炒青綠茶自動化生產(chǎn)線中的信息技術(shù)應(yīng)用

湯 哲，陳華榮，周 鈺，周建勇（.長沙湘豐智能裝備股份有限公司，湖南　長沙　4000；2.中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 40083）

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炒青綠茶自動化生產(chǎn)線中的信息技術(shù)應(yīng)用

湯 哲1，2，陳華榮1，周 鈺1，周建勇1
（1.長沙湘豐智能裝備股份有限公司，湖南長沙410100；2.中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

摘 要：炒青綠茶是我國重要的綠茶種類，介紹國內(nèi)生產(chǎn)的首條炒青綠茶全自動生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)方案。該生產(chǎn)線按照炒青綠茶加工工藝特點進行生產(chǎn)線模塊化分割，再通過自動控制技術(shù)組合，設(shè)計出炒青綠茶自動化生產(chǎn)線。并針對該自動化生產(chǎn)線開發(fā)出了與炒青綠茶加工工藝和設(shè)備相匹配的數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)（SC A D A），SC A D A系統(tǒng)依據(jù)控制功能要求分為三層：現(xiàn)場控制層，過程集中監(jiān)控層，管理服務(wù)層。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了茶葉加工參數(shù)的精確控制，簡單方便的人機操作界面和適應(yīng)信息時代的遠程訪問技術(shù)。

關(guān)鍵詞：炒青綠茶；生產(chǎn)線；數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集；遠程訪問

近年來，在國家持續(xù)加大對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)扶持力度的大環(huán)境背景下，我國茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到各級政府的高度關(guān)注和大力推動。綠茶在我國茶葉生產(chǎn)中占絕對主導(dǎo)地位，約占總產(chǎn)量70%，其中炒青綠茶是綠茶中的重要種類，全國產(chǎn)茶省份中，浙江、福建、湖南、湖北、貴州、安徽、廣西、河南、江蘇、山東、陜西、江西等省均有炒青綠茶的生產(chǎn)。雖然炒青綠茶產(chǎn)量大，分布地域廣，但是現(xiàn)階段我國的茶葉加工技術(shù)仍處于落后階段，總體上還處在半手工、半機械化的低水平。炒青綠茶作為綠茶主要種類也存在主要加工設(shè)備產(chǎn)能不配套，加工設(shè)備機械化程度不高，缺乏連續(xù)化設(shè)計和自動化控制手段，缺乏清潔加工配套設(shè)施，工藝設(shè)計不合理，加工效率低，管理粗放，加工產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，不能實現(xiàn)標準化生產(chǎn)等問題。

日本生產(chǎn)的蒸青綠茶生產(chǎn)線清潔化、連續(xù)化程度比較高，但是沒有考慮到茶青的多樣性，導(dǎo)致茶青布料不一致；整體設(shè)備產(chǎn)能匹配不當，部分加工環(huán)節(jié)存在產(chǎn)能浪費；缺乏數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，客戶沒有直觀的成本統(tǒng)計信息。國內(nèi)開始出現(xiàn)一部分單機系統(tǒng)控制的茶葉生產(chǎn)加工機械，比以往手工作業(yè)為主的茶葉加工有所改良，但仍然沒有實現(xiàn)茶葉加工的自動化和連續(xù)化，且控制粗糙，對技術(shù)工人依賴過高，生產(chǎn)過程中參數(shù)控制缺乏準確性。從嚴格意義上來講，國內(nèi)尚無自行研制的，符合本土炒青綠茶加工工藝的自動化生產(chǎn)線。長沙湘豐智能裝備股份有限公司設(shè)計并實現(xiàn)了一種綠茶自動化生產(chǎn)線，以炒青綠茶連續(xù)化生產(chǎn)線的研制為突破口開展茶葉加工自動化研究，改變現(xiàn)有炒青綠茶以手工為主配合加工機械單機作業(yè)的狀況，實現(xiàn)從鮮葉到干茶的全程連續(xù)化生產(chǎn)；采用自動控制技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的自動控制；通過清潔能源的選擇利用、清潔化加工材料的選用、污染和噪音控制、加工環(huán)境衛(wèi)生的改進等，實現(xiàn)清潔化加工；通過制訂實施清潔化加工工藝技術(shù)規(guī)程，實現(xiàn)標準化生產(chǎn)。對于推動我國綠茶加工裝備升級和茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1］。

1　炒青綠茶自動化生產(chǎn)線的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1生產(chǎn)線的總體組成

