朱凤芝 吴拱星 颜国霖

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

摘  要：揉捻是茶叶加工中最核心工序之一，其机械结构经历了几代变化，随着科技发展，控制系统也在不断更新。目前常用的揉捻机机械部分采用手动摇柄使双曲臂结构下压，这种模式延迟时间长，茶叶揉捻过程时有被“压死”“过揉”，导致茶叶条索结团、断碎等问题，影响成品茶叶的品质。该项目通过对不同茶树品种（特大叶种、大叶种、中叶种、小叶种等）及不同茶叶制作工艺（红茶、绿茶、乌龙茶、黑茶等）的揉捻试验，对在揉捻过程中的关键参数（投叶量、压力、揉捻时间等）进行测量、记录、分析，建立茶叶揉捻工艺数据库;选用PLC控制器，构建压力自适应控制系统，达到压力最优控制，实现揉捻叶上料简便、自动加压、自动出料等功能。在触摸屏上可设定揉捻次数、压力、时间等参数，用户可根据不同茶类品种需求灵活调整参数。

关键词：揉捻机  工艺参数  智能控制  PLC

中图分类号：TG659                          文献标识码：A文章编号：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

茶葉是福建省特色优势农业产业，国家和福建省在茶机购置补贴方面给予了大力支持，随着茶叶市场的发展，农业部提供茶叶机械补贴额度的提升及品种的增加的补贴政策将大大促进茶叶生产企业购买茶叶机械的积极性不断提高，茶叶机械生产企业迎来了整合发展、做大做强的转折点。为达到提高茶叶加工处理效率、降低人工成本，进而开拓国际大市场的目标，茶企对茶机的需求及性能要求将持续扩大、提升，这也将不断促进茶机行业在生产规模、研发技能、产品质量等方面快速发展。且随着大众对茶叶的认知度提高，在茶叶的质量和安全方面有更高的要求。目前，国内外茶叶卫生安全标准也在提高，改造传统的茶叶生产及制作方式势在必行，这也给生产茶叶机械企业提出了较高的要求，茶叶机械行业必须向信息化、数字化、自动化、智能化高科技领域延伸，提高茶叶机械生产向精致化、高值化方向发展。

泉州市茶叶品种资源丰富，安溪铁观音茶种植历史悠久，品质好，久负盛名，在全国有着极高的认可度，还有永春佛手茶、德化油茶、毛蟹茶、梅占茶、安溪本山茶等，现有茶树品种70多种。茶业加工机械行业在提供茶农先进生产装备中发挥着重要作用，茶叶生产的机械化、自动化、智能化是现代茶产业发展必由之路，是转变茶叶经济增长方式的重要和必要环节。推广应用高效先进的茶叶生产装备，对于提高生产效率、缓解劳动力紧缺、改善生产条件、减轻劳动强度、保障茶叶品质、促进茶叶科技进步，茶叶经济发展、茶农增收富裕等方面发挥着重要作用，有助于实现智能生产、安全生产[1]。

制约中国茶产业发展的主要因素就是机械设备的陈旧和老化，很多制茶工艺还停留在原始的手工制作上，无论从生产效率还是人工成本的节约上都得不到很好的改善[2]。将现代工业控制理论应用到新型茶机上，将人工经验与制茶参数有效地结合起来，是提高中国传统产业发展的一个最有效的途径。

自动化茶叶揉捻设备首要目的是解放劳动力，降低成本，提高茶叶产品质量，提高生产效率。现有的自动化茶叶揉捻设备多数已经有简单自动控制系统，但是不连续，只是在原有机械揉捻机的基础上增加自动加压装置和自动出料装置，对控制工艺参数研究还不够充分，还需要再提高自动化揉捻的精准度。目前，自动化茶叶揉捻设备技术还存在以下问题：（1）揉捻空间弹性变化有待提高。原来茶叶揉捻机的自动化控制系统使用步进电机连接丝杠等传动装置实现压盖升降加压，揉捻过程中压力波动较大，主要由于揉盘对茶叶的翻滚作用导致，通过揉捻机合理改进，固定揉捻空间，减少茶叶之间的相对运动，让揉捻压力和揉捻空间呈弹性变化，从而增大茶叶在揉捻过程中的相对运动，提高茶叶的翻转效果。（2）揉捻机的控制系统优略，主要依靠工艺参数的准确性，通过反复实践，确定茶叶揉捻过程中的压力和时间参数，为控制系统构建与参数整定提供依据，从而保障茶叶成形和成茶质量。（3）揉捻自动化程度低等[3]。旧的揉捻机控制系统采用继电器接触器控制系统，随着智能控制技术的发展，PLC控制技术、单片机控制技术已经逐步向茶叶揉捻工序的连续自动化作业方向发展，但是仍然存在着对揉捻过程中的参数分析不足，尤其在桶式揉捻机中的受力情况以及与外部施压关系方面还需要深入研究探索。因此研制智能化的茶叶揉捻设备具有很强的紧迫性和市场适应性，揉捻设备的研发应用势在必行。

