茶葉加工自動化萎凋技術的研究*

陳加友

（福建省安溪茶業職業技術學校，福建 泉州 362400）

茶葉加工自動化萎凋技術的研究*

陳加友

（福建省安溪茶業職業技術學校，福建 泉州 362400）

文章提出一種模塊化集成式茶葉加工自動萎凋機，采用PLC系統控制，對其風機、加熱元件、電機傳動、檢測原件等進行時時監控、反饋及調節，保持適合茶葉萎凋的理想環境，實現了茶葉生產流程的自動化運行、工藝參數精準化執行、生產進程智能化調度，提高了生產效率和產品質量。

茶葉；加工；自動化；萎凋

職業學校學生喜歡探索，每當有小成就受到表揚和鼓勵就會熱愛學習，尤其是茶鄉機電、電子類的學生，對制茶工藝比較熟悉，因此，讓學生參與茶葉機械的控制設計工作，不但提高了他們的學習熱情，滿足了他們渴望求知的迫切愿望，也讓他們發揮潛能，敢于動手，敢于思考，勇于探索，勇于創新，為將來踏入社會打下堅實基礎。

讓學生參與研究的是茶葉加工自動化萎凋技術的設計。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]。根據不同茶葉的加工工藝，把茶葉加工過程中的每道工藝進行有效組合，研制出了有針對性工藝的萎凋設備，不僅可以讓用戶根據不同的茶葉加工工藝進行組合，而且能更精確的設計每道加工工藝技術參數，從而達到精確控制，精確加工，提高茶葉生產的品質。

1 茶葉制作工藝路線

目前國內茶葉加工自動化水平、機械智能化較低，茶葉的自動生產流水線還處在起步階段，普遍采用的茶葉加工設備僅實現單機化，要實現茶葉加工全流程自動化的難度更大、控制更復雜[7-9]。為實現茶葉加工高質高效、節能減排降耗生產，減少人為因素影響、降低工人勞動強度，在茶葉加工生產行業采取自動化和數字化技術是行業未來發展趨勢[10]。

此次帶學生進行設計的項目是基于機理符合茶理的理念，根據烏龍茶、紅綠茶等茶葉傳統制作工藝，在實現單機智能作業與智能傳送的基礎上，利用總線控制技術進行模塊化集成，并通過各種數字傳感技術實現制茶全流程的閉環控制與自適應調整，是一種適合茶葉自動連續加工的高效節能型、清潔生態型數控茶葉裝備，能夠實現“機器換人”，大幅提高生產效率，同時該產品還可以根據不同茶類、生產規模、工藝等生產要求進行模塊匹配與重組，具有更廣泛的適應面。

工藝路線如圖1所示：

2 設計依據

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

項目主要針對生產線上萎凋模塊來研究，結合茶葉的萎凋形式、不同萎凋時間、不同茶葉的萎凋要求以及節能減排的要求，研究一款自動化萎凋創新技術。設計保持著機理符合茶理的原則，各參數指標合格甚至領先行業，節能減排且能源轉化率大大提升的自動化萎凋設備。

3 設計方案

萎凋是茶葉生產過程的必要工序[1]。以烏龍茶為例，傳統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，散發葉間熱量，均勻有效提高茶葉失水率和化學變化速度。這樣就需要人工攤青、翻青，工作強度大，并且，受天氣的影響嚴重，很大部分茶葉在陰雨天無法加工，品質也受影響[4-6]。

自動化萎凋創新的設備是由勻料裝置、進料裝置、進風裝置、攤葉裝置、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，利用循環風溫濕度處理、冷熱風供應、紅外線等技術，首選太陽能、風能等對密布的網帶上茶葉鮮葉進行處理，且控溫、通風。設備主要性能指標和技術參數如表1所示。自動化萎凋首先選用太陽光萎凋，當太陽光不過的時候部分開啟設備本身的加熱系統，再次到太陽落山是運用機組本身的加熱系統。首先體現了設計整體節能減排，其次不管哪種方式都通過數控控制系統進行監控、反饋，3個方式智能調換。該設計克服了傳統加工工藝在陰雨天會不能制好茶，不能萎凋的缺點，實現了茶葉模仿天氣的萎凋問題，擺脫了看茶做茶的瓶頸。

