摘 要：為提高湘西茶葉加工設(shè)備水平、提升產(chǎn)品質(zhì)量，本文以十八洞黃金茶綠茶加工線為對(duì)象，探析運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)搭建柔性生產(chǎn)線，以在原料差異條件下確保生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，并通過(guò)收集加工參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)綠茶加工從經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，為數(shù)字化環(huán)境下的茶機(jī)技術(shù)集成、工藝持續(xù)優(yōu)化及新一代主力茶機(jī)單元的推廣和應(yīng)用提供新思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；黃金茶；柔性生產(chǎn)線

Abstract： To improve the level of tea processing equipment and product quality in Xiangxi， this paper takes Shibadong Golden Tea and green tea processing line as the object， explores the use of digital technology to build a flexible production line to ensure production and quality stability under different raw material conditions. And by collecting processing parameters to establish a database， it promotes the transformation of green tea processing from experience oriented to data-driven， providing new ideas for the integration of tea machine technology， continuous optimization of processes， and the promotion and application of the new generation of main tea machine units in the digital environment.

Keywords： digitization; golden tea; flexible production line

近年來(lái)，茶產(chǎn)業(yè)在一定程度上存在規(guī)?；蛯I(yè)化水平低、茶葉加工生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化程度低以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化等問(wèn)題[1-2]。相關(guān)研究提出了一系列解決方案和建議，包括從茶園管理到原料供給、茶葉加工、包裝直至貯運(yùn)的全程標(biāo)準(zhǔn)化和可控化，以及建立具有標(biāo)志性的加工廠等[3-4]。本文以花垣縣的十八洞黃金茶主產(chǎn)品之一的綠茶加工為研究對(duì)象，開展數(shù)字化、規(guī)模化背景下的現(xiàn)代制茶裝備的集成、示范和應(yīng)用，旨在提升當(dāng)?shù)夭铏C(jī)裝備的整體水平。

1 技術(shù)需求及其實(shí)現(xiàn)的可能

1.1 當(dāng)?shù)夭枞~加工現(xiàn)狀及特點(diǎn)

①茶機(jī)裝備水平低、新裝備需求量大。目前，湘西州茶葉加工的重點(diǎn)項(xiàng)目為綠茶和紅茶加工，其中黃金茶綠茶典型的制作工藝為攤青—?dú)⑶唷屣L(fēng)—揉捻—初烘—攤涼—做形—足干[5]。而原材料主要分為單芽、一芽一葉、一芽二葉以及同等嫩度鮮葉這

4類。加工方式以手工、單機(jī)生產(chǎn)為主，近年新建的生產(chǎn)線以手動(dòng)、半自動(dòng)為主，且茶葉加工裝備水平落后。此外，新茶區(qū)也存在加工產(chǎn)能發(fā)展滯后于茶園建設(shè)的情況，如花垣縣“十八洞黃金茶”品種高度集中于黃金茶1號(hào)，茶園集中于125家種植主體且分別對(duì)接17家茶企，組織化程度高，企業(yè)化規(guī)模經(jīng)營(yíng)占主導(dǎo)地位。但茶葉生產(chǎn)加工設(shè)備落后、制茶技師少，目前僅建成十幾條加工線。②加工產(chǎn)能需求分散、單個(gè)站點(diǎn)產(chǎn)能小。當(dāng)?shù)夭鑸@多依山臨谷而建，在山脈、地勢(shì)的分割下呈“大集中、小分散”的分布格局，老茶區(qū)的各村依托本地茶園發(fā)展了各自的茶葉加工能力，且主要側(cè)重于名優(yōu)綠茶的生產(chǎn)，然而單個(gè)加工點(diǎn)的產(chǎn)能相對(duì)較小，且茶企整體實(shí)力有限。以花垣“十八洞黃金茶”為代表的新茶區(qū)，也面臨著基地分散的情況。③加工工藝的不一致性導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定。產(chǎn)品質(zhì)量在很大程度上依賴于技師的技能和經(jīng)驗(yàn)，技師在自身發(fā)展過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和偏好積累增加了產(chǎn)品之間的差異性。

