茶葉揉捻機智能控制系統研發與應用

朱鳳芝 吳拱星 顏國霖

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-7860

摘? 要：揉捻是茶葉加工中最核心工序之一，其機械結構經歷了幾代變化，隨著科技發展，控制系統也在不斷更新。目前常用的揉捻機機械部分采用手動搖柄使雙曲臂結構下壓，這種模式延遲時間長，茶葉揉捻過程時有被“壓死”“過揉”，導致茶葉條索結團、斷碎等問題，影響成品茶葉的品質。該項目通過對不同茶樹品種（特大葉種、大葉種、中葉種、小葉種等）及不同茶葉制作工藝（紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶等）的揉捻試驗，對在揉捻過程中的關鍵參數（投葉量、壓力、揉捻時間等）進行測量、記錄、分析，建立茶葉揉捻工藝數據庫;選用PLC控制器，構建壓力自適應控制系統，達到壓力最優控制，實現揉捻葉上料簡便、自動加壓、自動出料等功能。在觸摸屏上可設定揉捻次數、壓力、時間等參數，用戶可根據不同茶類品種需求靈活調整參數。

關鍵詞：揉捻機? 工藝參數? 智能控制? PLC

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（b）-0081-04

Development and Application of Intelligent Control System for Tea Rolling Machine

ZHU Fengzhi? WU Gongxing? YAN Guolin

（School of Intelligent Manufacturing Engineering， Liming Vocational University， Quanzhou， Fujian Province， 362000? China）

Abstract： Rolling is one of the core processes in tea processing. Its mechanical structure has undergone several generations of changes. With the development of science and technology， the control system is constantly updated. At present， the commonly used mechanical part of the rolling machine uses the manual handle to make the double arm structure press down. This mode has a long delay time. In the rolling process of tea， it is often "crushed" and "over kneaded"， which leads to the problems such as the caking and breaking of tea strips， and affects the quality of finished tea. Through the rolling test of different tea varieties （super large leaf species， large leaf species， middle leaf species， small leaf species， etc.） and different tea production processes （black tea， green tea， oolong tea， black tea， etc.）， the key parameters （leaf amount， pressure， rolling time， etc.） in the rolling process are measured， recorded and analyzed， and the rolling process database of tea is established; PLC controller is selected The pressure adaptive control system is constructed to achieve the optimal control of pressure and realize the functions of simple loading， automatic pressure and automatic discharge. Parameters such as rolling times， pressure and time can be set on the touch screen， and users can adjust the parameters flexibly according to the needs of different tea varieties.

Key Words： Rolling machine; Process parameters; Intelligent control; PLC

茶葉是福建省特色優勢農業產業，國家和福建省在茶機購置補貼方面給予了大力支持，隨著茶葉市場的發展，農業部提供茶葉機械補貼額度的提升及品種的增加的補貼政策將大大促進茶葉生產企業購買茶葉機械的積極性不斷提高，茶葉機械生產企業迎來了整合發展、做大做強的轉折點。為達到提高茶葉加工處理效率、降低人工成本，進而開拓國際大市場的目標，茶企對茶機的需求及性能要求將持續擴大、提升，這也將不斷促進茶機行業在生產規模、研發技能、產品質量等方面快速發展。且隨著大眾對茶葉的認知度提高，在茶葉的質量和安全方面有更高的要求。目前，國內外茶葉衛生安全標準也在提高，改造傳統的茶葉生產及制作方式勢在必行，這也給生產茶葉機械企業提出了較高的要求，茶葉機械行業必須向信息化、數字化、自動化、智能化高科技領域延伸，提高茶葉機械生產向精致化、高值化方向發展。

