陳加友

(黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

顆粒成形工藝是閩南烏龍茶加工工藝中的特殊工序，其作用是對(duì)揉捻葉經(jīng)過(guò)一系列揉搓擠壓，使茶葉產(chǎn)生卷曲緊結(jié)的顆粒形狀。近年來(lái)，機(jī)械化制茶代替了傳統(tǒng)的手工制茶，但成形工藝仍處于單機(jī)作業(yè)的半機(jī)械化水平，工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約著連續(xù)化、清潔化烏龍茶初制加工生產(chǎn)線的建立。茶葉的速包—包揉—松包工藝已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的茶葉生產(chǎn)需求，連續(xù)性成形技術(shù)成為閩南烏龍茶加工過(guò)程中亟待解決的技術(shù)瓶頸[1]。劉波[2]探究顆粒茶成形工作原理，并設(shè)計(jì)一臺(tái)顆粒茶成形設(shè)備，制成顆粒茶外觀為綠色和顆粒狀。薛志慧等[3]研究顆粒狀烏龍茶的成形機(jī)理，分析了“速包+平板”和“全速包”兩種成形工藝，以及各階段茶葉柔軟性、含水率、塑性等物理特性的變化。郝志龍等[4]認(rèn)為閩南烏龍茶造型工藝中烘焙時(shí)機(jī)對(duì)造型效果具有顯著影響。丁勇等[5]研究祁紅顆粒茶的加工工藝，確定了祁紅顆粒茶的最佳工藝。溫曉等[6]利用不同粘合劑、不同粉碎粒度的藤茶制備顆粒茶，結(jié)果表明，粘合劑用量的比例為10%、藤茶粉碎粒度為60目，所制備顆粒茶的顆粒形態(tài)、滋味和組織形態(tài)最佳。但尚未有研究能解決閩南顆粒烏龍茶連續(xù)自動(dòng)化成形的技術(shù)難題。因此，本研究根據(jù)顆粒茶的傳統(tǒng)制作工藝，通過(guò)模擬手工制茶的反復(fù)壓揉成形原理，研制了一款顆粒茶成形設(shè)備并開(kāi)展試驗(yàn)研究，解決了連續(xù)性、自動(dòng)化顆粒茶成形的技術(shù)難題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顆粒茶成形設(shè)備由成形機(jī)及解塊打散機(jī)組成，通過(guò)輸送帶使設(shè)備進(jìn)行循環(huán)反復(fù)成形—解塊打散作業(yè)，可以根據(jù)茶葉老嫩程度設(shè)置循環(huán)次數(shù)，直至茶葉顆粒成形，如圖1所示。

1.提升機(jī) 2.成形機(jī) 3.控制面板 4.活動(dòng)輪 5.輸送帶 6.解塊打散機(jī) 7.機(jī)架

1.2 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.2.1 成形機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成形機(jī)主要由蓋板液壓缸、蓋板推桿、蓋板、成形腔、蓋板止位擋板、側(cè)推氣缸、控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

1.蓋板液壓缸 2.蓋板推桿 3.蓋板 4.成形腔 5.活動(dòng)輪 6.出料口 7.蓋板止位擋板 8.指示燈 9.控制面板 10.開(kāi)關(guān) 11.調(diào)節(jié)旋鈕 12.側(cè)推氣缸 13.控制箱

成形機(jī)利用液壓原理，其壓力大小可控(3～22 MPa)，方便于茶葉擠壓成形。由于烏龍茶造形葉屬于粘彈性材料，具有粘彈性材料的“應(yīng)力松馳特性”，在制葉束縛在茶包內(nèi)的定包過(guò)程，茶葉內(nèi)依然存在內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力在松弛階段達(dá)到平衡應(yīng)力點(diǎn)，對(duì)制葉進(jìn)一步塑性變形起到重要作用。工作時(shí)茶葉如同裝入一個(gè)大的長(zhǎng)方體內(nèi)，上板、下板固定，后板向前擠壓一定位置后停住，左右兩個(gè)側(cè)板再向內(nèi)擠壓，一定時(shí)間停頓(保壓時(shí)間)后，兩側(cè)板退開(kāi)，后板退開(kāi)，蓋子打開(kāi)，L型翻斗將茶葉翻出，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)，降低了人工成本，并有效提升了顆粒茶成形效率。

1.2.2 解塊打散機(jī)設(shè)計(jì)

