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摘要：针对传统茶叶揉捻机在工作过程中不能进行实时测压、控压，不能将茶叶受到的压力量化，并且茶叶在揉捻翻转过程中所受到的压力变化较大，影响茶叶揉捻质量的这一现状，提出一种基于PLC和步进伺服的揉捻机压力柔性控制方法。该控制方法模拟弹簧受力时的弹性力变化过程，将压力参数量化，便于实时调控。实验表明：该控制技术能让杀青叶在揉捻I：序中达到成条率高、细胞破碎率高、碎茶率低的揉捻效果。
关键词：揉捻压力；柔性控制；PLC；步进伺服；模拟弹簧受力
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0080-04
引 言
随着茶产业的发展，我国机械行业从20世纪70年代初期开始，不断增加从事茶叶机械研究的力量，使茶机研究设计的广度、深度日趋扩展，促进了茶机品种和性能的增加与改善，揉捻机等也已形成系列。同时，茶叶生产连续化和自动控制技术，在国内已开始研究，揉捻机的程控功口压技术也达到一定水平。本文所述的压力柔性控制即是在程控加压的基础上进行的。收稿日期：2014-04-12：收到修改稿日期：2014-06-05基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAD06806）作者简介：谭和平（1957-），男，重庆市人，研究员，享受国务院政府津贴专家，从事生物化学茶产业链研究。
揉捻，是指用机械揉搓的方式破碎茶叶组织细胞，挤出汁液，并使叶片索紧成条的过程。揉捻叶的质量用成条率、细胞破碎率和碎茶率3个指标来衡量。在揉桶转动过程中，茶叶因到桶盖的压力以及桶壁的作用力而翻转。传统的揉捻机大都不能进行压力实时调节，使得茶叶受到的压力变化较大，叶片成条的程度和细胞破碎率也不相同，并加大揉捻机的机械磨损及耗能。在揉捻过程中要进行压力实时控制，就要对压力进行实时采集、转换，并将之与预设值进行比对，最终将比对结果转换成控制信号传递给压力执行部件，以压力执行部件的实时动作来实现压力实时调节，以及减轻揉捻机的机械磨损，降低能耗。
1.压力控制系统的原理
该压力控制系统的T作原理如图l所示。
人机接口（human maChine inlerface，HMI）也叫人机界面。用户可以通过HMI实时观察各项揉捻参数的变化情况，并对揉捻机进行直接操控。
可编程逻辑控制器（program mable logic con-troller，PLC）具备电气可靠性高、通信能力较强、适用性广等特点，是工控行业的主流控制器之一。PLC与HMI之间的通信协议采用Modbus RTU协议.HMI作为主站，PLC作为从站。
步进式伺服驱动系统包括步进电机驱动器和步进电机两部分，是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机，它受步进电机驱动器的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移。由于该系统没有反馈检测环节，使得精度比较差，速度也受到步进电机性能的限制。
为了弥补这一缺陷，控制系统设计了包含称重传感器、压力变送器和模拟量采集模块的压力检测反馈环节，与PLC共同构成了一个压力闭环控制系统。2系统硬件组成
该压力控制系统的硬件分为HMI.PLC.压力检测组和压力调节组4个部分。
HMI选用昆仑通态公司的监视与控制通用系统（morutor and conl.rol generated system，MCGS）触摸屏，监视与控制通用系统。这是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
PLC选用Kinc，o-306EX系列。模拟量采集模块选用K333系列模拟量输入输出模块。