泉州市茶葉品種資源豐富，安溪鐵觀音茶種植歷史悠久，品質好，久負盛名，在全國有著極高的認可度，還有永春佛手茶、德化油茶、毛蟹茶、梅占茶、安溪本山茶等，現有茶樹品種70多種。茶業加工機械行業在提供茶農先進生產裝備中發揮著重要作用，茶葉生產的機械化、自動化、智能化是現代茶產業發展必由之路，是轉變茶葉經濟增長方式的重要和必要環節。推廣應用高效先進的茶葉生產裝備，對于提高生產效率、緩解勞動力緊缺、改善生產條件、減輕勞動強度、保障茶葉品質、促進茶葉科技進步，茶葉經濟發展、茶農增收富裕等方面發揮著重要作用，有助于實現智能生產、安全生產[1]。

制約中國茶產業發展的主要因素就是機械設備的陳舊和老化，很多制茶工藝還停留在原始的手工制作上，無論從生產效率還是人工成本的節約上都得不到很好的改善[2]。將現代工業控制理論應用到新型茶機上，將人工經驗與制茶參數有效地結合起來，是提高中國傳統產業發展的一個最有效的途徑。

自動化茶葉揉捻設備首要目的是解放勞動力，降低成本，提高茶葉產品質量，提高生產效率。現有的自動化茶葉揉捻設備多數已經有簡單自動控制系統，但是不連續，只是在原有機械揉捻機的基礎上增加自動加壓裝置和自動出料裝置，對控制工藝參數研究還不夠充分，還需要再提高自動化揉捻的精準度。目前，自動化茶葉揉捻設備技術還存在以下問題：（1）揉捻空間彈性變化有待提高。原來茶葉揉捻機的自動化控制系統使用步進電機連接絲杠等傳動裝置實現壓蓋升降加壓，揉捻過程中壓力波動較大，主要由于揉盤對茶葉的翻滾作用導致，通過揉捻機合理改進，固定揉捻空間，減少茶葉之間的相對運動，讓揉捻壓力和揉捻空間呈彈性變化，從而增大茶葉在揉捻過程中的相對運動，提高茶葉的翻轉效果。（2）揉捻機的控制系統優略，主要依靠工藝參數的準確性，通過反復實踐，確定茶葉揉捻過程中的壓力和時間參數，為控制系統構建與參數整定提供依據，從而保障茶葉成形和成茶質量。（3）揉捻自動化程度低等[3]。舊的揉捻機控制系統采用繼電器接觸器控制系統，隨著智能控制技術的發展，PLC控制技術、單片機控制技術已經逐步向茶葉揉捻工序的連續自動化作業方向發展，但是仍然存在著對揉捻過程中的參數分析不足，尤其在桶式揉捻機中的受力情況以及與外部施壓關系方面還需要深入研究探索。因此研制智能化的茶葉揉捻設備具有很強的緊迫性和市場適應性，揉捻設備的研發應用勢在必行。

1? 揉捻機機械結構設計

揉捻是使裝在揉桶中的茶葉受揉盤、揉桶、棱骨及茶葉間的摩擦力，或剪切、擠壓等方式破壞茶葉的細胞組織，使多酚類物質和多酚氧化酶充分混合，加快多酚類化學物的酶促氧化，為形成紅茶特有的內質奠定基礎;同時使葉片揉卷成條索狀，形成圓緊外形;茶汁溢聚于葉條表面，形成烏潤色澤，增加茶湯的濃度。該項目使用了福建佳友茶葉機械智能科技股份有限公司的一款揉捻機產品[4]，該揉捻機包括機架、揉桶、加壓機構，用于帶動捻桶轉動的傳動機構，揉桶的下方設有揉盤并包含揉骨，揉盤置于機架上，加壓機構包括主氣缸和壓蓋，主氣缸包括氣體缸、伸縮桿以及活塞，壓蓋置于揉桶的上方，主氣缸的伸縮桿外端與壓蓋苦丁連接，主氣缸裝在機架上，氣缸內設有壓力傳感器、磁環，用于感應磁環的3個磁環感應開關，磁環安裝在活塞上，磁環感應開關置于氣缸體內，壓力傳感器和磁環感應開關分別與控制裝置連接，可控制壓蓋對茶葉揉捻壓力以及控制揉捻壓力的作用時間[5]。圖1為揉捻機機械結構圖。