1.2 需求分析

當(dāng)?shù)丶庸ぎa(chǎn)能的升級(jí)和新型制茶裝備的引進(jìn)，需適應(yīng)當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)基地分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，并綜合考慮當(dāng)前加工及未來(lái)同類不同檔產(chǎn)品的加工需求，還需適應(yīng)茶青質(zhì)量和操作人員技能的差異。因此，新一代制茶裝備應(yīng)采用數(shù)字化控制技術(shù)，對(duì)成熟茶機(jī)型號(hào)進(jìn)行改造和升級(jí)，以工業(yè)流水作業(yè)線的搭建思路進(jìn)行集成和組裝，形成操作簡(jiǎn)便、中等規(guī)模的柔性生產(chǎn)線，以適用于綠茶、紅茶（或其他茶類）的生產(chǎn)。其中，主要制茶裝備應(yīng)具備以下特點(diǎn)。①在功能上可進(jìn)行方便、快速的調(diào)整以滿足不同原料的加工需求。②具備一定規(guī)模的生產(chǎn)能力，可滿足服務(wù)約33 hm2茶園的制茶需求。③各生產(chǎn)線組合后形成一個(gè)可整體控制和集中調(diào)度的區(qū)域加工中心。④裝備操作簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定可靠。

1.3 綠茶柔性生產(chǎn)線技術(shù)思路及構(gòu)建難點(diǎn)

1.3.1 研究重點(diǎn)

本文以綠茶加工為主要需求的代表，進(jìn)行技術(shù)集成和共性技術(shù)突破，旨在構(gòu)建綠茶柔性生產(chǎn)線。這一舉措不僅為全系列裝備的配套打開了突破口，也為數(shù)字化制茶基地的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3.2 技術(shù)思路

①采用成熟型號(hào)主機(jī)，并配套各類傳感器以搭建生產(chǎn)線主體，采用可編程控制器、變頻器、單片機(jī)和工業(yè)以太網(wǎng)等設(shè)備構(gòu)建以中心控制室和節(jié)點(diǎn)控制箱為主的控制系統(tǒng)，形成多個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行、也可收發(fā)處理其他環(huán)節(jié)生產(chǎn)信息的工藝模塊，配套設(shè)計(jì)具有流程控制、參數(shù)調(diào)整、能源管理、內(nèi)外部通信、檢測(cè)、報(bào)警處置、驅(qū)動(dòng)管理和人機(jī)界面等功能的模塊控制軟件，使各模塊可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整參數(shù)、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受中控計(jì)算機(jī)控制指令等，建成既可各模塊獨(dú)立工作，也可全線協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的新一代綠茶生產(chǎn)線。②綜合茶園分布、從業(yè)人員密度、交通和能源供應(yīng)等因素，擴(kuò)大單線產(chǎn)能規(guī)模。例如，在春季名優(yōu)綠茶制作的高峰期，單線生產(chǎn)線的鮮葉處理量每班為500～600 kg，若需提升產(chǎn)能，可以通過(guò)增加特定設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。③產(chǎn)線需具備足夠的彈性和柔性，包括可處理不同原料并生產(chǎn)出不同檔次的茶葉成品。例如，綠茶生產(chǎn)線也可通過(guò)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)對(duì)紅茶等其他茶類的加工。此外，生產(chǎn)線也可在全線全程自動(dòng)工作模式和獨(dú)立運(yùn)行部分區(qū)段工作模式之間進(jìn)行自由切換。

1.3.3 可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)難點(diǎn)