压力检测组由称重传感器和隔离型压力信号变送器组成。称重传感器将桶盖受到的作用力转换为0～5 V的电压信号。本系统中采用隔离型信号变送器，因为整个揉捻系统中有三相电机、变频器等交流设备，对弱电信号造成干扰，影响数据采集精度，进一步影响整个压力控制系统的控制精度。
压力调节组选用乐创两相混合式步进电机DM86系列电机，驱动器选用DMD808A。该系列步进电机步距角为1.80，步距角精度为+5%，转动惯量最大能达到2700g.Cm2，完全满足揉捻加压压力需求。
3.压力柔性控制及其算法
揉捻加压的直接动作部件是揉桶盖，通过控制步进电机的正反转来实现揉桶盖的上升和下降。加压时控制揉桶盖从揉桶上沿向下运动，减压时则相反。压力柔性控制是指使压部动作压力值与实时压力值之间存在不同的压力缓冲值，需求压力与实际压力的差的绝对值与不同的缓冲值比较，压部根据比较结果执行设定相应的动作。压力柔性控制中的关键参数为揉捻压力弹性系数。
压力柔性控制系数的算法为F差= F实-F设。当F差>Z粗准时，有v压部=v高；当F差 F实——揉捻实时压力值，N；
F设——揉捻需求压力值，N；
z粗准——压力粗调缓冲值，N；
Z细准——压力细调缓冲值，N；
v压部——步进电机转速，r/min；
v高——压力粗调步进电机转速，r/min；
k——揉捻压力弹性系数。
步进电机的转速由频率来控制，并且两者成正比。两相混合式步进电机的转速计算公式为其中：v步——步进电机转速，r/min；
f——步进电机频率，Hz；
T——步进脉冲周期值.s：
x——细分步数。
由式（1）可知，根据压力弹性系数的关系，可以推导出当F差从Z粗准趋近于z细准时，压部速度是逐渐降低的。压力差值大，压部进退速度快，反之进退速度慢，形成压力的柔性控制。 4 .系统软件控制
首先用MCGS组态编辑软件根据工艺需求完成组态程序的编写，在HMI中设计好所需要的操作界面如图3所示。
在进行揉捻操作时，在设定压力的输入框中输入所需要的压力参数。
在PLC程序设计中，与压力柔性控制相关的参数有：压部位置，压部高速，压部低速，压部粗准，压部细准，压部高速等。
压部位置定义为：当压部位于上限位时（上行极限位置）为位置1，压部在上限位与中限位之间时为位置2，压部在中限位（桶盖与揉桶上边沿齐平位置）时为位置3.压部在中限位和下限位之间时为位置4.压部在下限位（下行极限位置）时为位置5。系统会自动根据磁性感应开关的开关量信号和压部运动方向判断压部位置。
压部控制程序根据压力柔性控制算法结合其他关联参数进行编写。
5.实验数据及结论
分别采用以下3种压力控制模式进行对比实验：固定压力控制、刚性压力控制，柔性压力控制。固定压力控制是指当揉桶盖运动到实际压力值和设定压力值相等的位置就保持停止状态，直到接受到下一个控制信号为止。刚性压力控制是指当实际压力和设定压力差值不等于零时，差值为正，压部上移；差值等于零时，差值为负，压部下移。
设置揉捻机揉筒转速为35r/min.采用3种压力控制模式得到的压力曲线图如图4～图6所示。
在固定压力控制模式下，揉捻叶受力在揉桶内由平铺变为翻滚，而揉桶盖的位置固定，所以当茶叶翻滚到某一位置时压力值会激增，而在整个揉捻过程中茶叶受到的压力变化较大，不利于叶片缩紧成条，细胞破碎率和碎茶率较高。并且因为压力突变，使得机载负荷大，影响机器寿命，增加耗电量。
在刚性压力控制模式下，压部根据压力差值大小实时完整地进退，使得揉捻叶受到的压力较为均匀，细胞破碎率较好，碎茶率低，机载负荷小，但是成条率不理想，因为压力太过均匀，不能起到相应的揉搓效果。
在柔性压力控制模式下，压力控制相当于模拟弹簧受力弹性变化的过程。由于压力弹性系数的存在，让压力有一定的弹性变化空间，这样使得揉捻叶受到的压力既不突变也不均匀一致，这样既能保证揉捻叶的揉捻翻转效果也能降低揉捻机的损耗。揉捻叶缩紧成条率高，细胞破碎效果好，碎茶率低，形成死结少。
6.结束语