成形作業(yè)后的茶葉因茶汁擠出，使茶葉成團(tuán)，同時(shí)會(huì)有茶末產(chǎn)生。顆粒茶成形設(shè)備設(shè)計(jì)添加解塊打散機(jī)，采用“一次打散、二次篩末”的解塊打散方式，減少茶葉在解塊過(guò)程中的二次損傷所產(chǎn)生的碎茶及茶末，同時(shí)茶葉在隨著滾筒的“拋—揚(yáng)”運(yùn)動(dòng)及熱風(fēng)作用下，茶汁快速風(fēng)干粘附在茶葉上。

1.3 顆粒茶成形原理

傳統(tǒng)顆粒茶成形工藝工作流程為：茶巾布將茶葉包裹住成茶巾球，速包機(jī)滾輥?zhàn)鳂I(yè)使茶巾球在擠壓—剪切壓力下初步形成顆粒狀，再經(jīng)過(guò)包揉機(jī)壓板作用使茶巾球內(nèi)茶葉保壓定形成球狀，再經(jīng)過(guò)松包機(jī)滾筒打散并初步烘干茶葉，通過(guò)速包機(jī)—包揉機(jī)—松包機(jī)反復(fù)交替作業(yè)，使茶葉最終成形為顆粒。但該工藝存在做形勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且質(zhì)量不穩(wěn)定[2]，不適合顆粒茶大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

本顆粒茶成形設(shè)備工藝流程為：工作時(shí)將茶葉裝入一個(gè)大的長(zhǎng)方體內(nèi)，上板、下板固定，后板向前擠壓一定位置后停止，左右兩個(gè)側(cè)板再向內(nèi)擠壓，停頓至保壓時(shí)間后，兩側(cè)板退開(kāi)，后板退開(kāi)，蓋子打開(kāi)，L型翻斗將茶葉翻出。通過(guò)解塊篩末自動(dòng)對(duì)茶磚進(jìn)行松解打散，再送回成形機(jī)再次擠壓，如此多次反復(fù)，直至茶葉成為顆粒狀。

本設(shè)備利用液壓原理控制壓力，壓力可控范圍為3～22 MPa，這有利于茶葉擠壓成形。針對(duì)烏龍茶茶青膨松、擠壓時(shí)彈性大的特點(diǎn)，本設(shè)備通過(guò)不同方向反復(fù)的擠壓折疊使茶葉制成顆粒茶的茶磚。再經(jīng)過(guò)解塊篩末打散并初步烘干茶葉，通過(guò)成形機(jī)—解塊篩末反復(fù)閉環(huán)交替作業(yè)，使茶葉最終成形為顆粒狀。該設(shè)備自動(dòng)化程度高，適用于顆粒茶大規(guī)模生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

成形設(shè)備采用PLC取代傳統(tǒng)的單片機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制，通過(guò)總線與PLC連接，從而使PLC對(duì)茶葉生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化控制；通過(guò)嵌入式觸摸屏與PLC通訊來(lái)控制系統(tǒng)輸入各項(xiàng)茶葉顆粒成形的控制參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)示意圖，如圖3所示。

圖3 顆粒茶成形設(shè)備控制系統(tǒng)示意圖

2.2 PLC模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求和控制功能分析，選擇德國(guó)西門(mén)子的S7-200 SMART系列 CPU SR40作為核心控制單元，另外擴(kuò)展一個(gè)模塊EM AI04(4個(gè)模擬量輸入)。CPU SR40 集成24輸入點(diǎn)/16輸出點(diǎn)。共40個(gè)數(shù)字量輸入輸出端口(I/O)點(diǎn)，4個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，一個(gè)RS 485通訊接口。該型號(hào)PLC結(jié)構(gòu)緊湊、處理速度快、價(jià)格適中，且具有一定的擴(kuò)展能力，主要用于控制變頻器及其他外部 I/O 數(shù)字量的處理等?？刂葡到y(tǒng)的輸入輸出地址分配情況如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表

2.3 變頻模塊設(shè)計(jì)

