大型連續綠茶精制加工生產線研發

摘要 茶葉加工技術與裝備是茶葉產業發展的基礎，對行業發展起著舉足輕重的作用。為實現綠茶加工機械自動化生產，設計了大型連續綠茶精制加工生產線，闡述了該生產線系統結構、主要生產環節及安裝調試應用。基于PLC控制的大型連續綠茶精制加工生產線，主要由鮮葉上料輸送機、大型滾筒殺青機、冷卻回潮機、四機協同聯動式揉捻機組、并列連續預烘干機組、儲料倉、計量分料裝置、茶葉炒干與拋光機組、篩分裝置、風選裝置及配套的測控系統等組成。針對綠茶加工工藝的各個環節，采用模塊化設計，根據茶葉加工企業的廠房實際情況，靈活安裝組線，滿足企業個性化需求。基于模糊PID溫度控制的大型滾筒殺青機雙模糊控制技術，解決了傳統殺青溫度與時間無法實現精確控制的難點問題。采用鏈式刮板輸送智能加料裝置與多機聯動協同連續揉捻控制技術，實現多機協同聯動式自動加料連續揉捻，邊進料邊揉捻，揉捻均勻度高。生產線上殺青機、理條機和烘干機各環節溫度采用模糊PID控制，解決了茶葉加工溫度、投葉量與殺青、理條、烘干時間實時配合的問題，輸入不同等級、不同重量的鮮葉可輸出相適應的殺青溫度和時間，實現對茶葉生產過程的精確控制，減少人為因素的干擾，實現綠茶的智能化生產。近年來，生產線用戶遍布皖、蘇、浙、云、貴、川、豫、湘、鄂和陜等10多個省份200余家茶葉生產企業。該生產線的推廣應用，實現了茶葉規模化生產，保證了茶葉品質，對茶產業發展具有重要意義。

關鍵詞 綠茶加工；大型滾筒；PLC控制；生產線；殺青；連續揉捻；炒干；拋光

中圖分類號 TS272.3" " 文獻標識碼 A" "文章編號 1007-7731（2024）14-0001-06

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.14.001

Development of a large-scale continuous green tea refining and processing production line

CAO Chengmao1" " SUN Yan1" " WANG Sanjiu2" " QIN Kuan1" " WU Zhengmin1" " WU min1" " BI Haijun1" " GE Jun1

（1Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China;

2Anhui Sanjiu Agricultural Equipment Technology Co.， Ltd.， Xuancheng 242000， China）

Abstract Technology and equipment used in tea processing are fundamental to the development of the tea industry， playing a crucial role in its growth. To achieve the automation of green tea processing machinery production， a large-scale continuous green tea refining production line was designed， the system structure of the production line， the main production stages， and the installation， debugging， and application were described. The large-scale continuous green tea refining production line based on PLC （Programmable logic controller） control was mainly consists of fresh leaf feeding conveyors， large drum fixation machines， cooling and rehumidifying machines， a four-machine coordinated rolling unit， parallel continuous pre-drying units， storage bins， metering and distributing devices， tea frying and polishing units， screening devices， air selection devices， and accompanying monitoring and control systems. Targeting various stages of the green tea processing technique， the modular design allows flexible installation and assembly of the production line according to the actual conditions of the tea processing company’s facilities， thus meeting the personalized needs of enterprised. Dual fuzzy control technology based on fuzzy PID temperature control for the large drum fixation machine addressed the pain points and difficulties of achieving precise control over the fixation temperature and time. Chain scraper conveyor intelligent feeding device and the multi-machine coordinated rolling control technology enable automated feeding and continuous rolling， with simultaneous feeding and rolling， ensuring high uniformity in rolling. On the production line， the temperatures of the fixation machine， sorting machine， and drying machine were controlled using fuzzy PID， resolving issues related to the real-time coordination of tea processing temperature， leaf input quantity， and the timing for fixation， sorting， and drying. This system can input fresh leaves of different grades and weights， outputting corresponding fixation temperatures and times， thus achieving precise control over the tea production process， reducing human interference， and realizing intelligent green tea production. In recent years， users from over 200 tea production enterprises in more than ten provinces， including Anhui， Jiangsu， Zhejiang， Yunnan， Guizhou， Sichuan， Henan， Hunan， Hubei， and Shaanxi Province， had adopted this production line. The promotion and application of the production line developed by our team had achieved large-scale tea production， ensured tea quality， and hold significant importance for the development of the tea industry.