在主要茶機(jī)企業(yè)先后開展數(shù)字化茶機(jī)研究，且有部分產(chǎn)品投入市場(chǎng)的背景下，本項(xiàng)目雖基于現(xiàn)階段技術(shù)構(gòu)建了適用于黃金茶綠茶多檔次產(chǎn)品共線生產(chǎn)的設(shè)備，但仍存在部分技術(shù)難點(diǎn)。①?gòu)募夹g(shù)端看，黃金茶加工工藝參數(shù)量化基礎(chǔ)薄弱，未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)性的定量深度研究，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)不健全。②從應(yīng)用端看，制茶業(yè)從業(yè)人員的技術(shù)能力有限、加工精細(xì)度低，在推進(jìn)參數(shù)化、精細(xì)化生產(chǎn)時(shí)需克服傳統(tǒng)、習(xí)慣阻力。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目擬用以下方法解決。①在首條生產(chǎn)線上增加信息采集與環(huán)境控制設(shè)備，使其兼具試驗(yàn)和信息采集功能，有助于盡快建成數(shù)據(jù)庫(kù)。②在元件選擇時(shí)應(yīng)充分考慮其成本和使用年限，增加控制系統(tǒng)的冗余度，保障控制系統(tǒng)能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行。③做好人機(jī)界面優(yōu)化，簡(jiǎn)化產(chǎn)線操作流程，定期開展技能培訓(xùn)，以提升制茶業(yè)從業(yè)人員的操作能力。

2 產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案

2.1 整體方案

為使生產(chǎn)線具備足夠的彈性和柔性以及兼具經(jīng)濟(jì)可行性，本項(xiàng)目決定在搭建產(chǎn)線時(shí)進(jìn)行3個(gè)方面的優(yōu)化。①機(jī)械設(shè)備與相應(yīng)的控制設(shè)備形成模塊。其主要優(yōu)勢(shì)在于后期可靈活擴(kuò)大產(chǎn)能或新建茶廠，操作簡(jiǎn)便，僅需購(gòu)買并安裝各模塊，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉加工生產(chǎn)的調(diào)度。同時(shí)，可通過(guò)模塊的重組實(shí)現(xiàn)新品茶葉的生產(chǎn)。例如，在綠茶生產(chǎn)線中取消殺青模塊，增加發(fā)酵模塊，即可組成紅茶線。②提高生產(chǎn)線對(duì)原料的兼容性。例如，在攤青/萎凋階段可增加配套的溫度、濕度和光照調(diào)控設(shè)備，以保證生產(chǎn)線可在不同溫度和濕度條件下處理不同嫩度和濕度的鮮葉，有助于在原料進(jìn)入實(shí)質(zhì)性機(jī)械加工前對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)，以提高原料的一致性，并減少產(chǎn)品品質(zhì)的差異性。③擴(kuò)大加工控制參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍。例如，通過(guò)擴(kuò)大加工節(jié)拍的調(diào)節(jié)范圍以適應(yīng)不同規(guī)模的加工需求；增加各個(gè)加工環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的可調(diào)幅度，以保障不同風(fēng)格茶產(chǎn)品能進(jìn)行共線加工。此外，由于是搭建具有試驗(yàn)性質(zhì)的首條生產(chǎn)線，因此該生產(chǎn)線還應(yīng)具有相應(yīng)的生產(chǎn)信息記錄和數(shù)據(jù)采集能力，以促進(jìn)加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)形成，為后期產(chǎn)線的建設(shè)提供量化工藝數(shù)據(jù)，綠茶柔性產(chǎn)線加工流程如圖1所示。

根據(jù)加工流程，將柔性產(chǎn)線設(shè)備集成為“攤青與分料”“殺青與回潮”“揉捻與解塊”以及“烘干”4個(gè)模塊，各模塊根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)分別設(shè)置電控箱進(jìn)行控制，再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)電控箱和中控計(jì)算機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)、互聯(lián)、控制。綜合考慮初烘后攤晾、復(fù)烘所用時(shí)間、成本以及場(chǎng)地等因素，本項(xiàng)目決定采用同機(jī)循環(huán)進(jìn)行初烘和復(fù)烘。在設(shè)備材質(zhì)選擇方面，與茶葉接觸部位需采用食品級(jí)聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）輸送帶和不銹鋼材料，且能源需全部使用電能。設(shè)備整體平面布置如圖2所示。其中，攤青機(jī)組至平輸機(jī)-3劃為攤青分料模塊；勻葉計(jì)量秤至回潮機(jī)-1劃為殺青回潮模塊；提升斜輸機(jī)-2至解塊機(jī)劃為揉捻解塊模塊；烘干機(jī)至平輸機(jī)-6劃為烘干模塊；A、B處為預(yù)留的擴(kuò)增生產(chǎn)線進(jìn)料口。