本文提出了一种全新的揉捻压力控制方法，柔性压力控制是完全区别于传统揉捻机的压力控制方法，柔性压力控制对揉捻加工过程中茶叶的品质影响很大。该控制系统目前已应用于揉捻单机中，运行稳定，状况良好。在以后的工作中，将借助于该控制系统模型，摸索总结不同种类的茶叶揉捻所需的压力工艺参数，并将其量化，建立茶叶揉捻压力数据库，为茶机智能化做准备，为茶叶的整体加工品质提供保障。
关键词：揉捻压力；柔性控制；PLC；步进伺服；模拟弹簧受力
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0080-04
引 言
随着茶产业的发展，我国机械行业从20世纪70年代初期开始，不断增加从事茶叶机械研究的力量，使茶机研究设计的广度、深度日趋扩展，促进了茶机品种和性能的增加与改善，揉捻机等也已形成系列。同时，茶叶生产连续化和自动控制技术，在国内已开始研究，揉捻机的程控功口压技术也达到一定水平。本文所述的压力柔性控制即是在程控加压的基础上进行的。收稿日期：2014-04-12：收到修改稿日期：2014-06-05基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAD06806）作者简介：谭和平（1957-），男，重庆市人，研究员，享受国务院政府津贴专家，从事生物化学茶产业链研究。
揉捻，是指用机械揉搓的方式破碎茶叶组织细胞，挤出汁液，并使叶片索紧成条的过程。揉捻叶的质量用成条率、细胞破碎率和碎茶率3个指标来衡量。在揉桶转动过程中，茶叶因到桶盖的压力以及桶壁的作用力而翻转。传统的揉捻机大都不能进行压力实时调节，使得茶叶受到的压力变化较大，叶片成条的程度和细胞破碎率也不相同，并加大揉捻机的机械磨损及耗能。在揉捻过程中要进行压力实时控制，就要对压力进行实时采集、转换，并将之与预设值进行比对，最终将比对结果转换成控制信号传递给压力执行部件，以压力执行部件的实时动作来实现压力实时调节，以及减轻揉捻机的机械磨损，降低能耗。
1.压力控制系统的原理
该压力控制系统的T作原理如图l所示。
人机接口（human maChine inlerface，HMI）也叫人机界面。用户可以通过HMI实时观察各项揉捻参数的变化情况，并对揉捻机进行直接操控。
可编程逻辑控制器（program mable logic con-troller，PLC）具备电气可靠性高、通信能力较强、适用性广等特点，是工控行业的主流控制器之一。PLC与HMI之间的通信协议采用Modbus RTU协议.HMI作为主站，PLC作为从站。
步进式伺服驱动系统包括步进电机驱动器和步进电机两部分，是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机，它受步进电机驱动器的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移。由于该系统没有反馈检测环节，使得精度比较差，速度也受到步进电机性能的限制。
为了弥补这一缺陷，控制系统设计了包含称重传感器、压力变送器和模拟量采集模块的压力检测反馈环节，与PLC共同构成了一个压力闭环控制系统。2系统硬件组成
该压力控制系统的硬件分为HMI.PLC.压力检测组和压力调节组4个部分。
HMI选用昆仑通态公司的监视与控制通用系统（morutor and conl.rol generated system，MCGS）触摸屏，监视与控制通用系统。这是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。
PLC选用Kinc，o-306EX系列。模拟量采集模块选用K333系列模拟量输入输出模块。
压力检测组由称重传感器和隔离型压力信号变送器组成。称重传感器将桶盖受到的作用力转换为0～5 V的电压信号。本系统中采用隔离型信号变送器，因为整个揉捻系统中有三相电机、变频器等交流设备，对弱电信号造成干扰，影响数据采集精度，进一步影响整个压力控制系统的控制精度。