本炒青綠茶自動化生產(chǎn)線針對單芽，一芽一葉以及一芽二、三葉等鮮葉原料，設(shè)計鮮葉加工能力為120～180 kg·h- 1，從鮮葉流入到成品茶流出耗時2.5～3.0 h。按照炒青綠茶加工工藝，見圖1。炒青綠茶加工工藝分為13個步驟，其中數(shù)字表示的是茶葉經(jīng)過當前步驟之后的含水量，因季節(jié)、地域不同含水量會有所差異，該圖中含水量以湖南境內(nèi)清明前為參考。

結(jié)合自動化生產(chǎn)的需要，將整個生產(chǎn)線劃分成8個功能模塊［2］，每一個功能模塊都有自己的進料傳送設(shè)備，主加工設(shè)備，以及出料傳輸設(shè)備，且每一個功能模塊單獨構(gòu)建成一個下位機系統(tǒng)，按照工藝順序，系統(tǒng)模塊排列如表1。

在生產(chǎn)線中，每一個功能模塊第一個設(shè)備都具有原料暫存功能，用于前后模塊之間的銜接，尤其是積累茶葉滿足某些設(shè)備的最低啟動需求。

圖1　炒青綠茶加工工藝流程Fig.1 Flow diagram of green tea roasting process

1.2自動化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計

炒青綠茶自動化生產(chǎn)線［3 - 4］SC A D A系統(tǒng)集成了現(xiàn)場控制，過程集中監(jiān)控和管理服務(wù)3大功能部分。其中現(xiàn)場控制層P L C、傳感器（如非接觸式紅外溫度傳感器，壓力傳感器，光電傳感器等）、智能儀表（如變頻器，溫控儀等）和操作終端共同完成現(xiàn)場設(shè)備的分布數(shù)據(jù)采集與控制功能；過程集中監(jiān)控層可以通過安裝監(jiān)控組態(tài)軟件的P C構(gòu)成操作員站（O P）、SC A D A服務(wù)器［5］完成；W eb服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)和工作站完成管理服務(wù)層功能。為了保證系統(tǒng)運行的安全性，可以對SC A D A服務(wù)器進行冗余配置，防止數(shù)據(jù)意外丟失。炒青綠茶自動化生產(chǎn)線SC A D A系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。O P站，SC A D A服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，工作站，W eb服務(wù)器共同組成控制中心。

1.2.1鮮葉計量及殺青系統(tǒng)的設(shè)計 鮮葉經(jīng)過攤放后，開始進入加工流程。在自動化生產(chǎn)線的第1個模塊啟用鮮葉自動計量裝置，進行流量控制，保證鮮葉進量在生產(chǎn)線的加工能力范圍內(nèi)。鮮葉經(jīng)過流量控制后立即進入滾筒殺青機開始殺青過程。在自動化生產(chǎn)中，各部分設(shè)備的吞吐量必須協(xié)調(diào)，此要求可以通過設(shè)備的選型及加工能力設(shè)計進行滿足，再通過控制生產(chǎn)線源頭的原料進量就可以初步滿足自動化生產(chǎn)的基本需求。因此，生產(chǎn)線第1步的流量控制非常重要。

在炒青綠茶加工工藝中，殺青是至關(guān)重要的一步，殺青效果的好壞直接影響著茶葉的品質(zhì)好壞，而殺青的溫度控制是殺青的關(guān)鍵。通過同類產(chǎn)品的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)加熱模式、溫度采集方式和溫度控制方法都是造成殺青效果不理想的重要因素。本研究以70型滾筒殺青機為案例，以液化氣為燃料，在3.7 m的滾筒下方設(shè)有3套金屬紅外燃燒器。燃燒器先通過風門執(zhí)行器讓空氣和燃氣混合燃燒對金屬纖維網(wǎng)加熱，再由金屬纖維進行紅外輻射加熱滾筒，能夠非常迅速的進行升溫，從室溫進入350℃只需不到5 min，比普通燃燒設(shè)備燃燒更加充分、能耗更低、安全隱患小，并可以有效的減低因L P G（液化石油所）燃燒不完全而影響到茶葉的口感。

