鐘應(yīng)富， 吳全 ，2， 李中林，2， 羅紅玉， 王奕， 袁林穎 ， 楊娟 ， 鄔秀宏

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，重慶永川 402160；2.重慶云嶺茶業(yè)科技有限責(zé)任公司，重慶永川 402160）

針形名茶是我國名優(yōu)茶中的一大品類，也是重慶茶業(yè)特色和主導(dǎo)茶類，重慶針形名茶現(xiàn)已形成永川秀芽、巴南銀針、太白銀針等優(yōu)勢品牌。以永川秀芽為代表的重慶針形茶始創(chuàng)于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾代科技人員的不懈努力，其適宜品種、栽培技術(shù)、加工工藝等方面得到了系統(tǒng)研究，加工工藝已獲兩項(xiàng)發(fā)明專利：“一種針形綠茶的制備方法”（ZL03117589.9）和“一種針形茶的制備方法”（ZL200710092841.X）。

由于振動(dòng)理?xiàng)l機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在針形名茶理?xiàng)l造型過程中有著廣泛應(yīng)用[1]。理?xiàng)l造形是形成針形名茶獨(dú)特品質(zhì)的關(guān)鍵工序[2]，雖然目前已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工，但多數(shù)情況下仍需手工操作和人工干預(yù)，在理?xiàng)l過程中，需要合理控制理?xiàng)l溫度、時(shí)間、投葉量、振動(dòng)頻率等，對人的技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且成茶品質(zhì)主要取決于操作者的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，不利于連續(xù)化、規(guī)模化生產(chǎn)。因此，研究開發(fā)適宜的連續(xù)自動(dòng)化控制裝備及工藝技術(shù)顯得尤其重要。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

名山山峰茶機(jī)廠6CLZ-80理?xiàng)l機(jī)、304不銹鋼、方鋼（35 mm×35 mm）、西門子 S7-200 PLC、西門子Smart觸摸屏、德力西三線PNP接近開關(guān)、S型重力傳感器、PT 100溫度傳感器、SC63-50氣缸、7.5 kW空壓機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單機(jī)理?xiàng)l自動(dòng)化改造

針對傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)溫度控制不穩(wěn)定、下料不方便等問題，試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)溫度傳感器，均勻分布于理?xiàng)l槽下面，以4點(diǎn)溫度的平均值作為開關(guān)加熱器的控制信號。采用氣缸下料代替人工下料，增設(shè)下料拉桿、空壓機(jī)等。

1.2.2 連續(xù)理?xiàng)l作業(yè)改造

針對單機(jī)理?xiàng)l存在效率低、不連續(xù)、成本高等問題，在單機(jī)自動(dòng)化理?xiàng)l裝備基礎(chǔ)上，通過研發(fā)配套裝備，根據(jù)生產(chǎn)線前一道工序物料供應(yīng)速度，采用多臺(tái)（一般為4、6、8等雙數(shù)臺(tái)）理?xiàng)l機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理?xiàng)l過程的連續(xù)化運(yùn)行。

1.2.3 配套裝備研發(fā)

為實(shí)現(xiàn)理?xiàng)l過程的全程可控，定制提升機(jī)[3]、振動(dòng)出葉槽和用于物料輸入輸出裝備。針對已有的理?xiàng)l機(jī)投料裝置特點(diǎn)[4-7]，研制具有貯料、稱量、均勻布料、往復(fù)行走下料的投料小車。

1.2.4 自動(dòng)化控制試驗(yàn)

采用模塊化功能程序設(shè)計(jì)理念，將自動(dòng)化理?xiàng)l設(shè)計(jì)為備料模塊、理?xiàng)l模塊、投料模塊和出料模塊4個(gè)功能塊。首先進(jìn)行單機(jī)的自動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)，試驗(yàn)多點(diǎn)平均溫度控制理?xiàng)l差異率，當(dāng)理?xiàng)l差異率低于5%時(shí)，將此理?xiàng)l控制過程設(shè)計(jì)為單機(jī)的自動(dòng)化理?xiàng)l程序模塊，然后進(jìn)行分析設(shè)計(jì)其它功能塊的運(yùn)行邏輯、信號采集等，利用PLC控制技術(shù)編寫程序[8]，建立人機(jī)對話窗口、管理員及操作員作業(yè)界面、工藝參數(shù)輸入界面等，完成控制系統(tǒng)研發(fā)。

1.2.5 設(shè)計(jì)控制電路

根據(jù)自動(dòng)理?xiàng)l工藝及連續(xù)化作業(yè)需要，分析并建立各環(huán)節(jié)的控制關(guān)系，設(shè)計(jì)控制電路。