變頻器采用意科SV9系列變頻器，以滾筒電機(jī)為例，接線如圖4所示。

圖4 變頻器接線圖

為了能夠更加精準(zhǔn)地控制滾筒的加減速時(shí)間及轉(zhuǎn)速，需要通過(guò)RS 485與PLC通訊，以更快速、精準(zhǔn)地傳送所需參數(shù)，并便于對(duì)滾筒的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)設(shè)置如下：控制方式采用二線式運(yùn)轉(zhuǎn)控制，正轉(zhuǎn)/停止、反轉(zhuǎn)/停止、復(fù)位，通過(guò)PLC數(shù)字輸出點(diǎn)控制。加速時(shí)間、減速時(shí)間、頻率基準(zhǔn)則通過(guò)PLC通訊給定。通過(guò)觀察茶葉質(zhì)量、茶葉重量，設(shè)置解塊篩末啟動(dòng)、停止時(shí)的加/減速時(shí)間與解塊時(shí)滾筒旋轉(zhuǎn)速度。降低茶葉解塊時(shí)產(chǎn)生的碎茶及茶末。控制系統(tǒng)主電路接線如圖5所示。

圖5 主回路接線圖

3 操作流程

制茶時(shí)，技術(shù)人員根據(jù)茶葉的老嫩狀態(tài)來(lái)調(diào)控技術(shù)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)控制階段，在成形過(guò)程中如需修改參數(shù)，可直接輸入，不需要停止自動(dòng)程序，系統(tǒng)可根據(jù)不同批次進(jìn)入的茶葉進(jìn)行分段式計(jì)時(shí)?？刂泼姘迦鐖D6所示。

圖6 控制面板示意圖

該顆粒茶成形設(shè)備PLC控制流程，如圖7所示。

圖7 顆粒茶成形設(shè)備工作流程圖

顆粒茶成形設(shè)備的控制過(guò)程如下。

(1)設(shè)置參數(shù)。循環(huán)次數(shù)(1～20次，可調(diào))，壓力(3～22 MPa，可調(diào))，保壓時(shí)間(3～600 s，可調(diào))，打散時(shí)間(1～600 s，可調(diào))。通常情況下，壓力、保壓時(shí)間、打散時(shí)間應(yīng)由小到大。例如：第一次調(diào)節(jié)壓力為3 MPa，保壓時(shí)間為10 s，打散時(shí)間為20 s；第二次調(diào)節(jié)壓力為4 MPa，保壓時(shí)間為15 s，打散時(shí)間為25 s。

(2)裝第一袋茶并第一次成形。將第一袋經(jīng)過(guò)殺青的茶葉(50 kg為宜)裝入成形機(jī)。按下“工作”按鈕，成形機(jī)根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)工作，完成后將茶磚(稱(chēng)第一塊茶葉)送出至進(jìn)入滾桶的傳送帶上(傳送帶靜止)；此時(shí)，成形機(jī)內(nèi)茶葉已清空，機(jī)器處于暫停狀態(tài)。

(3)裝第二袋茶。制茶人員將第二袋經(jīng)過(guò)殺青的茶葉(同樣50 kg左右)裝入成形機(jī)中。

(4)兩袋茶分別成形和打散。再按“工作”按鈕，成形機(jī)工作，同時(shí)第一塊茶葉經(jīng)傳送帶進(jìn)入滾桶正轉(zhuǎn)打散，按設(shè)置的打散時(shí)間打散。若打散時(shí)間到，但第二袋茶葉在成形機(jī)還未完成，則滾桶靜止等待；若成形機(jī)先完成第二袋的工作，則茶葉翻出至靜止的傳送帶上。

(5)兩塊茶交替成形與打散。成形機(jī)完成第二塊茶葉清空后，滾桶反轉(zhuǎn)，由傳送帶將散開(kāi)的第一塊茶葉送入成形機(jī)，成形機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)工作；第二塊茶葉進(jìn)入滾桶打散。如此，周而復(fù)始，成形和打散交替循環(huán)工作，直到完成設(shè)置的次數(shù)為止。

(6)結(jié)束狀態(tài)。第一塊茶葉工作先結(jié)束，成形機(jī)將之翻出，同時(shí)報(bào)警提示；第二塊茶葉結(jié)束后，同樣報(bào)警提示。工作畫(huà)面顯示“工作完成”。

4 茶葉成形過(guò)程試驗(yàn)及對(duì)比

4.1 試驗(yàn)基本條件

顆粒型成形設(shè)備由福建佳友茶葉機(jī)械智能科技股份有限公司生產(chǎn)，樣本茶選用產(chǎn)于安溪縣龍涓鄉(xiāng)舉源茶葉專(zhuān)業(yè)合作社的本山茶，采樣時(shí)間為2021年8月6日及2021年10月9日，殺青葉樣本含水率在33%左右，采用多點(diǎn)(不少于8個(gè)點(diǎn))隨機(jī)和對(duì)角線加中心點(diǎn)五點(diǎn)采樣法對(duì)試驗(yàn)所用的包揉葉及毛茶進(jìn)行取樣，并按照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定(GB 5009.3—2016)》和茶葉感官審評(píng)方法(GB/T 23776-2018)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為(25±5)℃，空氣濕度(RH)不大于85%。

