茶葉揉捻自動化控制設(shè)備的技術(shù)分析

任曉娜（成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川成都 610000）

茶葉揉捻自動化控制設(shè)備的技術(shù)分析

任曉娜
（成都紡織高等專科學(xué)校，四川成都 610000）

茶葉制作工序比較繁多，每個工序的完成質(zhì)量都決定著茶葉的產(chǎn)品效果。其中揉捻工序是茶葉加工的關(guān)鍵，受到傳統(tǒng)人工操作的影響，茶葉質(zhì)量難以得到保證。在這種情況下，需要進(jìn)一步提升茶葉的自動化控制技術(shù)。本文首先對茶葉揉捻設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行了概述，然后總結(jié)了將傳統(tǒng)機(jī)械揉捻設(shè)備改進(jìn)為自動化控制設(shè)備的技術(shù)方法。

茶葉揉捻；自動化控制設(shè)備；應(yīng)用技術(shù)

作為茶葉加工的主要程序，傳統(tǒng)的揉捻方法一般是采用手工操作，后來發(fā)明了木質(zhì)的揉捻裝置，茶葉加工效率大大提升。隨著茶葉需求量的增加，以及加工技術(shù)的日漸成熟，機(jī)械式的茶葉揉捻裝置日漸成熟。但是初期的機(jī)械式揉捻設(shè)備也有自身的缺陷，因?yàn)椴僮鞴と嗽趯?shí)際的茶葉加工過程中，必須通過手柄裝置來操控機(jī)器，如果工作時間比較長，那么勞動強(qiáng)度就會很大，不僅出現(xiàn)手臂酸痛等身體上的不良反應(yīng)，而且茶葉的質(zhì)量也難以得到保證。比如塑性不符合規(guī)定要求，內(nèi)部纖維組織破壞嚴(yán)重等。在后期的發(fā)展過程中，為了不斷提升茶葉的品質(zhì)，自動化揉捻裝置被研究出來。

1　茶葉揉捻設(shè)備的發(fā)展

我國是茶的起源地，不管是茶葉的種植量還是需求量都非常高，為了提升茶葉產(chǎn)生，研制出來大量的自動化加工設(shè)備，其中茶葉揉捻裝置大大提升了茶葉的加工效率，并且能夠很好地保證茶葉的成品質(zhì)量。在我國主要的六大類茶葉中，烏龍茶、黑茶還有紅茶以及部分綠茶和黃茶等都是需要經(jīng)過揉捻這道加工工序的。揉捻的原理是經(jīng)過物理活動將茶葉內(nèi)部的組織細(xì)胞破壞，然后多余的茶汁會被擠出來，原本呈現(xiàn)為葉片狀態(tài)的茶葉就會塑造成緊密而彎曲的形態(tài)，因此茶葉揉捻也可以說是茶葉塑性。經(jīng)過揉捻之后的茶葉，內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)會重新合成，這樣一來，制作完成的茶葉經(jīng)過沖泡就會呈現(xiàn)出更加醇厚和持久的香氣，如果揉捻效果比較理想，那么沖泡出來的茶葉形狀會呈現(xiàn)出規(guī)則完整的外形，非常具有美觀性。由此可以發(fā)現(xiàn)，揉捻程序是茶葉加工中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，直接決定著茶葉的最終品質(zhì)，而在揉捻過程中，控制好對內(nèi)部纖維組織的破壞程度是保證茶葉質(zhì)量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的茶葉揉捻設(shè)備叫做盤式揉捻機(jī)，一般是由機(jī)架、揉盤、揉桶以及加壓裝置還有傳動機(jī)構(gòu)等組成。具體的運(yùn)行過程如下：

將茶葉裝在揉桶中，固定在框架上的揉桶會在曲臂的帶動下按照固定的方向以及速度運(yùn)行。茶葉在經(jīng)過反復(fù)的揉捻之后，受到揉桶蓋的作用、揉盤的反復(fù)作用力以及揉桶的側(cè)面壓力等，茶葉的纖維組織遭到破壞，內(nèi)部茶汁溢出，會逐漸被揉捻成細(xì)致規(guī)則的茶葉條。需要注意的是，在整個揉捻過程中由于揉捻機(jī)的轉(zhuǎn)動速度保持不變，那么在這種情況下，決定茶葉能夠成型的關(guān)鍵因素就是施加壓力的大小。也就是說，在揉捻時需要根據(jù)實(shí)際情況，合理的調(diào)整壓力的大小。但是由于人工操作難以控制加壓量或者減壓量，很難保證后期的成型效果。后來發(fā)明研制出來了以集成數(shù)字化技術(shù)和PLC控制技術(shù)為主要的自動化揉捻設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了整個揉捻過程的自動化操作，不需要大量的人工參與，同時壓力施加能夠進(jìn)行良好的控制，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械式揉捻裝置的不足，極大的降低了勞動強(qiáng)度并提高了揉捻質(zhì)量。下文主要對自動化揉捻設(shè)備的運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行分析。