Keywords green tea processing; large drum; PLC control; production line; fixation process; continuous rolling; frying; polishing

茶產業是特色優勢產業之一，茶葉加工技術的發展可推動茶產品的高質量生產和助力茶產業轉型升級[1]。我國茶葉加工機械化發展始于20世紀50年代左右，隨著科技的不斷進步，茶葉加工機械也得到了迅速發展，到2000年左右，大宗茶和部分名優茶的加工已基本實現機械化[2-3]。目前部分茶葉生產機械已采用智能檢測、自動化控制及機—電—液—氣力驅動等技術，這些技術的采用，進一步提高了茶葉生產機械的作業效率和精度[4-6]。茶葉加工機械化程度較高，實踐中大部分是單機加工，加工效率、集約化程度有待進一步提高；多臺單機設備組合式生產模式，需要手工輔助，存在勞力投入多、質量不穩定及成本高等不利因素。為了有效提高茶葉生產標準化程度，需要引導茶葉加工向集約化轉變，增加規模化茶葉加工機械及自動化生產線的市場供給[7]。本研究基于可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）控制技術[8]，融合茶葉加工工藝要求，對殺青、揉捻、預烘干、稱重、炒干與拋光及篩分與風選等環節采用模塊化設計，可以靈活安裝組成自動化生產線，滿足企業個性化需求。研制的大型連續綠茶加工自動化生產線，實現對茶葉生產過程中溫濕度等參數的精確控制，減少了人為因素的干擾，實現綠茶的智能化生產，滿足規模化、集約化綠茶加工的需要。產品的推廣與應用，對茶產業發展具有重要意義。

1 生產線系統結構

大型連續綠茶精制全自動加工生產線整體架構如圖1所示。主要包括鮮葉上料輸送機、大型滾筒殺青機、冷卻回潮機、四機協同聯動式揉捻機組、并列連續預烘干機組、自動炒干與拋光機組、儲料倉、計量分料裝置、篩分與風選裝置及配套的測控系統等。

1.1 工作原理

如圖1所示，經過初步萎凋、攤涼的茶鮮葉，由上料輸送機送入大型滾筒殺青機殺青，殺青料經解塊冷卻回潮后送入四機協同聯動式揉捻機組揉捻，揉捻料經過并列連續烘干機組預烘干，再通過炒干、拋光和篩分后完成茶葉加工。根據茶葉加工工藝要求，在殺青與揉捻環節之間增加冷卻回潮環節，解決大型殺青機輸出的高溫、高濕物料，通過冷卻回潮攤涼，不僅可以去除茶葉中的青草氣，還可以使茶葉質地變柔軟，便于揉捻成型。茶葉經揉捻后，由于含水量較高，加之揉捻緊實，易結塊成團，在揉捻與炒干、拋光環節增加并列連續動態預烘干機組，目的是對茶葉進行解塊和預烘干，便于后期炒干和拋光加工。根據揉捻物料的多少，適配并列2～4臺預烘干機，實現揉捻輸出物料與后續工序的匹配。預烘干機將茶葉烘干至含水率10%以下，而后由計量分料裝置定量有序地送入炒干與拋光機組，目的是使茶葉緊結成卷曲型，表面平滑有光澤，同時提升茶葉的香氣和品質，達到規定貯藏的含水率。

1.2 控制系統

生產線控制系統架構根據綠茶的加工工藝流程和加工設備，滿足生產線的控制特點和需求，設計了基于PLC的集散控制系統。生產線整體控制系統由3個部分組成（圖2），包括過程監控層、數據傳輸層和現場控制層。過程監控層利用LabVIEW（Laboratory virtual instrumentation engineering workbench）軟件平臺對下位PLC組網系統采集的現場數據進行處理，實現生產參數設置、監視數據實時顯示、數據存儲與分析及故障診斷預警等功能。數據傳輸層實現上位監控軟件與下位控制雙向通信，主要利用PLC控制器中的開放式用戶通信和LabVIEW軟件中的傳輸控制協議（Transmission control protocol，TCP）進行數據交互，使用S7-200 SMART PLC自帶的網絡接口與上位S7-300和計算機連接在同一網絡，即可進行上、下位機之間的雙向數據傳輸。

