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        茶葉智能化加工技術的創(chuàng)新思考

        2019-01-04 20:07:18董春旺
        中國茶葉 2019年3期
        關鍵詞:裝備茶葉智能化

        董春旺

        中國農業(yè)科學院茶葉研究所,310008

        茶產業(yè)是我國傳統(tǒng)特色產業(yè),是“一帶一路”倡議中的傳統(tǒng)優(yōu)勢特色外向型產業(yè),其以突出的比較效益,成為涉茶地區(qū)2020年全面實現(xiàn)小康社會的脫貧攻堅產業(yè)[1]。茶葉加工是茶葉品質形成的重要階段,對茶葉品質等級起決定作用。目前,我國茶葉生產企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小,加工以單機作業(yè)為主,通過手工操作和經驗制茶,造成產品質量、風格的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性差,并引入諸多質量安全不穩(wěn)定因素[2]。以紅茶加工為例,其近年在國內發(fā)展迅速,幾乎國內所有茶葉加工企業(yè)開始涉入紅茶加工領域,但普遍存在制茶經驗不足、加工技術和裝備落后、設備與工藝配套性差、標準化水平低的情況[3]。目前我國茶機的最高自動化水平為生產線中央控制系統(tǒng),初步實現(xiàn)了監(jiān)控設備運行狀態(tài),線路故障與否、設備運行的實時顯示和統(tǒng)計,仍缺乏在制品品質性狀的在線數(shù)字化感知,以及品質的智能化定向調控技術,支撐產業(yè)發(fā)展面臨眾多挑戰(zhàn)[4-5]。

        隨著茶產業(yè)結構調整的深入,圍繞“降產能、去庫存,降成本、去杠桿,調結構、補短板”的供給側結構性改革和市場需求,茶葉加工技術和裝備正處于更新、升級轉型中,工業(yè)化、標準化、數(shù)字化和智能化的生產是未來發(fā)展的趨勢[6-9],而實現(xiàn)新型工業(yè)信息化時代背景下的傳承工藝數(shù)字化和智能化的產業(yè)技術需求,還面臨諸多共性技術問題。

        一、智能化加工面臨的產業(yè)共性技術問題

        1.傳承工藝的數(shù)字化問題

        品質的在線感知是茶葉數(shù)字化、智能化加工的基礎。在鮮葉原料、攤青、萎凋、殺青和干燥等關鍵工序中,水分、顏色、香氣和外觀紋理等物理特征、物料特性均發(fā)生變化,這些指標與最終的成茶品質密切相關[10]。由于缺少對品質相關的關鍵物料理化特性的快速檢測、感知和監(jiān)控技術,導致對生產線上茶葉加工品質的控制,基本靠人的經驗如“一看二聞三摸”,或基于時間、溫濕度等簡單工藝參數(shù)的過程控制,標準化程度低,自動化和可控性差,遠未實現(xiàn)真正意義上的“機器換人”和自動化加工生產[11-12]。

        2.關鍵加工裝備制造無規(guī)范、裝配無標準

        裝備的可靠性是工藝標準化的基礎。日本茶葉機械化、連續(xù)化、清潔化和自動化普及程度較高,無論單機或流水線均配有較完善的檢測和控制功能的制御盤,因得益于規(guī)范的制造、加工和裝配標準,高質量的傳感器,合理的布控檢測點及布線,保證了茶機較高的穩(wěn)定性、可靠性、互換性和控制精度[9]。此外,工業(yè)制造業(yè)(如汽車、航空)有嚴格的行業(yè)規(guī)范、認證和標準,如汽車的可靠性,取決于其傳感器檢測和控制系統(tǒng)的完善、布局及精度,顯然較拖拉機其行駛的可靠性、穩(wěn)定性更高[12]。

        縱觀綠茶、紅茶等茶機裝備,設備結構、傳感器型號、精度、用工用料、布控安裝位置、采集點、布設方法等均不統(tǒng)一,直接導致同一茶機性能相去甚遠,工藝參數(shù)無法推廣。設定參數(shù)與實際參數(shù)誤差較大,機器制茶仍需工人經驗把握,做茶“省力,不省心”,與工業(yè)領域的自動化標準相去甚遠。