同時(shí)，控制系統(tǒng)也按模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式、中控模式和工位模式來(lái)回切換，能根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)自動(dòng)啟閉相對(duì)應(yīng)的模塊，有較強(qiáng)的可拓展性和良好的可維護(hù)性，且操作界面簡(jiǎn)潔易懂，方便操作。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖3。

2.2 獨(dú)立設(shè)備部分

2.2.1 攤青分料模塊

本模塊的主要功能是對(duì)茶青進(jìn)行攤青/萎凋，是綠茶柔性產(chǎn)線的第一車間，也是生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)柔性和彈性生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，綜合考慮綠茶加工以及增設(shè)紅茶加工的需要，本項(xiàng)目根據(jù)如下方案建設(shè)。①使用5臺(tái)單層全電攤青/萎凋機(jī)，單機(jī)攤放面積16 m2、鮮葉存放量100～150 kg，可分別設(shè)定或批量設(shè)定不同時(shí)段的風(fēng)速、風(fēng)溫，自動(dòng)出料。②配套添加全光譜LED萎凋補(bǔ)光燈、大功率工業(yè)空調(diào)和加/除濕機(jī)，以精確控制攤青/萎凋環(huán)境。③出料后用斜輸機(jī)提升到3 m左右的高度，輸送到用兩臺(tái)平輸機(jī)搭配而成的分葉機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)可同時(shí)向兩條以上加工線供料。④攤青/萎凋機(jī)需留出進(jìn)料自動(dòng)分葉鋪料機(jī)的安裝位置。各機(jī)械/組件位置示意圖如圖4所示。其中，通過(guò)切換平輸機(jī)-2和平輸機(jī)-3的輸送方向，可實(shí)現(xiàn)向最右端、A端以及B端這3個(gè)不同方向送料，以確保在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目計(jì)劃功能的同時(shí)保留2個(gè)生產(chǎn)線接入口。

模塊由區(qū)段控制箱控制，觸摸屏操作，要求5臺(tái)攤青/萎凋機(jī)可手動(dòng)/自動(dòng)進(jìn)料，可分別設(shè)定或批量設(shè)定不同時(shí)段的風(fēng)速和風(fēng)溫，可設(shè)置補(bǔ)光燈色溫和亮度，可與中控室及后續(xù)工段控制箱交換數(shù)據(jù)和聯(lián)動(dòng)。同時(shí)，預(yù)留1～2組攤青/萎凋機(jī)及出料平輸控制接口，以便于后續(xù)產(chǎn)能調(diào)整；預(yù)留空調(diào)和加/除濕機(jī)控制接入口，以確保在后續(xù)完成試驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)基本建成后可將最終定型的環(huán)境控制設(shè)備接入生產(chǎn)線并進(jìn)行整體控制；預(yù)留茶青脫水計(jì)量接口，萎凋機(jī)地腳采用可拆式結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)更換為計(jì)量秤（計(jì)量傳感器），并在控制系統(tǒng)中預(yù)裝脫水率計(jì)算程序。所用機(jī)械設(shè)備及要求見(jiàn)表1。

2.2.2 殺青、回潮模塊

本模塊的主要功能為殺青、殺青后攤晾回潮，其是綠茶加工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)備自起點(diǎn)起包括勻葉計(jì)量秤、殺青機(jī)、風(fēng)冷提升輸送機(jī)、風(fēng)選機(jī)和回潮機(jī)。其中，勻葉計(jì)量秤由稱重計(jì)量箱、儲(chǔ)葉箱以及勻葉出料機(jī)構(gòu)組成；殺青機(jī)包括主機(jī)、出料振動(dòng)篩；回潮機(jī)包括進(jìn)料提升機(jī)、布料機(jī)構(gòu)、主機(jī)以及出料平輸機(jī)。殺青、回潮模塊的工作流程為殺青機(jī)完成啟動(dòng)后，茶青經(jīng)分葉平輸傳到勻葉計(jì)量秤的稱重計(jì)量箱中進(jìn)行堆積，達(dá)到設(shè)定重量后一次性倒入儲(chǔ)葉箱，再由勻葉出料機(jī)構(gòu)按設(shè)定的單位時(shí)間進(jìn)料量均勻地輸入殺青機(jī)，完成殺青后，經(jīng)風(fēng)冷提升機(jī)進(jìn)入風(fēng)選機(jī)，完成風(fēng)選后送至回潮機(jī)攤晾回潮，并準(zhǔn)備輸至下一工序。為提升加工的精度、潔度和易控性，在核心設(shè)備中，殺青機(jī)需使用全電式，標(biāo)準(zhǔn)投葉流量為50～75 kg·h-1，回潮機(jī)儲(chǔ)葉室容量為2.5 m3。所用設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2.3 揉捻解塊模塊