下位機控制系統由多個控制子系統組成，現場控制層的控制系統選用西門子S7-200 SMART系列 PLC作為主站控制器，數據采集系統采用采集卡設備獲取各傳感器信號，包括溫度、含水率、壓力和轉速等數據。數據傳輸層是基于以太網總線TCP傳輸控制協議實現上位機和下位機之間的雙向數據通信，它是整個系統的橋梁。下位機采集的數據通過數據傳輸層傳輸到過程監控層，過程監控層通過LabVIEW軟件編寫分析程序，并將分析結果實時顯示在監控界面上；同時人機交互界面設置的工藝參數通過數據傳輸層實現對現場設備的控制。

2 主要生產環節

2.1 殺青環節

殺青環節存在的主要問題是葉片容易殺透，而莖梗不易殺透，需要更高的溫度，導致出現莖梗殺透而葉片殺老的情況。針對這一情況，采用基于雙模糊控制技術的大型滾筒式殺青機[9]，具有有效殺透鮮葉、保證茶葉高香避免青草味等優勢。其結構主要由上料輸送機構、滾筒體、傳動機構、通風口、加熱系統和出料裝置等組成。大型滾筒殺青機的滾筒設計直徑1.2 m，螺旋導葉筋板的高度較高，物料在滾筒中不斷被翻拋的空間大、行程長，能充分混合熱風、交換水分，實現莖梗、芽頭和葉片水分均勻。由于殺青空間大，利于抑制茶葉多酚類化合物的酶促氧化反應、散發青草氣和蒸發水分等，使葉質變柔軟的同時富有韌性，便于揉捻成型[10]。

通過檢測殺青滾筒內的鮮葉投葉量和鮮葉等級，應用模糊控制規則決策，實時調整殺青時間和殺青溫度的設定值，并在殺青溫度中嵌入模糊比例—積分—微分（Proportional integral differential，PID）控制，實現對殺青溫度的精確控制，有效解決了茶葉殺青方式受人為因素影響，無法實現精確控制的難點問題。結合茶葉加工工藝參數要求，利用LabVIEW軟件將系統整體的模糊控制與溫度的模糊PID控制相結合，既實現了茶葉殺青環節的智能控制，又實現了茶葉殺青時的溫濕度控制，達到了理想的殺青效果[9-10]。

2.2 冷卻回潮環節

設計冷卻回潮環節，主要是避免大型殺青機輸出的高溫、高濕物料，直接進入揉捻機。殺青機的出口溫度高達300 ℃左右，殺青過程中高溫可以蒸發出茶葉中的一部分水分，使茶葉質地變得柔軟，殺青后的物料溫度較高，水汽較大。冷卻回潮環節即根據殺青出料口的量，設計攤涼設備，讓快速高溫失水的殺青料冷卻回潮，使茶葉制品芽、葉片和莖不同部位的水分分布更加均勻，同時通過散熱帶走大量水汽，然后進入揉捻環節，可以減少碎茶率和提高茶葉色澤品質。

