茶葉加工裝備智能管控技術應用研究進展

摘要：茶葉加工裝備智能管控技術對于解決茶葉產業發展中所遇到的一系列困境和挑戰具有重要意義。文章綜述了茶葉初制及精制生產線上智能管控技術的最新研究進展，涵蓋了綠茶、紅茶、黑茶和多功能生產線的智能化進展，具體探討了智能萎凋設備、智能殺青機、智能揉捻機和智能烘干機等關鍵茶葉加工設備的研究進展，同時介紹了數字化拼配技術、智能除雜設備和風選設備在茶葉精制過程中的創新應用，以期為后續茶葉加工裝備智能管控技術的研究提供借鑒。

關鍵詞：茶葉；加工裝備；智能管控；研究進展

中圖分類號：TS272" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：1000－3150（2024）07-11-6

Research Progress on Intelligent Control Technology for Tea

Processing Equipments

QIN Jingru， JIANG Yuchen， DING Linghang， TANG Zhe*

Central South University， Changsha 410083， China

Abstract： The intelligent control technology of tea processing equipments is of great significance for a series of difficulties and challenges in the development of the tea industry. The article summarized the latest research progress in intelligent control technology of primary and refining tea processing lines， covering the intelligent progress of green tea， black tea， dark tea， and multifunctional production lines. Specifically， it included the progress of key technologies such as intelligent withering equipments， intelligent fixation machines， intelligent rolling machines， and intelligent drying machines. At the same time， it introduced some innovative applications of digital blending technology， intelligent impurity removal equipments， and wind selection equipments in the tea refining process， so as to provide references for the subsequent research on intelligent control technology for tea processing equipments.

Keywords： tea， processing equipment， intelligent control， research progress

近年來，隨著科技水平的發展、市場需求的變化和消費水平的提高，信息化技術、智能化技術、數字化技術等新技術逐漸被應用到茶葉加工中，以提高茶葉產品的附加值和競爭力。隨著技術的不斷進步和市場需求的日益增長，智能控制技術的應用已成為推動食品加工行業發展的關鍵因素[1]。因此，研究茶葉加工裝備智能管控技術對我國茶葉的生產和發展具有重要意義。

1" 茶葉初制生產線中智能管控技術的應用研究

茶葉是我國傳統的農產品，一直備受人們的喜愛。茶葉加工作為茶產業鏈中的重要環節，加工的品質穩定性、質量、衛生情況一直備受重視[2]，其中綠茶、紅茶、黑茶作為三大基本茶類，其加工工藝的精進和創新一直是行業發展的趨勢和企業追尋的目標。

1.1" 綠茶生產線

綠茶是中國最常見、飲用最為廣泛的一個茶類，不少企業推出了綠茶加工智能生產線，為實現數字化加工，這些生產線都配備數據采集與管理的功能。湯哲等[3]開發了一種炒青綠茶自動化生產線控制系統，包括上位機、數據采集與監控系統（SCADA）服務器和下位機系統，上位機通過以太網連接SCADA服務器，下位機系統通過以太網網絡交換機連接至SCADA服務器。炒青綠茶自動化生產線控制系統控制精確，自動化程度高，實現了炒青綠茶的全自動連續化生產。浙江省瑞安市嶺雅綠茶綜合開發有限公司“綠茶+紅茶”雙茶聯動加工模式中，綠茶加工采用了自動化智能生產線[4]。劉庚強等[5]研制出了適應廣東地區的綠茶自動化連續加工生產線，包含攤青→殺青→揉捻→烘干，該生產線加工出的沿溪山白毛尖茶湯色清澈、茶香雅致。湯澤清等[6]設計出了采用先進節能型生產裝備和生物顆粒清潔化能源的生產線，滿足節能型生產需求，以可編程邏輯控制器（PLC）+傳輸功率控制品（TPC）為核心控制單元，實現整條生產線無排放、無污染的清潔化生產和數字化系統控制。