2　揉捻自動化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)分析

第一，加壓問題是傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中急需解決的關(guān)鍵問題之一，也是影響茶葉加工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)?？梢杂煤愣▎蛹訅捍嬖瓉淼膹椈杉訅貉b置，利用氣缸加壓蓋在揉捻過程中對茶葉施加壓力，如果需要改變壓力大小，只需要調(diào)節(jié)電磁閥以及調(diào)壓閥的參數(shù)就行了。

第二，在揉捻設(shè)備中引用PLC技術(shù)，也就是可編程邏輯控制器。利用該技術(shù)能夠根據(jù)揉捻需要調(diào)整加壓的力度，并設(shè)置加壓時間，這樣一來，就可以進(jìn)行更具針對性的自動化操作。

第三，將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中的人工加料，改為揉捻機(jī)自動加料，利用PLC技術(shù)可以控制壓蓋的上升時間、以及壓蓋的開啟與加料完成后的關(guān)閉時間。

第四，茶葉揉捻完成之后，可以利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動出茶，就是建立一套受PLC技術(shù)控制的氣動回轉(zhuǎn)缸，同時還帶有機(jī)械放大裝置，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動出茶技術(shù)的應(yīng)用。

3　自動揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析以及具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1結(jié)構(gòu)

自動揉捻機(jī)主要由以下部分組成：1.揉盤和出茶門部件；2.揉桶和框架部；3.加壓壁自動的升降和開合裝置；4.加壓臂自動升降定位裝置；5.自動加壓裝置；6.氣動限位裝置；7.主動力傳動裝置；8.皮帶秤。

3.2操作步驟

設(shè)備啟動之后，出茶門會自動關(guān)閉，揉桶達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的位置之后，會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待自動加料；加壓蓋自動開啟，經(jīng)過自動皮帶秤稱量之后的茶料會自動投入到揉桶中，關(guān)閉加壓蓋；然后揉桶開始進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)，在回轉(zhuǎn)過程中，壓蓋會在不同的加工階段對茶葉施加力度、時間不同的壓力，這樣就能夠滿足不同的加工等級需求。揉捻工序全部完成之后，茶門自動開啟，并將揉捻完成的茶葉卸出。同時，揉桶下面安裝的毛刷可以自動將揉盤上剩余的茶末清掃出來，完成之后，自動關(guān)閉茶門。揉桶返回設(shè)定的安裝位置，并自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。然后再重新開啟加壓蓋，開始下一個階段的揉捻作業(yè)。

3.3基于PLC的茶葉揉捻機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1設(shè)計思路

首先，電源打開之后，操作觸摸屏，在系統(tǒng)中輸入用戶名和密碼，進(jìn)入驗(yàn)證程序，驗(yàn)證完成后自動進(jìn)入茶葉揉捻機(jī)的控制系統(tǒng)。然后，根據(jù)加工需求設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。設(shè)置完成之后啟動加工按鈕，揉捻機(jī)根據(jù)之前設(shè)定好的加工程序，會完成全程的自動化操作。一輪的操作完成后，系統(tǒng)會開始進(jìn)行故障檢查，如果沒有問題，會等待新的參數(shù)輸入，如果等到時間到達(dá)之后，仍然沒有新的參數(shù)輸入，那么系統(tǒng)會重新載入上一輪設(shè)置的參數(shù)，開始通常的揉捻作業(yè)。如果在加工過程中出現(xiàn)任何異常情況，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報。如果因?yàn)槁牭綄?dǎo)致設(shè)備突然停止運(yùn)行，那么系統(tǒng)會自動保存運(yùn)行數(shù)據(jù)，停電之后，能夠完全恢復(fù)。如果需要暫停加工，按下暫停鍵就可以了，重新開始之后，會延續(xù)之前的加工狀態(tài)。

3.3.2系統(tǒng)組成

茶葉揉捻機(jī)的自動控制系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成，分別是：上位機(jī)、下位機(jī)和調(diào)速控制、壓力控制、上下葉控制以及顯示裝置。其中，上位機(jī)是一臺和觸摸屏組成一體機(jī)的PC；下位機(jī)是一個PLC；調(diào)速控制系統(tǒng)是由交流電機(jī)和變頻器組成的；壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動器和行程開關(guān)組成壓力控制系統(tǒng)；上下葉的控制系統(tǒng)是由電磁閥、氣缸以及開關(guān)組成；文本顯示器與指示燈組成顯示系統(tǒng)。

