用于提升效率、一致性与产品品质的稳健自动咖啡豆清洗机的设计与控制

《Applied Food Research》：Design and Control of a Robust Automatic Coffee Washing Machine for improved efficiency, consistency, and product quality

　　

摘要：研究人员提出一种用于改善效率、一致性和产品品质的稳健自动咖啡豆清洗机（automatic coffee washing machine）的设计与控制方案，该设备单次批次可处理达360 kg咖啡豆，耗时不超过30 min，即生产效率提升至12 kg/min，适用于大规模咖啡加工应用。系统中采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）并通过Delta ISPSoft进行编程与仿真，人机界面（Human Machine Interface, HMI）采用DOPSoft设计以实现实时监测。为控制咖啡干燥温度设计了比例—积分—微分控制器（Proportional Integral Derivative controller, PID），并在MATLAB中进行仿真；采用变频驱动器（Variable Frequency Drive, VFD）调节清洗槽搅拌器转速。仿真结果表明，系统瞬态响应快，上升时间（rise time）为375.04 s，调节时间（settling time）为696.01 s，无超调（no overshoot），稳态误差（steady-state error）为0.18°C。咖啡豆含水率由初始约0.6（干基，dry basis）降至12%，证实干燥有效。此外系统水效为0.01 kg/L，时间效率为12 kg/min，能效为72 kg/kWh，清洗效果提升15%，废水回用显著减少环境影响。

论文解读：

【研究背景与意义】

阿拉比卡咖啡（Coffea Arabica）是埃塞俄比亚农业经济支柱，其出口竞争力高度依赖后处理（post-harvest processing）质量，尤其是湿法加工（wet processing）中的脱浆（depulping）与清洗（washing）环节，直接影响风味与香气。传统人工或半机械化清洗方式劳动强度大、耗时长、品质不均且耗水耗能高。为解决此问题，Elias Tegegne Emerie、Velmurugan Paramasivam、Birhanu Adisie Fentaw、Bereket Haile Woldegiorgis与Addisu Frinjo Emma在《Applied Food Research》上发表本研究，旨在设计并控制一套全自动咖啡清洗—干燥集成系统，以提升处理效率、批次一致性及最终产品品质，同时降低资源消耗并实现废水处理回用。

【主要技术方法】

研究人员选用湿法加工路线，完成机械结构计算（机架、脱浆鼓、料斗、搅拌器、传送带、去黏蛋白圆筒、轴径等）、传感器选型（光电豆检测、电磁流量计、水位、称重、激光测径、位置、温湿度DHT11/22、pH、BOD）与执行器配置（交流AC搅拌电机、伺服电机、水泵、电磁阀）。控制核心为Delta系列PLC，用ISPSoft编写梯形图逻辑，DOPSoft开发HMI各工序监控界面；干燥温度采用MATLAB整定PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器参数（K_p=3.6437×10⁴，K_i=1.1131，K_d=0），通过VFD调控搅拌电机转速；建立干燥过程传热传质数学模型（对流Q_conv、传导Q_cond、热损失Q_loss及能量平衡方程）；废水处理设六罐多级流程（酸化—沼气消化—中和—化学储存—水熟化—清水储），由PLC按液位、BOD、pH反馈顺序控制泵阀实现回用；全系统通过PLC+HMI+VFD+PID联合仿真验证自动化逻辑与动态性能。

【研究结果】

3.1 Simulation Result

3.1.1 Simulation Result of Coffee Pulping Process

PLC梯形图与HMI仿真显示，操作人员通过HMI设定流量与电机转速后，启动按钮触发喂料电机，接近传感器检测到咖啡樱桃（coffee cherry）后依次启动浮动与脱浆电机。尺寸检测传感器结合位置传感器反馈，PLC动态调整脱浆滚筒与铁面板（iron faceplate）间隙：小果(7–8 mm宽)间隙11–12 mm，中果(9–10 mm宽)12–13 mm，大果(10–11 mm宽)14–16 mm（含公差），从而减少破豆并提升脱浆效率。

