钟应富， 吴全 ，2， 李中林，2， 罗红玉， 王奕， 袁林颖 ， 杨娟 ， 邬秀宏

（1.重庆市农业科学院茶叶研究所，重庆永川 402160；2.重庆云岭茶业科技有限责任公司，重庆永川 402160）

针形名茶是我国名优茶中的一大品类，也是重庆茶业特色和主导茶类，重庆针形名茶现已形成永川秀芽、巴南银针、太白银针等优势品牌。以永川秀芽为代表的重庆针形茶始创于20世纪60年代，经过几代科技人员的不懈努力，其适宜品种、栽培技术、加工工艺等方面得到了系统研究，加工工艺已获两项发明专利：“一种针形绿茶的制备方法”（ZL03117589.9）和“一种针形茶的制备方法”（ZL200710092841.X）。

由于振动理条机具有运转平稳、结构简单等优点，在针形名茶理条造型过程中有着广泛应用[1]。理条造形是形成针形名茶独特品质的关键工序[2]，虽然目前已实现机械化加工，但多数情况下仍需手工操作和人工干预，在理条过程中，需要合理控制理条温度、时间、投叶量、振动频率等，对人的技术要求高，劳动强度大，且成茶品质主要取决于操作者的技术水平和经验，不利于连续化、规模化生产。因此，研究开发适宜的连续自动化控制装备及工艺技术显得尤其重要。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

名山山峰茶机厂6CLZ-80理条机、304不锈钢、方钢（35 mm×35 mm）、西门子 S7-200 PLC、西门子Smart触摸屏、德力西三线PNP接近开关、S型重力传感器、PT 100温度传感器、SC63-50气缸、7.5 kW空压机等。

1.2 试验方法

1.2.1 单机理条自动化改造

针对传统理条机温度控制不稳定、下料不方便等问题，试验设置了4个温度传感器，均匀分布于理条槽下面，以4点温度的平均值作为开关加热器的控制信号。采用气缸下料代替人工下料，增设下料拉杆、空压机等。

1.2.2 连续理条作业改造

针对单机理条存在效率低、不连续、成本高等问题，在单机自动化理条装备基础上，通过研发配套装备，根据生产线前一道工序物料供应速度，采用多台（一般为4、6、8等双数台）理条机联动，实现理条过程的连续化运行。

1.2.3 配套装备研发

为实现理条过程的全程可控，定制提升机[3]、振动出叶槽和用于物料输入输出装备。针对已有的理条机投料装置特点[4-7]，研制具有贮料、称量、均匀布料、往复行走下料的投料小车。

1.2.4 自动化控制试验

采用模块化功能程序设计理念，将自动化理条设计为备料模块、理条模块、投料模块和出料模块4个功能块。首先进行单机的自动控制模块设计，试验多点平均温度控制理条差异率，当理条差异率低于5%时，将此理条控制过程设计为单机的自动化理条程序模块，然后进行分析设计其它功能块的运行逻辑、信号采集等，利用PLC控制技术编写程序[8]，建立人机对话窗口、管理员及操作员作业界面、工艺参数输入界面等，完成控制系统研发。

1.2.5 设计控制电路

根据自动理条工艺及连续化作业需要，分析并建立各环节的控制关系，设计控制电路。

1.2.6 开发控制程序

根据自动理条工艺要求，编写控制程序，实现该工序连续自动化。

1.2.7 人机界面设计

根据控制程序作业需要，按照有利于操作和管理、有利于生产应用的原则，开发人机对话界面，实现人机对话和自动控制。

图1 连续理条机结构图Fig.1 Structure diagram of continuous shaping machine

2 结果与分析

2.1 研究形成连续自动化理条机结构组成

如图1所示，经单机改造采用4台理条机联用，增设投料、输送、下料、控制等辅助装备，形成连续化理条控制系统装备，包括提升机、多功能备料小车、均料平输机、理条单机等主要组成部分。

2.2 连续自动化理条控制方案

如图2所示，系统由提升上料系统、自动理条系统、下料系统、操作控制系统等部分组成，其控制逻辑顺序为：（1）管理用户输入密码进行管理系统，输入工艺参数保存后，操作人员输入密码进入操作系统，启动自动理条；（2）提升机上料系统开始工作，小车首先自动回到始点，提升机开始向备料小车输送在制品原料，电子称称重并计算重量，当达到设计重量后，发出指令，提升机停止工作，小车将物料载到满足条件的理条机上方对其下料，下料结束，小车自动回到起始位置，发出提升指令，提升机系统对其投料；（3）理条机接收到物料后，按设定的理条工艺参数进行自动化理条；（4）理条结束后，发出指令，气缸或电机带动理条槽下料到振动出叶槽，同时，振动出叶槽启动振动输送及风机冷却，将理条好的茶叶输送到集料装备上。整个控制过程既独立运行，又相互联系通信，实现了理条的自动化运行。