表1 茶葉自動化萎凋設備主要技術參數和性能指標

4 自動萎凋設備控制系統設計

4.1 系統電控設計及說明

4.1.1 主傳動電機控制系統

電動機啟動時電流是工作電流的4-7倍，若采用變頻器來控制系統主傳動電動機的啟動和停止，如圖3所示。選用變頻器可實現電動機的變速運行、調整電動機的輸出功率，從而達到控制攤葉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，能在零頻零壓時逐步啟動，保證電機穩定運轉，不會因為過載或電流太大而燒掉，能更好的保證電機壽命，減少機械傳動部件的磨損，從而降低維護成本，提高系統的穩定性[2]。通過其他配合控制設備和儀器，還可以實現系統化組網的一體化開發應用，實現對茶葉萎凋過程各個參數的集中采集和控制。

4.1.2 傳送帶電機控制系統

為了實現對茶葉的自動搬運，系統的傳送帶電機采用三相電機接線方式、三角形負載連接供電，如圖4示；通過總線與PLC連接，實現生產過程的自動控制。

4.1.3 PLC控制系統

系統采用可編程控制器PLC（臺達ES2型）配合嵌入式系統實現人機交互操作，用戶可通過人機界面（觸摸屏）輸入萎凋的工藝技術參數，讓系統控制各模塊裝置工作[6-8]。可實現以下功能：

4.1.3.1 開關量邏輯控制。

PLC取代了傳統的繼電器控制電路[3]，實現順序控制、邏輯控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機聯控及自動化生產線，從而可通過變頻器對紅茶生產過程中的各電機開關量進行有效的遠程控制。

4.1.3.2 模擬量控制。

萎凋生產過程當中，濕度、溫度、風速等都是連續變化的模擬量。為了讓PLC準確處理模擬量，必須實現模擬量與數字量之間的轉換。配套的A/D和D/A轉換模塊，使PLC完成模擬量采集和控制。

4.1.3.3 運動控制。

茶葉的流動性并不好，需均勻的攤放在輸送裝置內。系統采用PLC驅動伺服電機和步進電機構成的多軸位置控制模塊，實現直線運動和圓周運動，均勻的將茶葉平攤在輸送裝置上面。當紅外開關感應到茶葉，可以自動停止，當萎凋時間結束時再將茶葉傳輸出去，從而實現整個輸送裝置的運動控制。

4.1.3.4 數據處理。

傳統人工制茶都是依靠經驗，導致每一批次的茶葉品質很難統一。利用PLC具有數學計算、數據轉換、數據傳輸、查表、排序、位操作的功能，完成茶葉發酵過程數據的分析、采集及處理。這些數據與存儲在存儲器中的設定值進行比較進而控制操作，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。對生產數據進行匹配，分析出不同茶葉不同技術參數對質量的影響，從而精準定位每款產品口感、外觀等，讓自動生產線制作出來的茶葉標準統一，產品更具有較強市場競爭力。(見圖5）

4.1.4 人機界面（見圖6）

4.2 程序設計

4.2.1 控制要求

將所有傳送帶、溫濕度模塊、氣動元器件集中到主配電柜中控制，使用戶僅需通過人機界面即可輕松做茶；使萎凋的傳送帶實現邏輯運動、萎凋組的溫濕度動態平衡、萎凋定時控制。

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

用戶只需在人機界面按下（參考圖6）進料啟動、進料停止、出料啟動、出料停止按鈕，萎凋系統就會根據用戶在人機界面所給的指令去驅動各傳送帶運行，從而將茶葉輕松送入萎凋組內或將萎凋完成的茶葉送出萎凋組外。