同時，將滾筒殺青機按黃金分割算法分為3段區(qū)域，在每段區(qū)域的黃金分割點采用非接觸式紅外溫度傳感器反饋當前殺青機滾筒外壁即時溫度，相較于現(xiàn)階段茶葉殺青采用熱電偶反饋溫度具有測量精度高、響應(yīng)時間快等優(yōu)點。溫度控制是茶葉殺青的關(guān)鍵，由于茶葉殺青機滾筒的溫度受青葉溫度、濕度及進料量的影響，并且滾筒的熱慣性較大，具有明顯的非線性和時滯特性，如果采用傳統(tǒng)的PID（比例-積分-微分）控制方法，很難確定精確的數(shù)學模型。而模糊控制不要求精確的數(shù)學模型，具有反應(yīng)靈活、魯棒性好、適應(yīng)性強且超調(diào)量小等特點，對操作人員的經(jīng)驗要求不高，可減低相關(guān)操作人員因為經(jīng)驗的不足以及操作不熟對茶葉殺青帶來的負面影響。

表1　炒青綠茶生產(chǎn)線功能模塊Table 1 Functional modules of roasted green tea production line

本自動化生產(chǎn)線采用曼達尼（M a m dani）模糊控制算法進行殺青溫度控制，見圖3。其中r（t）是茶葉殺青需要的最佳溫度值（湖南清明前炒青綠茶所需最佳殺青溫度約為340℃），e（t）為模糊控制器的一個輸入值，該值是殺青機滾筒外壁當前溫度值與給定值r（t）的差值，是一個精確量，模糊控制的另一個輸入值為d/dt，該值是模糊控制系統(tǒng)兩個相鄰采樣時間點內(nèi)所采樣的溫度值，也是一個精確量；Ke、Kec分別是模糊控制器兩個輸入變量的量化因子；u（t）是模糊控制器的輸出變量，該變量是由模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則與反模糊化后得出的精確量，用以控制燃燒器的風門執(zhí)行器；Ku為輸出變量的比例因子；y（t）為最終模糊控制器對伺服風門的輸出。

模糊控制器將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入模糊化、模糊運算規(guī)則處理（即查詢模糊規(guī)則表）并解模糊后得出模糊控制的精確輸出值，控制器根據(jù)輸出值的大小控制風門開度，來改變火勢大小以達到溫度控制的目的［6］。

1.2.2風選、揉捻及微波系統(tǒng)的設(shè)計 殺青結(jié)束后，高溫茶葉進入風選過程，在風選室內(nèi)將殺青后不合格的老黃葉經(jīng)鼓風機剔除出去，再進入攤涼回潮室，為下一步的揉捻成形做準備。

冷卻回潮的茶葉經(jīng)過振動槽、提升機等輸送設(shè)備進入自動揉捻機。本生產(chǎn)線以6 C R系列單臂揉捻機為基礎(chǔ)，通過增加自動進料、出料裝置，自動精確加壓裝置，揉桶轉(zhuǎn)速自動控制裝置，設(shè)計提供一種可以滿足自動化生產(chǎn)線需求的自動揉捻機［7］。

自動進料裝置通過在揉盤特定支架處設(shè)置磁感應(yīng)開關(guān)，此特定支架運動到磁感應(yīng)開關(guān)正上方時，揉桶正好定位于進料口正下方，此時，將壓蓋上升并旁移，可以將原料加入到揉桶。將出茶門通過氣缸控制，實現(xiàn)自動出茶。

在揉捻過程中，揉捻壓力是整個揉捻的關(guān)鍵。揉桶壓蓋通過單臂內(nèi)的傳動絲桿正反轉(zhuǎn)進行上升和下降，通過在揉捻機單臂的頂部設(shè)置一個磁感應(yīng)開關(guān)，對絲桿的旋轉(zhuǎn)進行正反計數(shù)，將揉桶壓蓋的位置用絲桿旋轉(zhuǎn)計數(shù)精確定位。揉捻過程中，揉捻壓力與揉桶壓蓋的位置直接相關(guān)，由此絲桿旋轉(zhuǎn)的數(shù)值最終可以對應(yīng)為壓力大小。在自動揉捻中，不能按照單一壓力進行揉捻，必須輕重結(jié)合才能揉捻均勻。通過在程序中將自動揉捻過程劃分成不同步驟，在不同步驟中采用不同的壓力，可以大大提高揉捻品質(zhì)。

圖2　炒青綠茶自動化生產(chǎn)線總體拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of roasted green tea processing line

圖3　溫度模糊控制系統(tǒng)圖Fig.3 Fuzzy control on processing temperature

經(jīng)過揉捻后茶葉組織被適當破壞，茶葉細胞水分含量減少，茶汁附著在茶葉表面，通過設(shè)計的微波干燥設(shè)備進行脫水。微波熱量由內(nèi)到外，容易均勻脫水，且時間短，對葉綠素破壞程度大大降低，有效提高脫水質(zhì)量。微波設(shè)備前部分設(shè)計一個勻葉設(shè)備，可以對揉捻中部分成團茶葉進行解塊，同時使茶葉平鋪均勻進入微波干燥腔室。揉捻分為兩次，并輔助微波干燥設(shè)備進行迅速脫水，可以使得茶葉揉捻成形更好，并且色澤翠綠。

