陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 泉州 362400）

茶葉加工自動(dòng)化萎凋技術(shù)的研究*

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 泉州 362400）

文章提出一種模塊化集成式茶葉加工自動(dòng)萎凋機(jī)，采用PLC系統(tǒng)控制，對(duì)其風(fēng)機(jī)、加熱元件、電機(jī)傳動(dòng)、檢測原件等進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控、反饋及調(diào)節(jié)，保持適合茶葉萎凋的理想環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了茶葉生產(chǎn)流程的自動(dòng)化運(yùn)行、工藝參數(shù)精準(zhǔn)化執(zhí)行、生產(chǎn)進(jìn)程智能化調(diào)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

茶葉；加工；自動(dòng)化；萎凋

職業(yè)學(xué)校學(xué)生喜歡探索，每當(dāng)有小成就受到表揚(yáng)和鼓勵(lì)就會(huì)熱愛學(xué)習(xí)，尤其是茶鄉(xiāng)機(jī)電、電子類的學(xué)生，對(duì)制茶工藝比較熟悉，因此，讓學(xué)生參與茶葉機(jī)械的控制設(shè)計(jì)工作，不但提高了他們的學(xué)習(xí)熱情，滿足了他們渴望求知的迫切愿望，也讓他們發(fā)揮潛能，敢于動(dòng)手，敢于思考，勇于探索，勇于創(chuàng)新，為將來踏入社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

讓學(xué)生參與研究的是茶葉加工自動(dòng)化萎凋技術(shù)的設(shè)計(jì)。我國茶葉分6大茶類有紅茶、白茶、綠茶、黃茶、黑茶、青茶，不同茶類加工工藝方法不盡相同[1-2]。根據(jù)不同茶葉的加工工藝，把茶葉加工過程中的每道工藝進(jìn)行有效組合，研制出了有針對(duì)性工藝的萎凋設(shè)備，不僅可以讓用戶根據(jù)不同的茶葉加工工藝進(jìn)行組合，而且能更精確的設(shè)計(jì)每道加工工藝技術(shù)參數(shù)，從而達(dá)到精確控制，精確加工，提高茶葉生產(chǎn)的品質(zhì)。

1 茶葉制作工藝路線

目前國內(nèi)茶葉加工自動(dòng)化水平、機(jī)械智能化較低，茶葉的自動(dòng)生產(chǎn)流水線還處在起步階段，普遍采用的茶葉加工設(shè)備僅實(shí)現(xiàn)單機(jī)化，要實(shí)現(xiàn)茶葉加工全流程自動(dòng)化的難度更大、控制更復(fù)雜[7-9]。為實(shí)現(xiàn)茶葉加工高質(zhì)高效、節(jié)能減排降耗生產(chǎn)，減少人為因素影響、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在茶葉加工生產(chǎn)行業(yè)采取自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)是行業(yè)未來發(fā)展趨勢[10]。

此次帶學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是基于機(jī)理符合茶理的理念，根據(jù)烏龍茶、紅綠茶等茶葉傳統(tǒng)制作工藝，在實(shí)現(xiàn)單機(jī)智能作業(yè)與智能傳送的基礎(chǔ)上，利用總線控制技術(shù)進(jìn)行模塊化集成，并通過各種數(shù)字傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)制茶全流程的閉環(huán)控制與自適應(yīng)調(diào)整，是一種適合茶葉自動(dòng)連續(xù)加工的高效節(jié)能型、清潔生態(tài)型數(shù)控茶葉裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)“機(jī)器換人”，大幅提高生產(chǎn)效率，同時(shí)該產(chǎn)品還可以根據(jù)不同茶類、生產(chǎn)規(guī)模、工藝等生產(chǎn)要求進(jìn)行模塊匹配與重組，具有更廣泛的適應(yīng)面。

工藝路線如圖1所示：

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)目前已有的茶葉清潔化生產(chǎn)線的使用情況進(jìn)行分析并探索傳統(tǒng)茶葉加工工藝，研制出模仿自然天氣的模塊化新型茶葉自動(dòng)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線主要由殺青模塊、萎凋模塊、解塊模塊、揉捻模塊、發(fā)酵模塊、烘干模塊等6大模塊組成，以功能設(shè)備模塊化為基礎(chǔ)，通過對(duì)功能設(shè)備模塊和物體流量設(shè)備模塊的控制，組構(gòu)成可符合不同茶葉加工工藝的模塊化生產(chǎn)線，具有清潔化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。