我國綠茶品類繁多，還有很多其他類型的綠茶生產線，比如西湖龍井、信陽毛尖等綠茶最近幾年也陸續實現了連續化和自動化生產，同時生產線中也配備了數據管控平臺。

1.2" 紅茶生產線

紅茶作為一種全球性飲料[7]，因其順滑的口感 、清澈的湯色、濃郁的花香和果香，以及具有較強的抗氧化和調節血脂能力等健康功效而受到消費者喜愛[8-10]。近年來，紅茶加工生產線一直朝著智能化方向發展。滇紅茶自動化初制工藝流程主要為：萎凋→除雜→揉捻→解塊篩分→發酵→初烘→攤涼→復烘→足烘→毛茶，涉及的主要生產設備包括茶葉儲青機、萎凋機、風選機、滾筒除雜機、揉捻機、解塊篩分機、發酵機、烘干機等[11]。貴州黔茶聯盟茶業發展有限公司[12]公開了一種紅茶智能化加工生產線，包括鮮葉輸送機、揉捻機、解塊機、智能發酵室、烘干機和控制柜，該生產線有效解決了現有紅茶加工生產前對鮮葉清洗后采用人工控水，不僅費時費力，還易使鮮葉堆積熟化，影響其品質，降低制茶效率的問題。安徽方達茶業有限公司[13]提供了一種小罐紅茶自動化加工生產線，通過使用物料漏斗內部的調速電機帶動斜撥桿、橫桿以及撥動板攪動茶葉，讓茶葉可以通過下落管掉落到稱量器上的弧形稱量板上進行稱量，通過電動伸縮桿控制遮蓋板遮蓋下落管的密封程度，從而可以控制下落的茶葉數量，一定程度上可以保障包裝的稱量，也提高了紅茶的包裝效率。

1.3" 黑茶生產線

黑茶歷史悠久，具有深厚的文化底蘊，長期飲用黑茶，對人體具有顯著的藥理保健和病理預防作用。近年來，在制茶機械自動控制方面也有所突破。長沙湘豐智能裝備股份有限公司[14]提出一種黑毛茶自動化初制生產線，包括儲青裝置、殺青機、兩臺揉捻機組、兩個渥堆倉、兩臺烘干機，設備間通過輸送裝置順序連接，分別通過PLC控制柜、中央控制計算機用以太網互聯，實現黑毛茶的自動化連續生產。

渥堆是影響黑茶特征風味形成的關鍵工序。黑茶渥堆工序通過胞外酶和生物熱，以及微生物自身物質代謝的協同作用，使茶葉內含成分發生復雜變化，進而形成黑茶特征性的品質風味[15]。溫度、濕度和時間是渥堆過程中重要的加工參數[16]。黑茶傳統渥堆環境簡陋，難以精準控制渥堆溫濕度，易造成黑茶渥堆不均勻，出現香氣低悶或雜異氣味等問題[17]。因此，為提高黑茶渥堆效果，提升黑茶品質，一些能夠實現精準控溫、清潔化、自動化的數控渥堆工序[18]被研發應用。

1.4" 多功能生產線

針對國內茶葉加工生產線功能單一，設備通用性不高，生產效率較低，無法滿足未來智能制造柔性化生產的需求等技術瓶頸，不少企業開展不同茶類加工工序和設備的創新融合，研發了單機模塊適配與制造創新技術，促進了生產線智能控制的原始創新。長沙湘豐茶葉機械制造有限公司[19]研發了一種紅茶和綠茶兼容的全自動茶葉加工生產線設備及方法，首次設計出智能化紅綠茶兼容型生產線，對傳統紅茶和綠茶工藝進行優化集成，創新地實現一線兩用、紅綠茶兼制，徹底改變原來一條生產線只能加工一種茶葉的模式。同時開發出適配紅綠茶生產線的關鍵單機設備——儲青槽、萎凋機、發酵房、自動流量控制裝置、熱輻射茶葉殺青、干燥、提香一體機等，滿足生產線各個單機模塊的功能要求。該公司還開發出了茶葉行業首個針對紅綠茶兼制生產線的基于PLC的加工過程SCADA系統，實現對整個加工過程的溫度、流量、壓力和速度等參數的自動控制，同時實現過程集中監控和遠程可視化訪問功能。在自動化的基礎上，通過茶葉加工技術與信息技術的深度融合，實現茶青類型的在線識別與分類，使茶葉加工裝備能根據不同的茶青自動選擇最優加工參數，實現茶葉加工裝備從自動化向數據化和智能化的升級。

其他茶類生產線在數字化方面也有較大提升，岳陽縣洞庭春純天然茶葉有限公司[20]提出了一種黃茶自動化生產線，利用該生產線，茶葉在悶黃室中進行悶黃，完成悶黃后從出料口掉出。悶黃室溫濕度的調節通過設置在悶黃室內用于檢測濕度和溫度的傳感器將測量的信息輸入控制系統，由控制系統通過控制悶黃室內的加熱器和噴霧裝置來實現。曾興[21]對清潔化復式萎凋白茶生產線設計及工藝進行了研究，這是一種清潔化復式萎凋白茶生產新技術，包括由透光材料建成的日光萎凋房和自動晾曬生產線，可根據日光強度的變化，調節轉速，做到茶葉晾曬交替時間準確可控，保證萎凋品質。新技術加工的白茶與傳統日光萎凋的白茶相比，香氣更加鮮爽，滋味更加鮮醇，品質更加穩定。