2.3 連續揉捻環節

茶葉揉捻機具有破壞茶葉組織細胞、擠出茶汁和增加沖泡次數等優點，揉捻后的茶葉口味更佳、更耐泡。揉捻機組設計以4個單體為一組，由供料系統、4個單體揉捻機、不銹鋼工作臺、機架、氣動系統及控制系統等組成。每個揉捻單體主要由機架、大渦輪式變速箱、揉捻底盤、揉捻桶、揉捻蓋、電動機、壓力傳感器、編碼器和氣動控制系統等組成。揉捻供料部分采用不銹鋼鏈式刮板傳送鏈輸送。根據輸出的控制信號，氣動閥控制氣動缸開啟鏈式刮板傳送鏈下支撐塊，打開物料輸送通道，經殺青攤涼后的物料由輸送通道送至揉捻盤，隨著物料不斷送入，揉捻桶的物料高度不斷增高，壓力不斷增加。當安裝在揉捻蓋下的壓力傳感器檢測到的壓力達到預定值時，PLC控制器輸出信號，由氣動閥控制氣動缸關閉傳送鏈下支撐塊，同時打開下一個鏈板傳送鏈下支撐塊，為下一個揉捻單體機提供物料，以此重復類推，完成一個循環后，接著同樣進行下一次循環，實現連續進料、連續揉捻。經揉捻后的物料，由PLC控制器根據預設時間控制揉捻物料輸出，由輸出傳送帶送至并列連續預烘干機組。多機協同聯動式自動加料連續揉捻方式，邊進料邊揉捻，揉捻均勻度更高[11]。

2.4 預烘干環節

預烘干環節，設計并列連續烘干機組，根據揉捻物料的多少，配置烘干機組數。茶葉完成揉捻工序后，首先通過烘干設備的梳齒式解塊機對揉捻后的茶葉進行解塊，達到均勻鋪葉的目的，便于充分預烘干。烘干箱內采用空氣熱對流的方式經過多層帶式傳動，使茶葉與熱空氣充分熱交換，進行干燥。通過控制變頻電機速度，實現控制物料烘干時間，預烘干初步干燥完成后，物料傳送至儲料倉。儲料倉在生產線中起到緩沖作用，保證殺青、冷卻回潮、揉捻及預烘干工序的連續性，實現負荷匹配。經計量分料裝置稱重，通過傳送帶按照設定的順序，為炒干機送料。

2.5 炒干與拋光環節

炒干與拋光機組設計為上下雙層結構，上層為炒干機組、下層為拋光機組[12] ，如圖3所示。儲料倉的物料經傳送帶送至稱重系統，稱重系統根據物料的要求稱重，而后按照設定的程序，定量依次將物料輸送至炒干機進行炒干。主要工序如下。

（1）稱重。按照設計要求將預烘干的茶葉由儲料倉通過傳送帶輸送至稱重裝置，達到設定的重量之后，由上料提升機輸送至炒干與拋光機組。由于稱重器加料稱重，需要一定的時間，為了保證生產的連續性，稱重裝置設置2個，輪流依次稱重、輸送。

（2）加料。提升機將物料提升至不銹鋼結構的加料槽，槽內用不銹鋼鏈板式刮板傳送，按照設定的程序，依次定量分別為多個炒干機組加料。

（3）炒干。經提升傳送機將稱重后的茶葉送入炒干機的入料口，進行炒干加工，炒干溫度采用PID閉環控制，炒干完成后，將物料送入對應的下層拋光機組。

（4）拋光。拋光機無需加熱，在常溫下，茶葉在旋轉的六棱滾桶內翻拋，一是使干燥的茶葉充分緩蘇，溫度內外一致；二是使茶葉在翻拋過程中更加緊實光滑；三是提升茶葉香氣，相當于利用物料的余熱烘焙。

2.6 篩分與風選環節

篩分與風選是茶葉精制加工工藝中非常重要的一環，其效果直接影響茶葉的價值[13]。采用雙層茶葉篩分與風選裝置，主要由篩分風選室、末片室、觀察窗、喂料裝置、開合機構和分茶隔板等組成。雙層茶葉風選機，在風選室內部設置上風選室和下風選室，在上下風選室內各設置一臺離心風機，在一臺機器上對三口的茶葉進行二次風選，一方面提高風選效率，另一方面，減少工人的重復工作，減少風選機的占地面積。在上風選室、下風選室各設置有兩扇觀察窗，便于觀察風選室的內部物料情況，幫助操作者更好地觀察茶葉的落料情況，調節相應的工藝參數[13]。

