提升揉捻机加工效率的策略研究

梁玉玥，雷道锐，郭玲玲，郭飞

恩施职业技术学院 湖北恩施 445000

揉捻是茶叶生产过程中一道非常重要的制作工序，针对恩施州茶叶生产线揉捻机实际工作过程中需要人工实时监控，揉捻力度需要人工控制，生产效率低、茶叶品质凭工人经验决定、质量不稳定等问题，切实提升揉捻机加工效率，本文提出增设加压装置、通过上位机对揉捻机进行操作、采用PLC自动控制技术以实现压力连续加压并实时显示的功能、减轻劳动强度，提高茶叶品质稳定性。

关键词：揉捻机、效率、伺服电动机、西门子PLC

茶文化作为中国传统文化的一个重要组成部分，茶文化已深度融合在人们日常交际与生活中，通过茶文化交流，可促进人们情感交流。于是茶叶质量也不断推进，伴随着茶叶机械化制作，揉捻工艺显得尤为重要，对比传统人工操作模式，提升揉捻加工效率尤为迫切。目前，揉捻加工可通过步进电机驱动实现压力控制，而步进电机在低速时易出现低频振动现象，且从静止状态加速至工作转速时响应较慢，对此提出一种可以提升揉捻效率的新型策略，从加压装置、智能控制技术方面进行改进。

一、增设加压装置

针对传统揉捻机是将鲜叶装进揉桶里，揉桶在电动机的作用下带动揉盘做圆周运动，揉捻压力及揉捻时间均凭做茶工人的感觉来决定，人为因素起主导作用，不能稳定茶叶品质。于是增设一种加压装置，考虑到揉捻机在进行工作时，揉捻盖对茶叶所施加的压力值在300N之内，选用生产量程为100kg的DYLF-102型轮幅式压力传感器，该传感器具备抗过载能力的优点，能够承受超过几倍量程的过载；同时还具备抗偏心能力，正好符合揉捻机的工作原理。此轮辐式压力传感器的结构由轮毂、轮圈、应变片和辐条组成，当有外力作用在压力传感器上时，轮条就会产生变形，将与外力形成正比的切应变，由切应变能引起切应力，从而测量应力值大小。轮辐式压力传感器相对于常见柱式传感器来说，成本上略有一定的优势，且从根本上克服了柱式中弹性元件利用正应力与载荷关系来测量压力的缺点，使其测量精度更高，偏载量更小。选择轮幅式传感器可以测量压力值，将人工经验值转换成经验数据，减少人为因素的影响，且具备装置成本低、精度高的优点，为后续智能控制提供了必备条件。由此可见，通过增设加压装置有效提升揉捻机加工效率。

二、采用伺服电动机作为动力元件

揉捻加工可通过步进电机驱动实现压力控制，依托步进电动机作为执行元件，将实现脉冲信号转换为角位移或直线位移的功能，通过控制指令脉冲的频率、数量及电机绕组通电的相序，以此达到控制步进电动机输出速度、输出位移及方向的目的。但是在实际应用中在低速时出现低频振动现象，且从静止状态加速至工作转速时响应较慢，从而对压力控制产生一定的影响。对此针对性解决这两个问题，选用伺服电动机代替步进电机作为揉捻机的执行元件，伺服电机可克服低速振动和响应慢的问题，伺服电机选用型号为HG-KH43H-S100，额定输出功率400W、额定转矩为1.3Nm、额定转速为3000r/min，带增量式17bit编码器。

三、增加智能控制技术

1.采用PLC控制伺服电机

根据茶叶揉捻机的运行要求，PLC选用西门子S7-1200系列的PLC作为控制器， CPU采用型号为1214C。此型号规格为DC/DC/DC、6ES7-214-1AG40-0XB0，板载14输入/10输出；板载6个高速计数器和4路脉冲输出；多达8个用于I/O扩展的信号模块。PLC通过高速脉冲控制伺服电机驱动器，以实现运行速度和位置的要求。

2.采用PLC处理模拟量

压力传感器检测到的压力信号这一物理量为模拟信号，由于PLC的CPU只能处理数字量信号，所以需要利用变送器将传感器采集到的变化量转换为标准的模拟信号，于是模拟输入模块中的模/数转换器（ADC）可以实现该转换功能，即可通过顺序执行数模转换，并通过西门子-1200PLC中的MOVE指令访问ADC转换的结果，即通过程序段将压力信号模拟量值采用MOVE指令读到变量MW0中，以此采用PLC控制伺服电机驱动器进行压力控制。根据不同品种的茶叶，调试加压参数（空揉压力参数、一次加压压力大小、二次加压揉捻压力大小、松压空揉），记录试验数据，以此作为程序段编程依据，分段编写PLC控制伺服电机的位置及运行速度，形成技术资料，可供同类茶叶在揉捻时直接调用，有效提升揉捻机加工效率。

3.设计揉捻机操作界面

为方便用户对揉捻机进行控制，利用WinCC（Windows Control Center）组态软件作为控制系统上位机人机界面的开发平台，快速构建数据采集和实现监控的功能。WinCC是基于PC电脑的HMI系统，对生产过程、机械设备进行操作控制，该软件可以通过图形管理器来处理控制过程中的输入和输出信号，支持通过ProfiNet网络通讯协议实现数据交互。

在提升揉捻机效率控制系统中，主要的设计要求是能直观实时显示压力传感器的压力值，对揉捻盖压力进行控制以及显示实时压力值。通过实时显示与监控，方面使用者去更好地应用设备，有效提升揉捻机加工效果。

四、新策略的优点

新策略采用上位机进行数据采集与实时监控，通过PLC控制伺服电机动作，控制简单，易于作业人员操作使用；新策略选用性价比高的轮辐式压力传感器，减少人为主观因素，稳定揉捻加工效率。

结语

与原有的揉捻机加工效率相比，改进后的揉捻机成本上略有增加，但茶叶的成条率提升了4.5%。通过压力传感器实时测量压力值可以稳定生产效率；同时利用PLC技术控制压力值可在一定程度上提高自动化生产程度。为使揉捻机加工效率持续稳定，且更经济化，后期可考虑选用单片机进行控制，使其成本进一步降低。

参考文献

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作者简介：梁玉玥（1987-），湖北咸丰人，博士研究生，副教授，研究方向：机电一体化智能装备研究。

课题来源：校级科研课题EZYQNZK202004 恩施州茶叶生产线揉捻机加工效率提升策略研究。