        3.關鍵加工裝備與工藝需求不匹配

        制茶工藝與裝備的匹配性是茶葉高質化加工的基礎。由于茶葉加工工序及品質形成的復雜性,通用加工設備在使用中并不理想[12]。以工夫紅茶萎凋為例,在熱風和抽濕萎凋中,由于熱空氣密度較小,無論熱空氣或抽濕氣流從萎凋室的任何部位接入,熱空氣都會迅速向上部運動,造成萎凋室上部空間溫度較高,下部空間溫度較低[13-14]。同時,萎凋葉揮發(fā)水分逐層傳遞積累升高,使不同層的茶鮮葉溫度、濕度出現(xiàn)差異,失水速率不同,從而導致鮮葉萎凋不均勻,易產生紅葉、焦葉或萎凋不足等現(xiàn)象,影響了鮮葉萎凋質量。

        此外,現(xiàn)有發(fā)酵設備的設計理念也參照了萎凋、干燥設備,多為箱式結構、框架式多層結構設計,上下層間溫濕度有一定差異,同時各層攤放厚度不均,且不具備適時翻葉功能,致使發(fā)酵葉酶促氧化程度不統(tǒng)一[3]。茶葉加工裝備與工藝需求的匹配性,決定了制茶品質、工業(yè)化和標準化程度。

        二、對策與展望

        1. 突破更寬范圍的在制品性狀信號的數(shù)字化,實現(xiàn)茶葉裝備向更高階段發(fā)展

        現(xiàn)代食品生產線的高度自動化,除包括加工工藝自動化外,還含質量檢測調整自動化(品質、探傷、去雜、理化成分等質量要素),是以高生產率及減少生產人員為基本特征,也是現(xiàn)代食品加工企業(yè)食品品質在線檢測、過程控制和分級定價系統(tǒng)的要求,正是我國食品工業(yè)所缺失的[15]。

        同時,控制的根本在于控制信號的數(shù)字化和反饋控制[16],但現(xiàn)有茶葉生產中,除設備基礎參數(shù)(溫度、濕度、時間、轉速、流量和重量等)外,和茶葉品質息息相關的原料特性(嫩度、含水率、生化成分)、物料物理及質構特性(光、電、力、摩擦、彈性、塑形、質感、手感)、化學特性(pH、介電、電導)和感官特性(色、香、味、形)等信息尚未實現(xiàn)數(shù)字化。無人機、無人車等無人駕駛技術,其取決于對道路光、聲、電、圖像等多源信息的智能識別、融合、決策和駕駛執(zhí)行機構的處理能力。因此,通過現(xiàn)代食品在線檢測技術[16],建立相關品質信息的智能感知技術,形成工藝控制的專家決策數(shù)據(jù)庫,是突破茶葉智能化加工技術瓶頸的必要理論基礎和有效途徑。

        2.制訂茶機材料、檢測和控制系統(tǒng)的行業(yè)標準,構建茶葉標準化工藝技術體系

        針對現(xiàn)有綠茶、紅茶的茶機及生產線的控制單元,開展傳感器的性能評估、篩選、布控優(yōu)化研究,建立規(guī)范統(tǒng)一的傳感器、茶機材料(熱力學性能、厚度、規(guī)格)使用標準,以獲取茶葉加工中全面可靠的控制信號信息,是當前茶產業(yè)智能化進程中首要解決的問題。

        3.強化工藝與裝備技術融合,創(chuàng)新研發(fā)和優(yōu)化專用制茶設備

        通過仿生學、虛擬樣機、有限元、計算流體力學等現(xiàn)代機械設計方法[18],結合工藝性能實驗,研究關鍵裝備的溫度場、濕度場、流場時空分布規(guī)律和多體動力學特性,對茶機進行原始創(chuàng)新和集成優(yōu)化設計。提升攤青、萎凋、殺青、發(fā)酵和干燥等關鍵裝備的結構、供熱方式、通風方式和控制算法,優(yōu)化相關機械結構、傳動方式及運動學參數(shù),形成茶葉專用,以適應自動化、智能化生產的硬件要求。

        綜上,茶產業(yè)的發(fā)展將更加依賴于科技進步和科技創(chuàng)新,現(xiàn)代食品工程、機械電子、信息工程和人工智能等更多交叉學科的新技術、新理念,將傳播、滲透到傳統(tǒng)茶葉加工業(yè),促進現(xiàn)有茶機及茶技向精準化、數(shù)字化和智能化的升級。

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