本模塊的主要功能是對(duì)殺青后完成回潮的茶青進(jìn)行揉捻、解塊，設(shè)備自起點(diǎn)起包括提升斜輸機(jī)、揉捻機(jī)組、提升斜輸機(jī)和解塊機(jī)，其中揉捻機(jī)組的加工工藝流程為待料→上料→計(jì)量→布料→揉捻→出料。綜合前后端設(shè)備產(chǎn)能、綠茶加工工藝、后期產(chǎn)能拓展等因素，本項(xiàng)目采用2臺(tái)55型揉捻機(jī)并聯(lián)組成揉捻機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)加工量30 kg/桶，揉捻機(jī)組結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，其設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表3。

2.2.4 烘干模塊

本模塊的主要功能是對(duì)完成揉捻的茶青進(jìn)行烘干、攤晾，設(shè)備自起點(diǎn)起包括烘干機(jī)組、風(fēng)冷斜輸機(jī)、回潮機(jī)和出料/循環(huán)平輸機(jī)，其中，在優(yōu)化烘干機(jī)進(jìn)料斜輸料箱并精確控制烘干機(jī)出料與回潛機(jī)出料時(shí)間差的基礎(chǔ)上，利用出料/循環(huán)平輸機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，可以靈活決定物料在回潮機(jī)中攤晾后是否需要再次烘干，通過(guò)回潮機(jī)的暫存和緩沖能力，可以省去額外的復(fù)烘機(jī)組，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料的多次復(fù)烘。此外，該系統(tǒng)還具備將已烘干物料返輸至揉捻機(jī)進(jìn)行復(fù)揉的能力，有助于以有限的成本提升整個(gè)產(chǎn)線中后段的生產(chǎn)彈性和靈活性。烘干機(jī)組作為本模塊的核心設(shè)備，需選用全電箱式鏈板烘干機(jī)，機(jī)組由儲(chǔ)料箱、進(jìn)料提升斜輸機(jī)、勻葉/布料系統(tǒng)、干燥室和熱風(fēng)系統(tǒng)組成。所用設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表4。

2.3 控制系統(tǒng)

2.3.1 控制元件與控制箱

本項(xiàng)目計(jì)劃采用自動(dòng)控制，且要求能對(duì)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。因此，控制部分采用以計(jì)算機(jī)為主控、PLC控制箱群為節(jié)點(diǎn)控制器的控制系統(tǒng)。結(jié)合本生產(chǎn)線主要控制環(huán)節(jié)為電機(jī)變頻和電加熱設(shè)備調(diào)溫的實(shí)際情況，控制系統(tǒng)的硬件部分組成如下。①環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器。②以可編程控制器、變頻器為核心的節(jié)點(diǎn)/模塊控制箱。③具有人機(jī)界面的電氣箱。④中控設(shè)備，包括PC和用于系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控及展示的大型顯示屏。⑤工業(yè)以太網(wǎng)，本生產(chǎn)線計(jì)劃采用Modbus TCP/IP協(xié)議，確保通信的高可靠性和用戶界面的友好性，主要由網(wǎng)絡(luò)部件、連接部件和通信介質(zhì)3部分組成。

為平衡造價(jià)、實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的使用期限，本項(xiàng)目選用的主要元、器件應(yīng)滿足下列要求。