（2）萎凋控制

當茶葉進入到萎凋組后，用戶只需在人機界面設定好萎凋的工藝參數，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個模塊組成： a.萎凋計時；b.溫度控制；c.傳送控制

4.2.4 萎凋機操作

5 現場應用

表3 不同萎凋方法的比較

根據不同制茶工藝，對茶葉加工模塊的合理性配比，同時對各個模塊的控制系統進行有機的結合在一起。使用PLC作為控制系統的核心，并結合交流伺服技術、傳感器技術、氣動技術實現對自動生產線輸送系統的控制。PLC控制臺將各控制模塊按工藝步驟連接為一個整體[1]，將各環節分別做成各控制單元，在總臺對各環節進行控制。中央控制室可實現整套模塊系統控制，全程利用微機單元控制，實現可視化操作。以紅茶控制系統為例，根據茶葉制作工藝需要，只需將萎凋模塊、揉捻模塊、解塊模塊、發酵模塊、烘干模塊等幾個模塊的控制系統通過“以太網”連接起來，即可組合成紅茶控制系統，生產線現場外觀圖如圖8所示。

6 結語

傳統萎凋采用架子探訪走水，這樣的方式茶葉失水的速度慢，時間太長，且不均勻，會導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。基于研究的自動萎凋機，開展與傳統室內萎凋的性能對比實驗，結果如表3所示。

由表3可知，自動萎凋機所需時間較傳統室內自然萎凋縮短了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萎凋集成創新技術，實現茶葉生產流程自動化運行、工藝參數精準化執行、生產進程智能化調度，減少工人勞動強度，減少資源消耗，避免茶葉加工二次污染，達到自動清潔全天候、節能減排降耗生產。全天候萎凋化茶葉自動生產線解決了茶農對不同茶類加工的需求[1]，降低了茶農的投入成本，提高了生產效率和產品質量。

[1] 陳加友. 全天候模塊茶葉自動生產線的開發與應用[J]. 福建農機，2015,(3)：13-18.

[2] 李國明，胡鳴. 變頻器技術在鍋爐風機上的應用[J]. 應用能源技術, 2007,(4):28-30.

[3] 牛海濤. 淺談工業自動化中PLC的應用[J]. 世界家苑, 2013,(8):394-394.

[4] 黃藩, 董春旺, 朱宏凱, 葉陽, 張成, 何華鋒, 張堅強. 紅茶萎凋中鮮葉理化變化及工藝技術研究進展[J]. 中國農學通報,2014,(27):275-281.

[5] 滑金杰, 袁海波, 江用文, 劉平, 王偉偉. 萎凋過程鮮葉理化特性變化及其調控技術研究進展[J]. 茶葉 科學,2013,(05):465-472.

[6] 吳曉強,黃云戰,周紅杰,趙永杰. PLC在普洱熟茶生產車間溫濕度控制中的應用[J]. 廣東農業科學, 2014,(21):168-171,191,237.

[7] 吳新道,朱漢珍,馬文烈,曹玉林. PLC與模糊控制在名優茶殺青加工中的應用[J]. 農機化研究,2008,(12):156-159.

[8] 胡光華, 李浩權, 趙超藝, 劉清化, 凌彩金, 趙錫和. 紅條茶清潔化連續加工生產線研究與應用[J]. 中國農機化學報,2013,(02):109-112,138.

[9] 徐惠敏. 炒青茶生產線自動控制系統的研究—基于PLC與組態軟件[J]. 農機化研究, 2012,(01):199-202.

[10] 肖宏儒, 朱志祥. 茶葉機械化加工裝備技術發展趨勢[J]. 農業裝備技術. 2005，(06)。

TP23

A

1007-550X（2016）09-0050-05

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

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2014BAD06B06）；福建省科技重大專項項目（2015N3004）。

2016-08-16

陳加友(1969－)，男，高級講師，主要從事機電和茶葉的教育教學工作。