4.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

儀器包括托盤(pán)天平(載荷為100 g，精度0.1 g)，由常熟市駿騰塑膠模具有限公司生產(chǎn)；對(duì)照組設(shè)備包括JY-6 CSB-75型速包機(jī)、JY-6 CBR-21型包揉機(jī)、JY-6 CSB-100型松包機(jī)，均由福建佳友茶葉機(jī)械智能科技股份有限公司生產(chǎn)。

4.3 試驗(yàn)過(guò)程

同一批本山茶鮮葉經(jīng)曬青、做青、殺青后，采用常規(guī)成形工藝(對(duì)照組成形工藝)、顆粒茶成形智能設(shè)備成形工藝分別進(jìn)行成形、烘干后，對(duì)照分析兩種成形設(shè)備機(jī)及后處理工藝對(duì)毛茶成品品質(zhì)的影響，如圖8所示。

圖8 不同成形設(shè)備試驗(yàn)工藝流程

4.4 兩種成形設(shè)備效能對(duì)比

為了驗(yàn)證顆粒茶成形設(shè)備效能，設(shè)置對(duì)照組設(shè)備進(jìn)行對(duì)比。在相同條件下，對(duì)照組設(shè)備與顆粒茶成形設(shè)備性能參數(shù)如表2所示。

從表2可見(jiàn)，在日產(chǎn)量方面，相比對(duì)照組設(shè)備，顆粒茶成形設(shè)備的日產(chǎn)量提高了316%；在操作人數(shù)上，顆粒茶成形設(shè)備操作所需人數(shù)也較少，可節(jié)省人工成本；在生產(chǎn)效率方面，顆粒茶成形設(shè)備大大高于對(duì)照組設(shè)備，是對(duì)照組設(shè)備的12.5倍；在電耗率方面，顆粒茶成形設(shè)備由于自動(dòng)化程度高，其電耗率稍高于對(duì)照組設(shè)備。

表2 對(duì)照組設(shè)備與顆粒茶成形設(shè)備性能參數(shù)

4.5 兩種設(shè)備制成品品質(zhì)對(duì)比

參照國(guó)標(biāo)《茶葉感官審評(píng)方法》(GB/T 23776—2018)的方法對(duì)茶樣的感官品質(zhì)進(jìn)行審評(píng)，茶樣各稱(chēng)取5 g，分別沖泡2、3、5 min后進(jìn)行審評(píng)[7]，采用評(píng)語(yǔ)與評(píng)分相結(jié)合的方法，總分100分，其中外形占比20%、香氣占比30%、滋味占比35%、湯色占比10%、葉底占比5%，以加權(quán)方式計(jì)算品質(zhì)得分[8]。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

從表3可知，對(duì)于暑茶而言，顆粒茶成形設(shè)備、對(duì)照組設(shè)備生產(chǎn)加工的茶葉感官品質(zhì)的總分分別為86.50和86.35；就秋茶感官品質(zhì)而言，顆粒茶成形設(shè)備、對(duì)照組設(shè)備生產(chǎn)加工的茶葉感官品質(zhì)的總分分別為85.93和86.70。由此可知，顆粒茶成形設(shè)備與對(duì)照組設(shè)備生產(chǎn)加工的葉茶，其感官品質(zhì)沒(méi)有明顯差別。

表3 不同成形設(shè)備技術(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

5 結(jié) 論

成形是顆粒烏龍茶形成固有風(fēng)味品質(zhì)的關(guān)鍵工序。原有的顆粒成形工藝采用包揉機(jī)和速包機(jī)反復(fù)多次揉壓，使茶葉成顆粒狀，存在勞動(dòng)強(qiáng)度較大、生產(chǎn)效率較低、難以連續(xù)性自動(dòng)化生產(chǎn)、制茶周期長(zhǎng)和自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)；同時(shí)工藝參數(shù)難以控制，導(dǎo)致品質(zhì)不穩(wěn)定。本文的顆粒茶成形設(shè)備，利用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了顆粒成形、松包篩末、反復(fù)成形等功能，保證了烏龍茶特有風(fēng)味，大大提高了顆粒烏龍茶的生產(chǎn)效率。