3.1.2 Simulation Result of Coffee Bean Mucilage Removal Process

去黏蛋白（de-mucilaging）阶段由豆检测传感器触发传送带电机，满罐信号停止进料并启动内筒旋转与水供给，模拟表明传感器—执行器联动逻辑可确保仅在存在豆子时运行，避免空转。

3.1.3 Simulation Result of Coffee Bean Washing Process

清洗流程经HMI设定目标重量与搅拌转速后，称重传感器达设定值停喂料，水位传感器控制进排水电磁阀，VFD调速搅拌，定时多次漂洗后排出至干燥单元；仿真验证自动循环逻辑正确。

3.1.4 Motor Speed Control Using PLC, VFD and HMI (Simulation)

PLC模拟量输出0–10.02 V对应电机0–1500 rpm呈线性（0 V→0 rpm，5.01 V→750 rpm，10.02 V→1500 rpm），证实PLC–VFD–HMI标定正确，可实现精确转速控制。

3.1.5 Simulation Result: Coffee Bean Drying Process

干燥阶段由HMI设目标湿度(10–12%)、温度(35°C)与转速；低液位开输送机入豆，满位关输送启加热器、鼓风机与转鼓电机；PID算法将腔体温度稳于35°C，湿度传感器达目标值后停加热与鼓风，转入清选。

3.1.6 Open Loop Simulation Result of Coffee Bean Drying Process

开环（无反馈）下豆温从25°C持续升至约63°C无稳定点，转鼓初微降后缓升至约34°C，证明无控温会导致过热风险，强调需闭环PID。

3.1.7 Coffee Bean Drying with PID Temperature Control (Simulation)

PID闭环控制使豆温由25°C快速趋近并稳定于设定点35°C（上升时间375.04 s，调节时间696.01 s，零超调，稳态误0.18°C），空气温先高后随换热下降并稳于较低值，水分由干基0.6逐步降至12%；加热器功率初25 kW随后稳于约10 kW，证实PID兼顾快速性与节能。

3.2 Comparison of Coffee Bean Drying with and without PID Control

对比表明开环无法跟踪设定点、过热风险高、温稳差、能效低、干燥不均；PID闭环能准确跟踪设定点35°C、无超调、具定义动态指标、温稳优、能耗改善、干燥品质均匀，验证了闭环控制在咖啡干燥中的必要性。

3.3 Simulation of Coffee Wastewater Treatment and Recycling

六罐废水处理与回用经液位/BOD/pH传感器与PLC时序逻辑仿真成功：酸化罐满→静置6 h→转至沼气消化罐(BOD降)→中和罐(pH调中性)→抛光→清水储，达标后回用于脱浆与清洗，降低新鲜水耗并满足环保要求。

3.4 Coffee Washing Machine Performance Metrics

与传统手工清洗相比，所提系统时间效率12 kg/min（传统5–8 kg/min），能效72 kg/kWh（传统40–60 kg/kWh），水耗<3 L/kg（传统3–5 L/kg），清洗效果达95%（传统80–90%），证实综合性能优于现有方法。

【讨论与结论翻译】

本研究成功完成了自动咖啡清洗系统的设计计算、仿真与控制，涵盖脱浆、去黏蛋白、清洗与干燥工艺，并通过PLC程序逻辑与传感器—执行器交互实现无人干预自动运行。脱浆阶段接近传感器准确触发喂料与脱浆电机，HMI允许依豆尺寸调整转速与流量；去黏蛋白阶段传送带、料位与搅拌器同步启停且仅在豆存在时工作；清洗阶段水位与称重传感器精确控制进排液与VFD调速搅拌，多周期漂洗后自动卸料；干燥阶段MATLAB整定PID将咖啡豆温度准确控制在35°C，湿度达12%停止。机械设计通过扭矩、功率及应力载荷校核确定电机规格与轴径(推荐≥35 mm)，接触部件选不锈钢、框架用低碳钢。VFD动态调节搅拌转速兼顾能效与清洗效果，集成多级废水回用子系统以降低水耗。各子系统仿真验证了操作准确性、能耗优化及用户友好HMI监控功能。