1.2.6 開發(fā)控制程序

根據(jù)自動(dòng)理?xiàng)l工藝要求，編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)該工序連續(xù)自動(dòng)化。

1.2.7 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)控制程序作業(yè)需要，按照有利于操作和管理、有利于生產(chǎn)應(yīng)用的原則，開發(fā)人機(jī)對話界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話和自動(dòng)控制。

圖1 連續(xù)理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of continuous shaping machine

2 結(jié)果與分析

2.1 研究形成連續(xù)自動(dòng)化理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，經(jīng)單機(jī)改造采用4臺(tái)理?xiàng)l機(jī)聯(lián)用，增設(shè)投料、輸送、下料、控制等輔助裝備，形成連續(xù)化理?xiàng)l控制系統(tǒng)裝備，包括提升機(jī)、多功能備料小車、均料平輸機(jī)、理?xiàng)l單機(jī)等主要組成部分。

2.2 連續(xù)自動(dòng)化理?xiàng)l控制方案

如圖2所示，系統(tǒng)由提升上料系統(tǒng)、自動(dòng)理?xiàng)l系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等部分組成，其控制邏輯順序?yàn)椋海?）管理用戶輸入密碼進(jìn)行管理系統(tǒng)，輸入工藝參數(shù)保存后，操作人員輸入密碼進(jìn)入操作系統(tǒng)，啟動(dòng)自動(dòng)理?xiàng)l；（2）提升機(jī)上料系統(tǒng)開始工作，小車首先自動(dòng)回到始點(diǎn)，提升機(jī)開始向備料小車輸送在制品原料，電子稱稱重并計(jì)算重量，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)重量后，發(fā)出指令，提升機(jī)停止工作，小車將物料載到滿足條件的理?xiàng)l機(jī)上方對其下料，下料結(jié)束，小車自動(dòng)回到起始位置，發(fā)出提升指令，提升機(jī)系統(tǒng)對其投料；（3）理?xiàng)l機(jī)接收到物料后，按設(shè)定的理?xiàng)l工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化理?xiàng)l；（4）理?xiàng)l結(jié)束后，發(fā)出指令，氣缸或電機(jī)帶動(dòng)理?xiàng)l槽下料到振動(dòng)出葉槽，同時(shí)，振動(dòng)出葉槽啟動(dòng)振動(dòng)輸送及風(fēng)機(jī)冷卻，將理?xiàng)l好的茶葉輸送到集料裝備上。整個(gè)控制過程既獨(dú)立運(yùn)行，又相互聯(lián)系通信，實(shí)現(xiàn)了理?xiàng)l的自動(dòng)化運(yùn)行。

采用模塊化功能程序設(shè)計(jì)理念，將自動(dòng)化理?xiàng)l拆分設(shè)計(jì)為備料模塊、投料模塊、理?xiàng)l模塊和出料模塊等功能塊。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)化理?xiàng)l，可根據(jù)之前工序物料供給速度，設(shè)計(jì)多個(gè)理?xiàng)l機(jī)單元。系統(tǒng)由4臺(tái)茶葉理?xiàng)l單機(jī)組成，整個(gè)機(jī)組通過提升機(jī)、多功能備料小車、理?xiàng)l單機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)各裝備與控制系統(tǒng)相連。整個(gè)機(jī)組通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。每臺(tái)理?xiàng)l機(jī)的工作步驟都分別有各自的PLC程序獨(dú)立操控，不受其它理?xiàng)l機(jī)操控程序的影響，控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、軟件系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC作為控制中樞，電子稱、接近開關(guān)、溫度傳感器為信號采集裝置，提升機(jī)電機(jī)、料車行走電機(jī)、下料電機(jī)、槽體振動(dòng)電機(jī)、加熱開關(guān)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；以重量、溫度、時(shí)間、振動(dòng)頻率控制輸出信息。人機(jī)對話界面設(shè)計(jì)可人工輸入工藝參數(shù)、啟停任何一臺(tái)機(jī)械等。

2.3 控制程序開發(fā)

根據(jù)針形茶自動(dòng)理?xiàng)l控制要求，根據(jù)各理?xiàng)l運(yùn)行環(huán)節(jié)的時(shí)間或邏輯關(guān)系，采用梯形圖設(shè)計(jì)控制程序，自動(dòng)化理?xiàng)l機(jī)組包含多個(gè)環(huán)節(jié)，主要環(huán)節(jié)的控制框架如圖3所示：

圖2 自動(dòng)理?xiàng)l控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖Fig.2 Logical relationship diagram of automatic shaping control system