項(xiàng)目主要針對(duì)生產(chǎn)線上萎凋模塊來研究，結(jié)合茶葉的萎凋形式、不同萎凋時(shí)間、不同茶葉的萎凋要求以及節(jié)能減排的要求，研究一款自動(dòng)化萎凋創(chuàng)新技術(shù)。設(shè)計(jì)保持著機(jī)理符合茶理的原則，各參數(shù)指標(biāo)合格甚至領(lǐng)先行業(yè)，節(jié)能減排且能源轉(zhuǎn)化率大大提升的自動(dòng)化萎凋設(shè)備。

3 設(shè)計(jì)方案

萎凋是茶葉生產(chǎn)過程的必要工序[1]。以烏龍茶為例，傳統(tǒng)做法是將茶葉晾在青后的鮮葉1～1.5kg置笳籬中，翻松后薄攤于青架上，放在涼爽處，使鮮葉中的各部位水分重新分布均勻，散發(fā)葉間熱量，均勻有效提高茶葉失水率和化學(xué)變化速度。這樣就需要人工攤青、翻青，工作強(qiáng)度大，并且，受天氣的影響嚴(yán)重，很大部分茶葉在陰雨天無法加工，品質(zhì)也受影響[4-6]。

自動(dòng)化萎凋創(chuàng)新的設(shè)備是由勻料裝置、進(jìn)料裝置、進(jìn)風(fēng)裝置、攤?cè)~裝置、日光采集、加熱裝置、控制裝置等組成，如圖2所示。通過與輸入端相連的溫、濕度控制系統(tǒng)，利用循環(huán)風(fēng)溫濕度處理、冷熱風(fēng)供應(yīng)、紅外線等技術(shù)，首選太陽能、風(fēng)能等對(duì)密布的網(wǎng)帶上茶葉鮮葉進(jìn)行處理，且控溫、通風(fēng)。設(shè)備主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)如表1所示。自動(dòng)化萎凋首先選用太陽光萎凋，當(dāng)太陽光不過的時(shí)候部分開啟設(shè)備本身的加熱系統(tǒng)，再次到太陽落山是運(yùn)用機(jī)組本身的加熱系統(tǒng)。首先體現(xiàn)了設(shè)計(jì)整體節(jié)能減排，其次不管哪種方式都通過數(shù)控控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、反饋，3個(gè)方式智能調(diào)換。該設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)加工工藝在陰雨天會(huì)不能制好茶，不能萎凋的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了茶葉模仿天氣的萎凋問題，擺脫了看茶做茶的瓶頸。

表1 茶葉自動(dòng)化萎凋設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

4 自動(dòng)萎凋設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)及說明

4.1.1 主傳動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流是工作電流的4-7倍，若采用變頻器來控制系統(tǒng)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，如圖3所示。選用變頻器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行、調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而達(dá)到控制攤?cè)~厚度和茶葉流量的目的。另外，采用變頻器能最大程度消除電壓下降，能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)因?yàn)檫^載或電流太大而燒掉，能更好的保證電機(jī)壽命，減少機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損，從而降低維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。通過其他配合控制設(shè)備和儀器，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化組網(wǎng)的一體化開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉萎凋過程各個(gè)參數(shù)的集中采集和控制。

4.1.2 傳送帶電機(jī)控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉的自動(dòng)搬運(yùn)，系統(tǒng)的傳送帶電機(jī)采用三相電機(jī)接線方式、三角形負(fù)載連接供電，如圖4示；通過總線與PLC連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。

4.1.3 PLC控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用可編程控制器PLC（臺(tái)達(dá)ES2型）配合嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，用戶可通過人機(jī)界面（觸摸屏）輸入萎凋的工藝技術(shù)參數(shù)，讓系統(tǒng)控制各模塊裝置工作[6-8]?？蓪?shí)現(xiàn)以下功能：

4.1.3.1 開關(guān)量邏輯控制。

PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器控制電路[3]，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)聯(lián)控及自動(dòng)化生產(chǎn)線，從而可通過變頻器對(duì)紅茶生產(chǎn)過程中的各電機(jī)開關(guān)量進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程控制。

4.1.3.2 模擬量控制。

萎凋生產(chǎn)過程當(dāng)中，濕度、溫度、風(fēng)速等都是連續(xù)變化的模擬量。為了讓PLC準(zhǔn)確處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使PLC完成模擬量采集和控制。

4.1.3.3 運(yùn)動(dòng)控制。

茶葉的流動(dòng)性并不好，需均勻的攤放在輸送裝置內(nèi)。系統(tǒng)采用PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的多軸位置控制模塊，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，均勻的將茶葉平攤在輸送裝置上面。當(dāng)紅外開關(guān)感應(yīng)到茶葉，可以自動(dòng)停止，當(dāng)萎凋時(shí)間結(jié)束時(shí)再將茶葉傳輸出去，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸送裝置的運(yùn)動(dòng)控制。