①可編程控制器。應(yīng)符合CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，配備雙核CPU，RAM≥64 MB，閃存≥128 MB。具備獨(dú)立的運(yùn)行/停止開關(guān)，內(nèi)置的輸入、輸出端口均采用可拆卸螺釘式接線端子設(shè)計(jì)，配備標(biāo)準(zhǔn)SD卡槽，以及用于安裝模擬量輸入、輸出擴(kuò)展板和應(yīng)用擴(kuò)展板模塊的擴(kuò)展槽；控制器內(nèi)置通信接口，至少包括具備內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的以太網(wǎng)通信端口、CANopen（主站）端口和串行通信端口，且通信端口總數(shù)不少于5個(gè)；24點(diǎn)I/O控制器，包括6個(gè)常規(guī)輸入端口、8個(gè)快速計(jì)數(shù)器輸入端口，6個(gè)繼電器輸出端口和4個(gè)源型快速輸出端口。②人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）觸控屏。應(yīng)采用面板安裝式，需符合CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，配備10寸以上顯示器，其亮度≥350 cd·m2、對(duì)比度≥500∶1、設(shè)計(jì)背光壽命≥50 000 h；動(dòng)作區(qū)觸控精度不小于長(zhǎng)度±2%、寬度±2%，耐電壓500 VAC（1 min）、耐振動(dòng)10～25 Hz（三軸軸向加速度2G，30 min）。此外，設(shè)備還應(yīng)具備Flash和RAM存儲(chǔ)，且容量均不少于128 MB；至少配備一個(gè)32位雙核處理器，且主頻≥600 MHz；I/O接口應(yīng)有USB Host（至少USB 2.0）、以太網(wǎng)接口（至少10/100 Base-T）、串行接口；工作環(huán)境防護(hù)能力不低于IP 65，濕度為10%～90%，不降容運(yùn)行溫度為0～55 ℃。③變頻器。應(yīng)采用異步變頻器，標(biāo)準(zhǔn)頻率50 Hz，標(biāo)準(zhǔn)電壓380 V，調(diào)速范圍為0～50 Hz，且在產(chǎn)品選型時(shí)，應(yīng)從同一系列中選擇不同負(fù)載容量的產(chǎn)品。結(jié)合工作環(huán)境和控制精度，變頻器的主要性能應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)，包括溫度-10～55 ℃、工作濕度10%～90%、防護(hù)等級(jí)IP 20、內(nèi)置EMC濾波器、Modbus通信，至少配置數(shù)字和模擬2類輸入端口以及繼電器、邏輯和模擬3類輸出端子；模擬輸入/輸出時(shí)，應(yīng)具備10位（輸入）/8位（輸出）的分辨率，精度±1%（25 ℃），線性度±0.3%（全標(biāo)度），輸入采樣時(shí)間≤20 ms±1 ms，輸出采樣時(shí)間4～7 ms；邏輯輸出時(shí)的線性度應(yīng)不超過(guò)±1%。④單片機(jī)。在特殊情況下，應(yīng)使用單片機(jī)開發(fā)局部或個(gè)別設(shè)備的控制器，并與整個(gè)生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)。使用的單片機(jī)模塊應(yīng)具備至少72 MHz的工作頻率和32位的中央處理器核心；片上集成存儲(chǔ)器≥512 kB（Flash）/64 kB（SRAM）；控制器可支持定時(shí)器（Direct Memory Access，DMA）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）、串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）等外設(shè)；通用同步/異步收發(fā)傳輸器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）用于調(diào)試和控制、軟件過(guò)程改進(jìn)（Software Process Improvement，SPI）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）和USB 2.0等。此外，單片機(jī)還應(yīng)支持串行調(diào)試和觸摸屏控制功能。⑤控制箱。電控箱應(yīng)采用鋼板焊接成形，配備安全鎖具和便于操作的電控箱門；整體做噴涂防銹處理，配密封膠條和換氣風(fēng)扇。此外，HMI電氣箱還應(yīng)采用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的吊臂/懸臂鋁合金觸摸屏支架。