压力调节组选用乐创两相混合式步进电机DM86系列电机，驱动器选用DMD808A。该系列步进电机步距角为1.80，步距角精度为+5%，转动惯量最大能达到2700g.Cm2，完全满足揉捻加压压力需求。
3.压力柔性控制及其算法
揉捻加压的直接动作部件是揉桶盖，通过控制步进电机的正反转来实现揉桶盖的上升和下降。加压时控制揉桶盖从揉桶上沿向下运动，减压时则相反。压力柔性控制是指使压部动作压力值与实时压力值之间存在不同的压力缓冲值，需求压力与实际压力的差的绝对值与不同的缓冲值比较，压部根据比较结果执行设定相应的动作。压力柔性控制中的关键参数为揉捻压力弹性系数。
压力柔性控制系数的算法为F差= F实-F设。当F差>Z粗准时，有v压部=v高；当F差
F设——揉捻需求压力值，N；
z粗准——压力粗调缓冲值，N；
Z细准——压力细调缓冲值，N；
v压部——步进电机转速，r/min；
v高——压力粗调步进电机转速，r/min；
k——揉捻压力弹性系数。
步进电机的转速由频率来控制，并且两者成正比。两相混合式步进电机的转速计算公式为其中：v步——步进电机转速，r/min；
f——步进电机频率，Hz；
T——步进脉冲周期值.s：
x——细分步数。
由式（1）可知，根据压力弹性系数的关系，可以推导出当F差从Z粗准趋近于z细准时，压部速度是逐渐降低的。压力差值大，压部进退速度快，反之进退速度慢，形成压力的柔性控制。 4 .系统软件控制
首先用MCGS组态编辑软件根据工艺需求完成组态程序的编写，在HMI中设计好所需要的操作界面如图3所示。
在进行揉捻操作时，在设定压力的输入框中输入所需要的压力参数。
在PLC程序设计中，与压力柔性控制相关的参数有：压部位置，压部高速，压部低速，压部粗准，压部细准，压部高速等。
压部位置定义为：当压部位于上限位时（上行极限位置）为位置1，压部在上限位与中限位之间时为位置2，压部在中限位（桶盖与揉桶上边沿齐平位置）时为位置3.压部在中限位和下限位之间时为位置4.压部在下限位（下行极限位置）时为位置5。系统会自动根据磁性感应开关的开关量信号和压部运动方向判断压部位置。
压部控制程序根据压力柔性控制算法结合其他关联参数进行编写。
5.实验数据及结论
分别采用以下3种压力控制模式进行对比实验：固定压力控制、刚性压力控制，柔性压力控制。固定压力控制是指当揉桶盖运动到实际压力值和设定压力值相等的位置就保持停止状态，直到接受到下一个控制信号为止。刚性压力控制是指当实际压力和设定压力差值不等于零时，差值为正，压部上移；差值等于零时，差值为负，压部下移。
设置揉捻机揉筒转速为35r/min.采用3种压力控制模式得到的压力曲线图如图4～图6所示。
在固定压力控制模式下，揉捻叶受力在揉桶内由平铺变为翻滚，而揉桶盖的位置固定，所以当茶叶翻滚到某一位置时压力值会激增，而在整个揉捻过程中茶叶受到的压力变化较大，不利于叶片缩紧成条，细胞破碎率和碎茶率较高。并且因为压力突变，使得机载负荷大，影响机器寿命，增加耗电量。
在刚性压力控制模式下，压部根据压力差值大小实时完整地进退，使得揉捻叶受到的压力较为均匀，细胞破碎率较好，碎茶率低，机载负荷小，但是成条率不理想，因为压力太过均匀，不能起到相应的揉搓效果。
在柔性压力控制模式下，压力控制相当于模拟弹簧受力弹性变化的过程。由于压力弹性系数的存在，让压力有一定的弹性变化空间，这样使得揉捻叶受到的压力既不突变也不均匀一致，这样既能保证揉捻叶的揉捻翻转效果也能降低揉捻机的损耗。揉捻叶缩紧成条率高，细胞破碎效果好，碎茶率低，形成死结少。
6.结束语
本文提出了一种全新的揉捻压力控制方法，柔性压力控制是完全区别于传统揉捻机的压力控制方法，柔性压力控制对揉捻加工过程中茶叶的品质影响很大。该控制系统目前已应用于揉捻单机中，运行稳定，状况良好。在以后的工作中，将借助于该控制系统模型，摸索总结不同种类的茶叶揉捻所需的压力工艺参数，并将其量化，建立茶叶揉捻压力数据库，为茶机智能化做准备，为茶叶的整体加工品质提供保障。