4.1.3.4 數(shù)據(jù)處理。

傳統(tǒng)人工制茶都是依靠經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致每一批次的茶葉品質(zhì)很難統(tǒng)一。利用PLC具有數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、查表、排序、位操作的功能，完成茶葉發(fā)酵過程數(shù)據(jù)的分析、采集及處理。這些數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的設(shè)定值進(jìn)行比較進(jìn)而控制操作，也可利用通信功能傳送到別的智能終端，或制成表格打印出來。對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，分析出不同茶葉不同技術(shù)參數(shù)對(duì)質(zhì)量的影響，從而精準(zhǔn)定位每款產(chǎn)品口感、外觀等，讓自動(dòng)生產(chǎn)線制作出來的茶葉標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，產(chǎn)品更具有較強(qiáng)市場競爭力。(見圖5）

4.1.4 人機(jī)界面（見圖6）

4.2 程序設(shè)計(jì)

4.2.1 控制要求

將所有傳送帶、溫濕度模塊、氣動(dòng)元器件集中到主配電柜中控制，使用戶僅需通過人機(jī)界面即可輕松做茶；使萎凋的傳送帶實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)動(dòng)、萎凋組的溫濕度動(dòng)態(tài)平衡、萎凋定時(shí)控制。

4.2.2 元件說明

元件說明如表2所示。

表2 元件說明

4.2.3 控制程序（見圖7）

（1）傳送帶控制

用戶只需在人機(jī)界面按下（參考圖6）進(jìn)料啟動(dòng)、進(jìn)料停止、出料啟動(dòng)、出料停止按鈕，萎凋系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)用戶在人機(jī)界面所給的指令去驅(qū)動(dòng)各傳送帶運(yùn)行，從而將茶葉輕松送入萎凋組內(nèi)或?qū)⑽蛲瓿傻牟枞~送出萎凋組外。

（2）萎凋控制

當(dāng)茶葉進(jìn)入到萎凋組后，用戶只需在人機(jī)界面設(shè)定好萎凋的工藝參數(shù)，然后按下萎凋啟停按鈕即可開始萎凋。萎凋控制中由以下3個(gè)模塊組成： a.萎凋計(jì)時(shí)；b.溫度控制；c.傳送控制

4.2.4 萎凋機(jī)操作

5 現(xiàn)場應(yīng)用

表3 不同萎凋方法的比較

根據(jù)不同制茶工藝，對(duì)茶葉加工模塊的合理性配比，同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊的控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合在一起。使用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，并結(jié)合交流伺服技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)的控制。PLC控制臺(tái)將各控制模塊按工藝步驟連接為一個(gè)整體[1]，將各環(huán)節(jié)分別做成各控制單元，在總臺(tái)對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。中央控制室可實(shí)現(xiàn)整套模塊系統(tǒng)控制，全程利用微機(jī)單元控制，實(shí)現(xiàn)可視化操作。以紅茶控制系統(tǒng)為例，根據(jù)茶葉制作工藝需要，只需將萎凋模塊、揉捻模塊、解塊模塊、發(fā)酵模塊、烘干模塊等幾個(gè)模塊的控制系統(tǒng)通過“以太網(wǎng)”連接起來，即可組合成紅茶控制系統(tǒng)，生產(chǎn)線現(xiàn)場外觀圖如圖8所示。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)萎凋采用架子探訪走水，這樣的方式茶葉失水的速度慢，時(shí)間太長，且不均勻，會(huì)導(dǎo)致加工后茶葉的香氣低下，葉底昏暗，湯色渾濁，茶湯苦澀，帶青草味。基于研究的自動(dòng)萎凋機(jī)，開展與傳統(tǒng)室內(nèi)萎凋的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，自動(dòng)萎凋機(jī)所需時(shí)間較傳統(tǒng)室內(nèi)自然萎凋縮短了36%以上，萎凋中水分散失速率提升33.3%，且大幅減少了人力，萎凋效果更均勻。

研究采用茶葉加工自動(dòng)萎凋集成創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)流程自動(dòng)化運(yùn)行、工藝參數(shù)精準(zhǔn)化執(zhí)行、生產(chǎn)進(jìn)程智能化調(diào)度，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少資源消耗，避免茶葉加工二次污染，達(dá)到自動(dòng)清潔全天候、節(jié)能減排降耗生產(chǎn)。全天候萎凋化茶葉自動(dòng)生產(chǎn)線解決了茶農(nóng)對(duì)不同茶類加工的需求[1]，降低了茶農(nóng)的投入成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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TP23

A

1007-550X（2016）09-0050-05

10.3969/j.issn.1007-550X.2016.09.006

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD06B06）；福建省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2015N3004）。

2016-08-16

陳加友(1969－)，男，高級(jí)講師，主要從事機(jī)電和茶葉的教育教學(xué)工作。