慢，形成壓力的柔性控制。

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