2? 智能控制系統設計

（1）基于揉捻工藝試驗分析的壓力自適應控制系統，實現55型茶葉揉捻機的工作壓力檢測、揉捻時間控制、步進電機的控制[6]。通過對不同茶樹品種（特大葉種、大葉種、中葉種、小葉種等）及不同茶葉制作工藝（紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶等）的揉捻試驗，對在揉捻過程中的關鍵參數（投葉量、壓力、揉捻時間等）進行測量、記錄、分析，確定不同茶類揉捻壓力的揉捻方式、調壓時間、范圍等[7]。

（2）茶葉揉捻智能控制系統的揉捻機設有3個磁環感應開關，控制裝置可根據壓蓋達到的不同位置，從而控制不同的揉捻壓力，使揉捻機具有輕揉、中揉以及重揉的功能。

（3）茶葉揉捻智能控制系統采用新型變量裝置，利用氣體流量比例來轉換成電流在顯示器上顯示出壓力數據，更精準、更靈活地控制茶葉揉捻的效果。

該項目擬采用壓力自適應控制系統，具體情況見圖2。

利用傳感器對加壓過程進行壓力檢測，采用壓力自適應控制系統，由壓力檢測傳感器、電氣比例閥和低摩擦氣缸組成。在茶葉的揉捻過程中，壓力檢測傳感器測量揉捻壓力，將檢測結果反饋給PLC，PLC對壓力測定值和輸入值做比較，通過閉環自適應算法控制電氣比例閥的輸出，從而達到動態跟蹤揉捻壓力的要求。

壓力傳感器可采用電阻應變式測力傳感器作為壓力與電量的轉化元件，工作原理是金屬絲發生彈性變形后，其電阻值相應的物理特性發生變化。為了便于計算，采用電橋測量電路將電阻的變化轉變為電流或電壓的變化。電橋有直流電橋和交流電橋，其原理相似。該項目計劃采用交流電橋進行分析，具體情況見圖3。

控制系統采用新模塊化緊湊型西門子S7-1200控制器，集成PROFINET接口，可用來編程、HMI連接、和CPU-to-CPU通信;集成強大的技術功能，計數、測量、閉環控制（見圖4）。

3? 結語

經過測試達到如下參數指標：小時生產率：≥32 kg/h;千瓦小時生產率：≥32 kg/（kW h）;成條率：≥88%;細胞破壞率：≥83%;碎茶率：≤4%;跑茶率：≤1%。在該課題研究的基礎上，逐步將數臺揉捻機排列運轉，所有機器的茶葉稱量、投葉、揉捻、加壓和松壓、出茶等均由智能控制系統進行程序控制;將信息化大數據技術與傳統揉捻設備相結合，收集原產地溫度、氣候、海拔等地理數據，同時采集各地茶葉加工工藝參數，建立大數據庫;將傳感器技術、智能控制技術應用于茶葉加工裝備領域，研發中大型清潔化、連續化茶葉加工流水生產線是實現規模化生產、提高茶葉生產效率、提升茶葉口感品質的有效途徑。

參考文獻

[1] 梁娟，林菡，施鍵蘭，等.茶葉揉捻機的自動控制系統設計[J].軟件，2017，38（2）：42-46.

[2] 張問采，賈文月，張翔.淺談茶葉揉捻設備機電一體化的現狀與發展[J].南方農機，2017，48（21）：25-26，35.

[3] 權啟愛.茶葉揉捻機的發明及我國茶葉揉捻機研制與發展[J].中國茶葉，2017，39（11）：7-9.

[4] 廖勤明，莫懷鴻.茶葉現代加工技術和裝備的研究與推廣[J].南方園藝，2015，26（4）：28-32.

[5] 洪勇為.茶葉揉捻機的實時控制及其結構優化[D].江西農業大學，2016.

[6] 陳加友，江進福，陳英勇，等.多茶類茶葉初加工自動化生產線模塊化設計[J].中國茶葉，2018，40（11）：41-45.

[7] 張祖明，張銘耀，江子穎，等.自動化茶葉揉捻機的設計與實現[J].中國高新科技，2018（1）：68-70.