采用模块化功能程序设计理念，将自动化理条拆分设计为备料模块、投料模块、理条模块和出料模块等功能块。为实现自动连续化理条，可根据之前工序物料供给速度，设计多个理条机单元。系统由4台茶叶理条单机组成，整个机组通过提升机、多功能备料小车、理条单机、振动输送机各装备与控制系统相连。整个机组通过PLC控制系统实现多机协同联动。每台理条机的工作步骤都分别有各自的PLC程序独立操控，不受其它理条机操控程序的影响，控制系统主要由数据采集系统、电气控制系统、人机界面、软件系统组成。控制系统采用PLC作为控制中枢，电子称、接近开关、温度传感器为信号采集装置，提升机电机、料车行走电机、下料电机、槽体振动电机、加热开关等作为执行机构；以重量、温度、时间、振动频率控制输出信息。人机对话界面设计可人工输入工艺参数、启停任何一台机械等。

2.3 控制程序开发

根据针形茶自动理条控制要求，根据各理条运行环节的时间或逻辑关系，采用梯形图设计控制程序，自动化理条机组包含多个环节，主要环节的控制框架如图3所示：

图2 自动理条控制系统逻辑关系图Fig.2 Logical relationship diagram of automatic shaping control system

图3 自动化理条主要环节控制图Fig.3 The main link control diagram of automatic shaping

2.4 产品样机及控制系统

产品样机及控制界面如图4和图5所示。

试验研发的自动化理条机满足了该装备的自动化控制理条，将传统看茶制茶转变为参数控制理条。该控制系统采用PLC控制技术，建立人机对话控制界面，通过预存工艺参数，将复杂的理条工艺简单化，既方便实用，又易于操作。为保护控制系统及工艺参数不被人为破坏，系统程序及操作界面还采取加密处理。

图4 试验研发的产品样机Fig.4 The product prototype researched and developed in the test

2.5 自动理条机装备检测结果

自动理条机在重庆云岭茶业科技有限责任公司正式投入生产运行，为验证该机组生产效果，委托重庆市农机鉴定站进行了农机检测，理条产品到送重庆市食品药品检测检验研究院检验分析，自动理条机运行效果参见表1，自动理条和人工理条的感官品质对照和性能对照所表2和表3所示。从表中可以看出，自动理条机机组各项指标均达到了设计要求，实现了理条过程自动化运行。

采用连续自动化理条机作业，由于理条投叶量、温度、时间、振动频率等参数相同，成品茶均匀一致，且条索更紧细直、破碎率少，色泽绿润，较好的保障了优质针形名茶品质特色。与人工干预机械理条相比，产品质量明显提高，投叶量差异率低于4.5%，生产效率提高14.3%，而能耗仅增加了4%，以4个理条机单元为一组的全自动理条机，每天可节约人工2个，且产品质量更标准一致、重复性更好，便于规模化、标准化生产。

表1 自动理条机运行效果Table 1 The operational effect of automatic shaping machine

表2 自动理条与人工理条茶叶感官品质对照Table 2 The comparison of the tea sensory evaluation between automatic shaping and man-made shaping

3 结论

试验通过增设投料、输送、下料、控制等装备，采取PLC控制系统，可实现多台理条机协同联动，实现理条过程的连续自动化运行，与传统的人工辅助理条机比较，该装备具有以下优点：

表3 自动理条与人工理条性能对照Table 3 The comparison of performance between automatic shaping and man-made shaping

（1）显著提升成茶品质。自动连续理条机组的投叶方式较人工投叶方式更均匀，投叶量差异率低于4.5%，人工投叶则高于10%。由于理条机的投叶量、温度、时间、振动频率等参数相同且稳定，通过合理的参数设置，可保证理条机的每槽在制叶受力、受热均匀，避免过多投叶量、过高温度、过长时间的理条，使得成品茶条索紧直、色泽绿润、滋味鲜醇。

（2）明显提高理条作业效率。通过四台联动，实现了连续自动化理条，理条单机的空闲时间少，台时产量提高14.3%。

（3）降低理条作业成本。采用多台联动理条，虽然增加了投料、输送、下料、控制等装备，能耗增加4%，但是理条操作用工由2人减少为无人操作，理条作业成本显明降低。