圖3 自動(dòng)化理?xiàng)l主要環(huán)節(jié)控制圖Fig.3 The main link control diagram of automatic shaping

2.4 產(chǎn)品樣機(jī)及控制系統(tǒng)

產(chǎn)品樣機(jī)及控制界面如圖4和圖5所示。

試驗(yàn)研發(fā)的自動(dòng)化理?xiàng)l機(jī)滿足了該裝備的自動(dòng)化控制理?xiàng)l，將傳統(tǒng)看茶制茶轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)控制理?xiàng)l。該控制系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，建立人機(jī)對話控制界面，通過預(yù)存工藝參數(shù)，將復(fù)雜的理?xiàng)l工藝簡單化，既方便實(shí)用，又易于操作。為保護(hù)控制系統(tǒng)及工藝參數(shù)不被人為破壞，系統(tǒng)程序及操作界面還采取加密處理。

圖4 試驗(yàn)研發(fā)的產(chǎn)品樣機(jī)Fig.4 The product prototype researched and developed in the test

2.5 自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)裝備檢測結(jié)果

自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)在重慶云嶺茶業(yè)科技有限責(zé)任公司正式投入生產(chǎn)運(yùn)行，為驗(yàn)證該機(jī)組生產(chǎn)效果，委托重慶市農(nóng)機(jī)鑒定站進(jìn)行了農(nóng)機(jī)檢測，理?xiàng)l產(chǎn)品到送重慶市食品藥品檢測檢驗(yàn)研究院檢驗(yàn)分析，自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)運(yùn)行效果參見表1，自動(dòng)理?xiàng)l和人工理?xiàng)l的感官品質(zhì)對照和性能對照所表2和表3所示。從表中可以看出，自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了理?xiàng)l過程自動(dòng)化運(yùn)行。

采用連續(xù)自動(dòng)化理?xiàng)l機(jī)作業(yè)，由于理?xiàng)l投葉量、溫度、時(shí)間、振動(dòng)頻率等參數(shù)相同，成品茶均勻一致，且條索更緊細(xì)直、破碎率少，色澤綠潤，較好的保障了優(yōu)質(zhì)針形名茶品質(zhì)特色。與人工干預(yù)機(jī)械理?xiàng)l相比，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，投葉量差異率低于4.5%，生產(chǎn)效率提高14.3%，而能耗僅增加了4%，以4個(gè)理?xiàng)l機(jī)單元為一組的全自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)，每天可節(jié)約人工2個(gè)，且產(chǎn)品質(zhì)量更標(biāo)準(zhǔn)一致、重復(fù)性更好，便于規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

表1 自動(dòng)理?xiàng)l機(jī)運(yùn)行效果Table 1 The operational effect of automatic shaping machine

表2 自動(dòng)理?xiàng)l與人工理?xiàng)l茶葉感官品質(zhì)對照Table 2 The comparison of the tea sensory evaluation between automatic shaping and man-made shaping

3 結(jié)論

試驗(yàn)通過增設(shè)投料、輸送、下料、控制等裝備，采取PLC控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)理?xiàng)l機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理?xiàng)l過程的連續(xù)自動(dòng)化運(yùn)行，與傳統(tǒng)的人工輔助理?xiàng)l機(jī)比較，該裝備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

表3 自動(dòng)理?xiàng)l與人工理?xiàng)l性能對照Table 3 The comparison of performance between automatic shaping and man-made shaping

（1）顯著提升成茶品質(zhì)。自動(dòng)連續(xù)理?xiàng)l機(jī)組的投葉方式較人工投葉方式更均勻，投葉量差異率低于4.5%，人工投葉則高于10%。由于理?xiàng)l機(jī)的投葉量、溫度、時(shí)間、振動(dòng)頻率等參數(shù)相同且穩(wěn)定，通過合理的參數(shù)設(shè)置，可保證理?xiàng)l機(jī)的每槽在制葉受力、受熱均勻，避免過多投葉量、過高溫度、過長時(shí)間的理?xiàng)l，使得成品茶條索緊直、色澤綠潤、滋味鮮醇。

（2）明顯提高理?xiàng)l作業(yè)效率。通過四臺(tái)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)化理?xiàng)l，理?xiàng)l單機(jī)的空閑時(shí)間少，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高14.3%。

（3）降低理?xiàng)l作業(yè)成本。采用多臺(tái)聯(lián)動(dòng)理?xiàng)l，雖然增加了投料、輸送、下料、控制等裝備，能耗增加4%，但是理?xiàng)l操作用工由2人減少為無人操作，理?xiàng)l作業(yè)成本顯明降低。