2.3.2 模塊控制流程

（1）攤青分料模塊控制系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖6。其中，攤青機(jī)每個(gè)儲(chǔ)青/萎凋循環(huán)能設(shè)定1～10個(gè)工步，每個(gè)工步可分別設(shè)定時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)量、加熱溫度、補(bǔ)光光波頻段與強(qiáng)度。因本次未安裝自動(dòng)布料機(jī)，所以虛線內(nèi)的內(nèi)容僅為開發(fā)控制軟件，并在控制箱中留出接口，但未接入自動(dòng)布料設(shè)備。同時(shí)，考慮到空調(diào)、加/除濕機(jī)機(jī)型配套仍處于計(jì)算選型和初步試驗(yàn)階段，本次設(shè)計(jì)將預(yù)留必要的端口，以便于未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制?，F(xiàn)階段，這些流程的設(shè)定暫時(shí)采用手動(dòng)方式，以適應(yīng)不斷變化的實(shí)驗(yàn)需求。

（2）殺青、回潮模塊控制系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖7。其中，殺青溫度和投葉流量在啟動(dòng)時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)用成套參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)用成套參數(shù)后手動(dòng)修訂以及中控調(diào)用成套參數(shù)這3種方式進(jìn)行設(shè)定，并可在工作過(guò)程中進(jìn)行手動(dòng)修正；計(jì)量箱單次稱重在隨殺青機(jī)運(yùn)行參數(shù)裝載時(shí)一并進(jìn)行設(shè)定、裝載。按本模塊控制流程，如不進(jìn)行人工干預(yù)，在回潮機(jī)攤晾箱料滿時(shí)，模塊進(jìn)料將自動(dòng)暫停并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以防造成物料損失。

（3）揉捻解塊模塊控制系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖8。其中，①虛線內(nèi)的“復(fù)揉”為預(yù)留控制接口，其為系統(tǒng)保留了對(duì)初烘并回潮后的茶青進(jìn)行復(fù)揉的功能，或在后期增加茶青解塊后復(fù)揉的功能，以滿足特定場(chǎng)合的加工需求。②可設(shè)置揉桶多次自動(dòng)進(jìn)料程序，也可在每個(gè)加工循環(huán)中設(shè)置多個(gè)揉桶轉(zhuǎn)速、桶蓋壓力以及不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)不同的工步，以適應(yīng)不同的茶青加工工藝。③考慮到推廣應(yīng)用環(huán)節(jié)，本模塊加壓揉捻工藝采用“桶蓋行程+壓力顯示反饋”的組合形式，通過(guò)后期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，收集桶蓋行程與實(shí)際壓力之間的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)描繪出“行程—實(shí)壓”的關(guān)聯(lián)曲線，這將有助于實(shí)現(xiàn)本工序的參數(shù)化控制。

（4）烘干模塊控制系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖9。其中，在本模塊控制流程中，需注意烘干回潮機(jī)供料的復(fù)烘模式，以及回潮機(jī)出料與復(fù)烘后回料堆料之間的物料沖突問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，本模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇在硬件環(huán)節(jié)采用增大烘干機(jī)進(jìn)料提升斜輸機(jī)料斗和回潮機(jī)布料小車料斗容量；在軟件控制上采用加快回潮機(jī)出料速度和減緩烘干機(jī)-回潮機(jī)間輸送機(jī)速度；此外，本工序還引入了一個(gè)控制性信號(hào)，即當(dāng)回潮機(jī)未完成出料并回位時(shí)，其將阻斷布料小車的堆料動(dòng)作，從而有效防止不同批次物料的混雜。

3 應(yīng)用實(shí)踐

2023年，作者所在團(tuán)隊(duì)按前述方案實(shí)施了數(shù)字化綠茶柔性生產(chǎn)線的搭建，并根據(jù)同樣的思路，在攤青分料模塊預(yù)留A出料口后，依次接入揉捻解塊模塊、新設(shè)計(jì)的發(fā)酵模塊（以15 m2紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)、超聲波及蒸汽發(fā)生器為核心組件）以及烘干模塊搭建了紅茶生產(chǎn)線，并配套了冷藏保鮮庫(kù)、茶葉定量計(jì)量分裝機(jī)、小罐封蓋機(jī)、封口機(jī)、電子天平、電子秤、快速水分測(cè)定儀、熱恒溫干燥箱等輔助器材和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，創(chuàng)建出一套完整的紅綠茶加工中心設(shè)備系統(tǒng)。