1  揉捻机机械结构设计

揉捻是使装在揉桶中的茶叶受揉盘、揉桶、棱骨及茶叶间的摩擦力，或剪切、挤压等方式破坏茶叶的细胞组织，使多酚类物质和多酚氧化酶充分混合，加快多酚類化学物的酶促氧化，为形成红茶特有的内质奠定基础;同时使叶片揉卷成条索状，形成圆紧外形;茶汁溢聚于叶条表面，形成乌润色泽，增加茶汤的浓度。该项目使用了福建佳友茶叶机械智能科技股份有限公司的一款揉捻机产品[4]，该揉捻机包括机架、揉桶、加压机构，用于带动捻桶转动的传动机构，揉桶的下方设有揉盘并包含揉骨，揉盘置于机架上，加压机构包括主气缸和压盖，主气缸包括气体缸、伸缩杆以及活塞，压盖置于揉桶的上方，主气缸的伸缩杆外端与压盖苦丁连接，主气缸装在机架上，气缸内设有压力传感器、磁环，用于感应磁环的3个磁环感应开关，磁环安装在活塞上，磁环感应开关置于气缸体内，压力传感器和磁环感应开关分别与控制装置连接，可控制压盖对茶叶揉捻压力以及控制揉捻压力的作用时间[5]。图1为揉捻机机械结构图。

2  智能控制系统设计

（1）基于揉捻工艺试验分析的压力自适应控制系统，实现55型茶叶揉捻机的工作压力检测、揉捻时间控制、步进电机的控制[6]。通过对不同茶树品种（特大叶种、大叶种、中叶种、小叶种等）及不同茶叶制作工艺（红茶、绿茶、乌龙茶、黑茶等）的揉捻试验，对在揉捻过程中的关键参数（投叶量、压力、揉捻时间等）进行测量、记录、分析，确定不同茶类揉捻压力的揉捻方式、调压时间、范围等[7]。

（2）茶叶揉捻智能控制系统的揉捻机设有3个磁环感应开关，控制装置可根据压盖达到的不同位置，从而控制不同的揉捻压力，使揉捻机具有轻揉、中揉以及重揉的功能。

（3）茶叶揉捻智能控制系统采用新型变量装置，利用气体流量比例来转换成电流在显示器上显示出压力数据，更精准、更灵活地控制茶叶揉捻的效果。

该项目拟采用压力自适应控制系统，具体情况见图2。

利用传感器对加压过程进行压力检测，采用压力自适应控制系统，由压力检测传感器、电气比例阀和低摩擦气缸组成。在茶叶的揉捻过程中，压力检测传感器测量揉捻压力，将检测结果反馈给PLC，PLC对压力测定值和输入值做比较，通过闭环自适应算法控制电气比例阀的输出，从而达到动态跟踪揉捻压力的要求。

压力传感器可采用电阻应变式测力传感器作为压力与电量的转化元件，工作原理是金属丝发生弹性变形后，其电阻值相应的物理特性发生变化。为了便于计算，采用电桥测量电路将电阻的变化转变为电流或电压的变化。电桥有直流电桥和交流电桥，其原理相似。该项目计划采用交流电桥进行分析，具体情况见图3。

控制系统采用新模块化紧凑型西门子S7-1200控制器，集成PROFINET接口，可用来编程、HMI连接、和CPU-to-CPU通信;集成强大的技术功能，计数、测量、闭环控制（见图4）。

3  结语

经过测试达到如下参数指标：小时生产率：≥32 kg/h;千瓦小时生产率：≥32 kg/（kW h）;成条率：≥88%;细胞破坏率：≥83%;碎茶率：≤4%;跑茶率：≤1%。在该课题研究的基础上，逐步将数台揉捻机排列运转，所有机器的茶叶称量、投叶、揉捻、加压和松压、出茶等均由智能控制系统进行程序控制;将信息化大数据技术与传统揉捻设备相结合，收集原产地温度、气候、海拔等地理数据，同时采集各地茶叶加工工艺参数，建立大数据库;将传感器技术、智能控制技术应用于茶叶加工装备领域，研发中大型清洁化、连续化茶叶加工流水生产线是实现规模化生产、提高茶叶生产效率、提升茶叶口感品质的有效途径。

参考文献

[1] 梁娟，林菡，施键兰，等.茶叶揉捻机的自动控制系统设计[J].软件，2017，38（2）：42-46.

[2] 张问采，贾文月，张翔.浅谈茶叶揉捻设备机电一体化的现状与发展[J].南方农机，2017，48（21）：25-26，35.

[3] 权启爱.茶叶揉捻机的发明及我国茶叶揉捻机研制与发展[J].中国茶叶，2017，39（11）：7-9.

[4] 廖勤明，莫怀鸿.茶叶现代加工技术和装备的研究与推广[J].南方园艺，2015，26（4）：28-32.

[5] 洪勇为.茶叶揉捻机的实时控制及其结构优化[D].江西农业大学，2016.

[6] 陈加友，江进福，陈英勇，等.多茶类茶叶初加工自动化生产线模块化设计[J].中国茶叶，2018，40（11）：41-45.

[7] 张祖明，张铭耀，江子颖，等.自动化茶叶揉捻机的设计与实现[J].中国高新科技，2018（1）：68-70.