1.2.3炒干、烘干及打包系統(tǒng)的設(shè)計 與以往不同，自動炒干機全程處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，炒茶過程中不論進料或是出料茶葉都不會在炒干機內(nèi)停留。在炒干機尾部添加了離心風機，對茶葉進行提毫。炒干機的溫度控制方式和殺青機一致。

殺青和炒干的加熱方式不能應(yīng)用于烘干機，茶葉烘干是熱氣烘干，對茶葉進行提香。同樣采取液化氣為熱源對燃燒室加熱，利用變頻鼓風電機將燃燒室熱量均勻發(fā)散到烘干機內(nèi)，實時采集烘干溫度并使用自動溫控裝置進行大小火調(diào)節(jié)，使烘干溫度維持穩(wěn)定。

烘干后的茶葉通過風機進行快速降溫后進行稱重計數(shù)，然后進入自動打包機進行打包裝袋，至此茶葉加工完成。

2　生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計

SC A D A系統(tǒng)的功能實現(xiàn)被劃分至上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩級結(jié)構(gòu)中。利用SC A D A系統(tǒng)上位機實現(xiàn)過程集中監(jiān)控和管理服務(wù)二層功能，SC A D A系統(tǒng)下位機則實現(xiàn)現(xiàn)場控制層功能，上位機和下位機之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。

2.1下位機系統(tǒng)的設(shè)計

生產(chǎn)線現(xiàn)場信息采集和處理劃分為8個部分，鮮葉計量及殺青模塊，風選模塊，初揉模塊，微波二青模塊，復(fù)揉模塊，微波三青模塊，炒干模塊，烘干及打包模塊，每一個模塊都單獨組成一個下位機系統(tǒng)。下位機采取統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)方式（圖4）。

下位機系統(tǒng)的核心是P L C（可編程控制器），下位機系統(tǒng)在工作時，通過P L C的輸入模塊接受現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息，如磁感應(yīng)開關(guān)，行程開關(guān)，熱保護，變頻器，溫度，重量等信號，將這類信號狀態(tài)存入P L C存儲器的輸入映像區(qū)，在一個P L C的掃描周期的輸入采樣期間，P L C的C P U單元通過事先編輯好的控制程序訪問輸入映像區(qū)，并根據(jù)其信號進行運算處理，最后將程序的運行結(jié)果存入輸出映像區(qū)，在輸出刷新期通過輸出模塊將程序結(jié)果傳遞給電磁閥、電機、氣缸以及燃燒器等系列動作單元。同時，S7 - 200 P L C含有R S 485通訊接口，通過通訊接口，P L C可以連接到人機界面H M I，用戶可以在人機界面上對現(xiàn)場設(shè)備進行手動操作或者聯(lián)動操作，H M I上包含狀態(tài)顯示，報警查詢，參數(shù)設(shè)置和設(shè)備控制等功能，另外，P L C通過通訊模塊連接到上位機。

圖4　下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of lower computer system

2.2上位機系統(tǒng)設(shè)計

上位機是SC A D A服務(wù)器，操作員站（O P），數(shù)據(jù)服務(wù)器，W eb服務(wù)器和工作站的總集成，它具有數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)處理，人機交互（H M I），趨勢報表管理，報警管理，安全管理等功能。本文通過市場調(diào)研，最終采用西門子提供的Simatic Win C C作為上位機監(jiān)控組態(tài)軟件［8］。

2.2.1過程集中監(jiān)控 通過配置系統(tǒng)運行設(shè)備的各項具體參數(shù)，實時監(jiān)控整個生產(chǎn)線狀態(tài)，具體步驟如圖5所示。

依據(jù)以上步驟，得到炒青綠茶的監(jiān)控主畫面如圖6所示。Win C C獲取的信息以全屏直觀的圖片方式顯示，包含：工藝控制界面：本界面以3 D圖形展示現(xiàn)場工藝設(shè)備，配合指示狀態(tài)等顯示設(shè)備運行狀態(tài)；數(shù)據(jù)總貌界面：本界面以表格方式顯示各設(shè)備的工礦數(shù)據(jù)；實時報警界面：本界面以警示圖標持續(xù)閃爍并伴隨蜂鳴器的形式顯示各設(shè)備的各種報警信息；事件記錄界面：本界面以表格的形式記錄各報警信息發(fā)生的時間以及當時的處理情況；歷史曲線界面：本界面對控制系統(tǒng)中的一些主要運行參數(shù)進行歷史曲線記錄。