該套設(shè)備在2023年，秋季完成聯(lián)機(jī)調(diào)試，2024年春季開始正式投入使用，除承擔(dān)常規(guī)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)采集任務(wù)外，光質(zhì)萎凋、控溫控濕萎凋、變溫揉捻等試驗(yàn)也正在逐步開展，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的使用功能。①在使用時(shí)，設(shè)備充分體現(xiàn)了易學(xué)、易用、易調(diào)控的特性，使得加工工藝的調(diào)整非常便捷，整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定性得到了明顯的提升，人工需求大幅減少，僅需2名工人即可保障整個(gè)中心的運(yùn)行。此外，優(yōu)化后的HMI界面設(shè)計(jì)友好且簡(jiǎn)潔，使得學(xué)員在培訓(xùn)過(guò)程中一致反映容易學(xué)習(xí)，比傳統(tǒng)設(shè)備操作簡(jiǎn)單。同時(shí)，整套設(shè)備已實(shí)現(xiàn)“茶青不落地”的目標(biāo)，且設(shè)備完全采用電力驅(qū)動(dòng)，多個(gè)環(huán)節(jié)可進(jìn)行自動(dòng)排濕和除塵，從而全面改善了加工環(huán)境，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。從整體來(lái)看，該設(shè)備已基本具備作為茶產(chǎn)業(yè)村、茶葉合作社以及中小茶企在未來(lái)一個(gè)階段內(nèi)提高紅綠茶加工產(chǎn)能的主力設(shè)備的所有條件。②在應(yīng)用時(shí)，開發(fā)方案未考慮到的一些細(xì)節(jié)先后顯現(xiàn)。例如，攤青/萎凋機(jī)不夠，5臺(tái)共80 m2的攤青面積在實(shí)際應(yīng)用中處理不了約33 hm2茶園采摘峰值期的鮮葉量，需通過(guò)增加3臺(tái)攤青/萎凋機(jī)的方式來(lái)暫時(shí)解決。同時(shí)，在光質(zhì)萎凋和控溫控濕萎凋過(guò)程中存在控制精度不足和成本較高的問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，新增了一批隔斷以形成獨(dú)立的攤青/萎凋車間。此外，發(fā)現(xiàn)工位攝像頭更適合做安全性監(jiān)控，主要原因是受光線、色差等因素影響，攝像頭對(duì)產(chǎn)品的精準(zhǔn)辨別暫時(shí)達(dá)不到近似人眼的水平，故殺青后茶青的色澤觀察等環(huán)節(jié)還需人工介入。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)技術(shù)集成，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開發(fā)并投入使用運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)搭建的柔性生產(chǎn)線。這一開發(fā)工作實(shí)際上已取得成功，并在使用過(guò)程中逐漸顯現(xiàn)出數(shù)字化裝備的優(yōu)勢(shì)，為下階段的推廣以及其他系列農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)備的數(shù)字化發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。在開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用導(dǎo)向和用戶導(dǎo)向的思路為設(shè)備的成功研發(fā)提供了方向保障，堅(jiān)持依托現(xiàn)有技術(shù)與器材、緊盯產(chǎn)業(yè)實(shí)際以及切實(shí)進(jìn)行需求研判進(jìn)而控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的做法也有效保障了開發(fā)進(jìn)度，用可行性高的方案推進(jìn)設(shè)備迭代升級(jí)的思路也可為其他農(nóng)機(jī)裝備的升級(jí)提供參考。此外，本次設(shè)備開發(fā)中的加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作仍處于推進(jìn)階段，雖然目前已具備相應(yīng)的條件可搭建出采集平臺(tái)，但仍有大量數(shù)據(jù)采集和分析工作要處理，如果數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)不能持續(xù)推進(jìn)并最終完成，本次開發(fā)工作則還需繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，在本項(xiàng)目中，隨著數(shù)字化和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，同等規(guī)模加工站點(diǎn)的務(wù)工崗位減少80%左右，嚴(yán)重影響員工的就業(yè)。因此，在推進(jìn)數(shù)字化和自動(dòng)化設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，也需考慮開辟新的就業(yè)渠道。

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