3.3揉捻機(jī)自動加壓裝置設(shè)計與結(jié)構(gòu)

3.3.1設(shè)計方案

安裝同步電機(jī)和同步皮帶到揉桶的加壓桿上面，連接完成之后會與加壓感組成一個整體控制系統(tǒng)，只需要調(diào)節(jié)同步電機(jī)就可以自動對茶葉進(jìn)行加壓和減壓操作。

3.3.2操作方法

在傳統(tǒng)的盤式茶葉揉捻機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上，安裝電機(jī)和皮帶組成自動加壓裝置。在茶葉加工過程中，根據(jù)加工等級的需要，最同步電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)操作可以完成揉捻壓力的增加和減小，從而代替了傳統(tǒng)的人工操作，提高了茶葉的加工質(zhì)量。

3.3.3加工質(zhì)量對比

將經(jīng)過改進(jìn)后的自動加壓揉捻機(jī)和傳統(tǒng)的人工加壓制成的茶葉進(jìn)行對比，結(jié)果如下：在人工手搖操作中，加壓和減壓花費(fèi)的時間比較長，并且沒有在規(guī)定時間內(nèi)完成相關(guān)的操作，同時，茶葉受到的壓力要么過大，要么過小，導(dǎo)致其成條率和細(xì)胞破損率不能滿足加工要求。采用自動加壓裝置的揉捻設(shè)備之后，加壓作業(yè)不受到人工操作熟練程度的影響，也不會因?yàn)楣ぷ鬟^程中的疲勞因素而導(dǎo)致壓力施加不均勻，大大提升了工作效率，成條率和細(xì)胞破損率也基本符合加工要求。

3.4茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化設(shè)計

3.4.1設(shè)計原理

該設(shè)計是在傳統(tǒng)的機(jī)械式茶葉揉捻機(jī)的基礎(chǔ)上，采用CAD/ CAE/CAM集成數(shù)字化設(shè)計方法對茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，改造之后的設(shè)備有以下優(yōu)勢：第一，設(shè)備的整體重量大大減輕，節(jié)省了制造成本；第二，將原來需要人工操縱的手柄裝置改成了電動機(jī)，主要控制電動機(jī)上的操作按鈕就可以調(diào)節(jié)揉捻的速度以及時間。同時，該技術(shù)改造之后，也有利于更好的實(shí)現(xiàn)PLC自動化控制。

3.4.2設(shè)計流程

第一，采用UG/CAD三維參數(shù)化建模，然后針對不同的零件特點(diǎn)，建立參數(shù)化模型。

第二，對設(shè)備中的各個零件進(jìn)行受力、變形等性能的分析，根據(jù)進(jìn)一步提升零件的性能指標(biāo)，保證后期的工作穩(wěn)定性以及使用壽命。

第三，對零件進(jìn)行自動化設(shè)計，實(shí)際內(nèi)容包括約束條件、設(shè)計變量以及目標(biāo)函數(shù)等，主要目的是滿足運(yùn)行需求，并減少零件的實(shí)際所需重量，從而節(jié)約設(shè)備的制造成本。

第四，為了保證零件加工方式的合理性，可以采用計算機(jī)輔助軟件對關(guān)鍵零件進(jìn)行加工仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)加工過程中可能會出現(xiàn)的各種問題，并進(jìn)行工藝改良，一方面是提高加工質(zhì)量，另一方面是能夠有效避免因?yàn)榧庸し绞讲缓侠矶鴮?dǎo)致的機(jī)床損壞等不良現(xiàn)象。

第五，零件組裝之前進(jìn)行規(guī)格和質(zhì)量的檢測，并采用計算機(jī)軟件模擬茶葉揉捻機(jī)的運(yùn)動過程，提高在實(shí)際運(yùn)行過程中設(shè)備性能的可靠性以及各個零部件的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

我國的茶葉制作技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展，變得愈加成熟，自動化設(shè)備逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的需要大量人工操作的機(jī)械設(shè)備，成為保證茶葉加工品質(zhì)的關(guān)鍵。和傳統(tǒng)的加工方法相比，利用自動化系統(tǒng)控制以及經(jīng)過工藝改良之后的茶葉揉捻裝置，不僅將茶葉工人從大量繁重的加工作業(yè)中解放出來，還節(jié)省了加工時間，茶葉成品質(zhì)量也大大提升，有利于促進(jìn)我國整體制茶技術(shù)的進(jìn)步。

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任曉娜（1979-），女，四川成都人，碩士，講師，研究方向：自動化與傳感器檢測。