3 安裝調試

3.1 生產線安裝

大型連續綠茶精制全自動加工生產線，可以根據茶葉加工企業的廠房實際情況，靈活安裝組線。依據企業的生產產能選擇大型滾筒殺青機單臺或2臺并列運行，四機協同聯動式揉捻機組多組串聯、并聯，靈活選配。并列連續預烘干機組、冷卻回潮機和輸送機組可以根據企業訂單要求，進行設計組配，以滿足企業的個性化需求。例如，湖北某茶葉加工企業根據需求設計組配生產線，該生產線采用雙臺滾筒殺青機并列運行，揉捻部分采用2個四聯揉捻機組串聯后再并列運行模式，日處理鮮茶葉超50 000 kg，加工成品干茶超10 000 kg。生產線部分上料與殺青、揉捻、炒干與拋光機安裝現場如圖4所示。生產線上殺青機、理條機及烘干機各環節溫度采用模糊PID控制，解決了茶葉加工溫度、投葉量與殺青、理條及烘干時間實時配合的問題，輸入不同等級、不同重量的鮮葉可以輸出相適應的殺青溫度和時間，實現對茶葉生產過程的精確控制，減少了人為因素的干擾，實現綠茶的智能化生產。

3.2 推廣應用

通過長期的實踐，融合茶葉加工工藝要求，不斷優化茶葉加工工藝，研制出大型連續綠茶精制全自動加工生產線以及生產線上各環節（自動化殺青、自動化揉捻、自動化炒茶和自動化烘干等模塊）共5個系列10款裝備，提高了茶葉加工生產效益，促進了茶葉加工生產機械化發展。近三年來，皖、蘇、浙、云、貴、川、豫、湘、鄂和陜等十余個省份200余家茶葉生產企業，采用該生產線或加工裝備，實現綠茶加工產業升級，企業經濟效益得到很大提升。

研究團隊以“打造精品茶機、服務億萬茶農”為己任，以“服務茶產業、實現機械化、高效智能化、保障清潔化”為發展方向，逐步改進茶葉生產加工工藝，穩步擴展銷售市場，圍繞大型連續綠茶精制加工生產線的生產研制和推廣應用，取得發明專利15件，形成企業標準1項，該項成果獲省級科技進步獎二等獎。自動加工生產線的推廣應用，改變了常規茶區加工作業模式，降低了茶葉生產成本，提高了茶葉生產效率，保證了茶葉品質。

4 結論

（1）基于模糊PID溫度控制的大型滾筒殺青機雙模糊控制技術，解決了傳統茶葉殺青方式受人為因素影響，無法實現精確控制的難題。通過檢測殺青滾筒中的鮮葉投葉量和鮮葉等級，應用模糊控制規則決策，實時調整殺青時間和殺青溫度的設定值，并在殺青溫度中嵌入模糊PID控制，實現殺青溫度的精準控制。

（2）采用鏈式刮板輸送智能加料裝備與多機聯動協同連續揉捻控制技術，使多個單體揉捻機根據控制程序依次加料、協同工作，形成一個連續揉捻組合，使生產線結構更緊湊，從而節約用地，降本增效。針對不同茶葉加工工藝，設定精準控制揉捻力度，成條率高。

（3）采用茶葉自動化炒干拋光裝備與連續輸送智能分料技術，將儲料倉的物料經傳送帶送至稱重系統自動稱重，按照設定的控制程序，定量依次將物料輸送至多組炒干機進行自動炒干，實現連續輸送智能分料。通過自動控制溫度，變頻電機帶動滾筒轉動，滾筒內的筋條板帶動茶葉在桶內不斷翻拋，實現茶葉干燥、緊條、定型和提升香氣等功能。

本研究基于PLC控制技術，融合茶葉加工工藝要求，對殺青、揉捻、預烘干、稱重、炒干與拋光及篩分與風選等環節采用模塊化設計，實現靈活安裝組配自動化生產線，滿足企業個性化需求。該生產線的推廣應用，改變了傳統茶葉加工作業方式，降低了茶葉生產成本，提高了茶葉生產效率，保證了茶葉品質，同時有利于解決了用工難、用工貴問題。

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（責任編輯：何 艷）

基金項目 安徽省科技重大專項（18030701195）。

作者簡介 曹成茂（1964—），男，安徽六安人，博士，教授，從事特色經濟作物機械化裝備研究。

收稿日期 2024-06-01