除了在中央控制室通過O P操作站訪問生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，在現(xiàn)場設(shè)備層，同樣設(shè)計有觸摸屏，作為人機交互的接口，可以完成對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)查看，設(shè)備控制等，設(shè)備現(xiàn)場觸摸屏操作界面見圖7。

圖5　生產(chǎn)線SC A D A系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn)Fig.5 Implementation of SC A D A on production line

圖6　炒青綠茶自動化生產(chǎn)線組態(tài)總界面Fig.6 Computer configuration screen of automated green tea roasting process

圖7　操作現(xiàn)場人機交互界面示例Fig.7 Hu man - equipment interface in operation

2.2.2管理服務(wù)功能 上位機管理服務(wù)功能包括數(shù)據(jù)管理，用戶管理以及遠程訪問功能。

在圖6所示上位機組態(tài)畫面中，通過數(shù)據(jù)歸檔按鈕可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，存儲周期，數(shù)據(jù)同步及冗余規(guī)則，數(shù)據(jù)訪問權(quán)限等，完成上位機數(shù)據(jù)管理功能；通過用戶管理按鈕對不同的登錄用戶設(shè)置不同的使用權(quán)限以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問保護。

遠程訪問功能包含遠程W eb訪問和移動A PP訪問。通過在Win C C中利用數(shù)據(jù)遠程存儲將數(shù)據(jù)全部存放到數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)服務(wù)器上搭建W eb應(yīng)用平臺，接收遠程移動A PP客戶端以及W eb瀏覽器請求，通過后臺業(yè)務(wù)處理層判斷需要如何獲取數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)存儲訪問層訪問數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)傳給W eb瀏覽器用戶以及移動A PP用戶，具體設(shè)計見圖8。

現(xiàn)場P L C，O P站以及數(shù)據(jù)服務(wù)處于同一局域網(wǎng)內(nèi)，通過以外網(wǎng)連接。O P站上裝有上位機組態(tài)軟件Win C C，Win C C通過數(shù)據(jù)存儲腳本將數(shù)據(jù)存入位于數(shù)據(jù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫軟件上，作為遠程客戶訪問的數(shù)據(jù)源。

3　結(jié)論

炒青綠茶的加工工藝相對其他綠茶類別比較復(fù)雜，炒青綠茶自動化生產(chǎn)線的設(shè)計，在提高炒青綠茶加工效率的基礎(chǔ)上，也使其茶葉加工變得更簡單可控，擺脫了長期以來做茶師傅“看茶做茶”帶來的問題，并初步實現(xiàn)炒青綠茶加工的標準化。同時，不同地域，季節(jié)以及品茶習慣的影響，炒青綠茶加工工藝參數(shù)還有待作出相應(yīng)的改變。下一步，炒青綠茶加工工藝參數(shù)的調(diào)試和炒青綠茶進一步標準化工作成為我們的研究重點。

致謝：感謝國家茶葉技術(shù)產(chǎn)業(yè)體的各位專家學者在炒青綠茶自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計過程中提出了寶貴的指導(dǎo)意見。

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Application of Information Technology for an Automated Green Tea Roasting Process

T A N G Zhe1，2，C H E N H ua-rong1，Z H O U Y u1，Z H O U Jian-yong1
（1. Changsha Xiangfeng Intelligent Equipment Limited Company，Changsha，Hunan 410100，China；2. Schoolof Information Science and Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Abstract：Roasted green tea is a major tea product on the market in China. The design and im plementation of the first auto mated production line for processing the roasted green tea in the nation are described. The process was first dissected into m odules based on the technological functions，then，the auto mated operational seg ments were designed and integrated into a continuous line with real-time controls. A n SC A D A（Supervisory Control and Data Acquisition）system was developed to consist of three basic operations，i.e.，the in-line control，centralized process m onitoring，and management and services，for the line. This auto mated production line provided a precise control on all processing parameters，a sim ple and convenient user-interface，and a rem ote IT access.

Key words：roasted green tea；auto mated production；SC A D A；rem ote access

中圖分類號：T S272.4；T S272.3

文獻標識碼：A

文章編號：2096 - 0220（2016）01 - 0018 - 07

收稿日期：2015 - 11 - 18初稿；2016 - 02 - 27修改稿

作者簡介：湯哲（1977 -），男，教授，主要從事自動化、智能控制和茶葉加工裝備方面的研究。