1.5" 茶葉主要智能加工設備

1.5.1" 智能萎凋設備

萎凋是茶鮮葉通過攤放、晾曬，使茶葉因散失部分水分而萎蔫、葉質變柔軟、色澤變深綠的過程[22]。目前，公開了很多茶葉智能萎凋裝置。英德市三圣紅茶業有限公司[23]設計的茶葉智能化萎凋裝置，以解決現有的萎凋裝置萎凋溫度不均勻且效率較低的問題。福建農山堂生態農業有限公司[24]公開了一種新的智能熱風萎凋設備，有效解決了現有熱風設備在使用時，因茶葉攤放過厚，堆積在底部的茶葉無法吹到熱風，導致萎凋效果不均勻，影響后續生產的問題。江西省太陽紅茶業有限公司[25]公開了一種紅茶用智能化茶葉旋轉萎凋機，可以在溫度保持不變的情況下，控制風力的大小，保證不同體積葉片的萎凋程度一致，并且通過萎凋筒的轉動能夠對葉片進行翻動，保證萎凋效果。Zhang等[26]選擇西門子PLC為主控制器，設計了一款可以在萎凋過程中采集溫度、濕度和氧濃度信息且具備數據記錄功能的萎凋設備，實現了萎凋的自動化、智能化。

1.5.2" 智能殺青機

殺青的目的是破壞鮮葉中酶的活性，鮮葉中的物質成分在沒有酶催化的條件下，其化學變化的速度將會明顯放緩，在殺青過程中便僅有物理熱效起作用[27]。溫度控制是工業生產中經常使用的控制對象，也是殺青機控制系統中的關鍵控制對象。呂浩華[28]提出了過熱蒸汽、高溫熱風及熱滾筒耦合殺青工藝，設計了一種汽-熱-風耦合滾筒式茶葉殺青機，通過樣機試驗驗證了殺青機工作的實用性和可靠性。林啟軍[29]針對茶葉殺青過程中溫度控制的問題，運用模糊控制理論設計開發了一套新型的滾筒式茶葉殺青機控制系統。為了測試并提升不同殺青方式下殺青機的性能，相關專家和學者針對不同類型殺青機，以及影響殺青機性能的不同因素進行了大量系統性的研究和探索。徐海衛等[30]研究了殺青滾筒內導葉板螺旋角大小對殺青均勻程度的影響，利用流體分析軟件Fluent對滾筒內流場進行仿真，驗證了分段導葉板對殺青葉品質的提升作用。袁海波等[31]通過試驗分析了殺青滾筒的不同筒段在不同溫度分布下的殺青效果，以及改變殺青總歷時對殺青葉質量的影響，并將電磁加熱殺青機與燃煤式殺青機進行對比，結果表明電磁加熱殺青機殺青葉色澤嫩綠、鮮活，清香濃郁，所制綠茶感官評分高；熱能利用率可達50%～60%。

1.5.3" 智能揉捻機

揉捻是制茶工序中的重要環節，促使茶葉成條，溢出茶汁，增加茶湯濃度[32]。目前茶葉揉捻普遍采用機械揉捻，存在自動化程度不高、揉捻的工藝參數較難控制、人工成本較高等問題[33]，因此有學者設計了一種新型的自動控制式茶葉智能揉捻機組。該揉捻機組將傳感器技術、智能控制技術應用于茶葉揉捻機，通過將多個桶式揉捻機組合，采用多級傳送上料帶，保障每個揉捻機的進料，同時采用自動控制算法調控和觸摸顯示屏對揉捻過程中的揉捻溫度、濕度、壓力、時間、速度等參數進行精準調控，實現揉捻工序的智能化及茶葉品質的穩定性[34]。

1.5.4" 智能烘干機

茶葉烘干是茶葉加工過程中的關鍵環節，也是高耗能環節，占茶葉生產總耗能的一半以上[35]。目前茶葉的烘干作業普遍采用自動鏈板式烘干機，存在烘干能耗高、熱量利用率低、粉塵茶灰大、無法實時觀察茶葉的烘干狀態和顏色變化等問題[36]。長沙湘豐智能裝備股份有限公司[37]通過在烘干腔內設置的限位滑槽、攝像頭、顯示屏等裝置，對茶葉的烘干狀態和顏色變化進行實時拍攝，并顯示在顯示屏上，方便加工人員對茶葉的烘干程度進行精準把控，保證茶葉烘干質量。長沙湘豐智能裝備股份有限公司[38]設計了一種帶有粉塵回收功能的節能高效一體化智能烘干機。熱風發生裝置位于烘箱底部與之成為整體，烘箱設置硅酸鋁保溫纖維材質的保溫層，利用天然氣或液化石油氣作為熱源，采用計算機控制系統對茶葉烘干過程中熱電偶溫度傳感器的溫度反饋進行傳熱系數的參數設定，并通過反饋控制系統調節燃燒器的進氣流量自動調節火力的大小，大大提高了烘干效果的穩定性，實現了茶葉烘干的智能化。

2" 茶葉精制生產線中智能管控技術的應用研究

隨著機械制茶新工藝和智能技術的出現，生產效率及茶葉質量都得到了極大的提高，茶葉產品也得到了豐富[39]。通過集成智能管控技術來促進茶葉生產加工的發展，能夠幫助開發出更具色香味形的特色產品，進而促進經濟效益的提升[40]。

2.1" 數字化拼配技術

茶葉拼配是茶葉精制生產線中的重要環節，能將不同產地、不同品種、不同工藝的茶葉拼配成符合標準的產品，是穩定茶葉品質、提高茶葉產量的重要手段。傳統的拼配技術主要依賴專業的拼配人員對原料茶葉的感官評審，秉承“揚長避短、高低平衡”的原則進行試配，再經過反復的改良確定最終的拼配方案，該方法具有較強的主觀性，無法標準化生產[41]。因此，在茶葉精制加工過程中引入數字化拼配技術是適應茶葉生產現代化趨勢的必然選擇。林懌箐[42]將茶葉拼配問題轉化為一個兼顧成本和品質的多目標優化問題并建立多目標優化數學模型，將品質預測結果進一步應用到紅茶的數字化拼配中，構建拼配成本和品質偏差目標函數，以各原料茶的拼配比例作為決策變量，采用多種多目標智能優化算法進行配方的自動尋優，快速形成優勢拼配方案。劉瑩[43]利用高光譜成像技術結合化學計量學方法對拼配茶樣關鍵品質成分的含量及拼配茶樣各原料比例進行快速預測研究，從而形成適優的拼配方案。將茶葉拼配利用數字化技術進行求解，在茶葉實際生產中更為高效精確，同時也為茶企提高了經濟效益[44]。

2.2" 智能除雜設備

除雜是茶葉精制過程中提升產品質量的重要手段，通過去除老葉、莖梗及非茶類夾雜物使茶葉等級及品質更加優良。將智能化技術引入茶葉除雜過程中能夠改善因人工除雜效率低下及雜質漏揀對茶葉質量產生不利影響的技術問題[45]。吳秀偉等[46]利用帶有智能識別系統與永磁性滾筒的除金屬機吸附茶葉中的鐵銹或金屬屑，利用靜電除雜機將有機雜物分離。貴州茶投企業集團有限責任公司[47]設計了一種具有除雜功能的智能化茶葉殺青設備，利用回轉電機驅動除雜筒高速轉動的方式，使茶葉在離心力作用下高速與金屬網格狀的除雜筒筒壁碰撞，將雜質去除，簡單高效，實現智能化運行。

2.3" 智能風選設備

茶葉風選裝備是茶葉精制過程中的重要裝備，影響著下一步工序的效率。目前采用的風選設備存在裝備功能單一、茶葉風選誤差大、風選精度低等問題[48]。為提高茶葉品質，科研工作者不斷對茶葉風選設備進行改進和創新。黃洋洋[49]設計了茶葉風選智能控制系統，利用YOLOv5s模型進行茶葉等級的識別，再利用LabVIEW上位機采集茶葉等級數據，然后利用PLC技術的風選實驗臺根據茶葉等級數據完成智能化調控；吳秀偉等[46]設計程控風選機，利用其中的自動控制調節配置，按照不同類型茶葉自行設定不同的風量，吹去茶葉中夾帶的樸片及細小蟲體、纖維等雜質。

3" 展望

綜上所述，智能管控技術引入茶葉加工設備對茶葉生產具有非常重要的作用，有助于茶葉生產環境的穩定、高效除雜、準確實現茶葉分級和協助茶葉風選等，進而提升茶葉的生產效率與品質[50]，從而促進茶葉生產經濟效益的提高。

智能化管控技術將在茶葉加工裝備中繼續承擔重要角色。一是智能化管控技術集成和互聯互通，這意味著不同加工裝備可以通過物聯網技術實現數據交換和智能協同，進一步提高生產線的整體效率和適應性。二是大數據分析技術和茶葉加工裝備的深度融合，通過對生產數據的深入挖掘和分析，預測設備故障，實現預防性維護，提高工廠利用率和生產可靠性。三是綠色環保、節能減排理念和智能化管控技術的深度融合，開發更環保的加工技術和節能設備，以滿足全球茶葉市場可持續發展的更高要求。

總體而言，茶葉加工裝備智能管控技術的不斷進步和應用將為茶葉行業帶來新的發展機遇和競爭優勢，且必將在未來發揮越來越重要的作用，推動茶葉行業朝著更智能化、高效化和可持續發展的方向邁進。

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基金項目：國家重點研發計劃（2022YFD2101101）、國家現代農業產業技術體系（CARS-19）

作者簡介：秦靜茹，女，碩士研究生，主要從事茶葉裝備和智能技術的研究。*通信作者，E-mail：tz@csu.edu.cn