基于光電控制的六安瓜片烘焙機(jī)設(shè)計

李 兵 孫長應(yīng) 李為寧 宋揚(yáng)揚(yáng)

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室,安徽 合肥 230031；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥 230036)

六安瓜片是中國十大歷史名茶之一[1]，其手工制法分生鍋、熟鍋，毛火、小火、老火5道工序。炒生鍋與炒熟鍋起到殺青、輕度揉捻及做形的作用；而拉毛火及拉小火是初步烘干；拉大火是形成六安瓜片特有高火香的關(guān)鍵工序，面積約為8～10 m2的房間布置2～3個立磚圍成的烘爐，直徑為60～100 mm，長度為300～500 mm的優(yōu)質(zhì)木炭豎放于其中，其炭火溫度高達(dá)505～545 ℃，一般需要4～6名有經(jīng)驗的青壯年茶工，其中2人抬起烘籃，罩在炭火上方3～5 s后立即抬起脫離烘爐并翻茶；另2人再將烘籃抬上烘爐烘焙3～5 s，反復(fù)多次，直到茶葉烘到足干，勞動強(qiáng)度很大。

傳統(tǒng)炭火烘焙質(zhì)量較好，但需要消耗大量優(yōu)質(zhì)木炭，成本較高；另外用炭火烘焙時會產(chǎn)生大量煙塵，易造成茶葉二次污染[2]，其成茶品質(zhì)受到茶工的技術(shù)水平制約，拉大火的時間及溫度控制完全依靠人工經(jīng)驗，操作不當(dāng)會造成整籃茶葉報廢。因此六安瓜片人工拉大火生產(chǎn)效率較低，很難形成規(guī)模，同時由于茶工個體差異，無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，很難保證同批次成茶湯色、滋味、香氣或葉形的一致性[3]。近年來高新技術(shù)應(yīng)用于茶葉清潔化連續(xù)化生產(chǎn)，提升了茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]，但研究主要集中在六安瓜片殺青及做形工序[5]，六安瓜片拉大火裝備的相關(guān)研究未見報道。本試驗擬利用光電一體化技術(shù)設(shè)計六安瓜片的烘焙裝備，以實現(xiàn)六安瓜片的清潔化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

六安瓜片烘干機(jī)采用圓盤式結(jié)構(gòu)，由左、右遠(yuǎn)紅外加熱單元、烘籃、圓盤、圓盤滾輪、圓盤軌道、電機(jī)、主動齒輪、從動齒輪、主軸、主軸套筒、反光板、遮光板、紅外線光電開關(guān)等組成(圖1)。加熱元件為紅外線輻射板，熱電偶溫度傳感器用于控制發(fā)熱元件的溫度，同時設(shè)有紅外線溫度傳感器用于監(jiān)測烘焙過程中的茶葉溫度。圓盤由下方的電機(jī)經(jīng)齒輪減速后帶動圓盤主軸，4個竹制的方形烘藍(lán)均勻分布在圓盤上，光電開關(guān)設(shè)置在減速器箱體上方，4個遮光板均布于圓盤下方。

1. 左加熱單元 2、3、4、18. 烘籃 5. 右加熱單元 6. 圓盤滾輪 7. 圓盤軌道 8. 電機(jī) 9. 主動齒輪 10. 從動齒輪 11. 主軸套筒 12. 主軸 13. 反光板 14. 遮光板 15. 紅外線光電開關(guān) 16. 圓盤 17. 支架

圖1 六安瓜片烘干機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Main view of Lu’an Guapian tea dryer

1.2 工作原理

六安瓜片遠(yuǎn)紅外烘焙機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)見表1。為了使機(jī)器烘焙的六安瓜片更接近于傳統(tǒng)手工烘焙品質(zhì)，利用光電控制技術(shù)模擬傳統(tǒng)拉大火工藝，4個烘籃由人工上茶，接通主電源后，當(dāng)遠(yuǎn)紅外輻射板達(dá)到設(shè)定溫度后，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過齒輪減速帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)2個烘藍(lán)分別轉(zhuǎn)到左、右加熱單元下方時，遮光板此時位于光電開關(guān)與遮光板之間，光電開關(guān)動作切斷電機(jī)電源并自鎖使圓盤停轉(zhuǎn)，加熱單元對2個烘藍(lán)中的茶葉烘焙?？刂葡到y(tǒng)延時3～5 s后，轉(zhuǎn)盤電機(jī)得電轉(zhuǎn)動90°，另一遮光板又會到達(dá)紅外線光電開關(guān)與遮光板之間，光電開關(guān)再次動作切斷電機(jī)電源并自鎖使圓盤停轉(zhuǎn)，同時控制系統(tǒng)延時3～5 s，加熱單元對另2個烘藍(lán)中的茶葉烘焙；同時前一組2個烘藍(lán)到達(dá)翻茶工位，人工進(jìn)行翻茶，完成一個工作周期，并如此反復(fù)80次左右，直至下茶溫度時，電機(jī)及加熱單元斷電，停止工作。電機(jī)控制器選用三菱FX1S-20MR/MT型PLC控制器，電機(jī)功率0.5 kW，變頻器選用歐姆龍3G3JZ-A4015變頻器。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)紅外輻射板電功率的確定

從傳熱方式區(qū)分，茶葉烘焙方式主要有傳導(dǎo)、對流與輻射3種，由于遠(yuǎn)紅外輻射不需要介質(zhì)，具有較高的熱效率[6]，茶葉物料分子的振動波長與遠(yuǎn)紅外光譜的波長相匹配，目前應(yīng)用較多的是遠(yuǎn)紅外陶瓷輻射板，也有運(yùn)用遠(yuǎn)紅外進(jìn)行茶葉殺青工序，以獲得更好的殺青品質(zhì)[7]，紅外輻射穿透能力較弱[8]，且加熱效率隨物料含水率的降低而下降[9-10]，本機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)率為50 kg/h，烘干過程水分由20%下降到5.5%，則此部分水分的汽化熱Q汽為18.67 MJ，六安瓜片烘干過程中含水率為20%的在制品溫升所吸收的熱量Q葉為5.4 MJ，遠(yuǎn)紅外輻射板熱效率為0.19，可得電熱總功率為36 kW，發(fā)熱元件尺寸為150 mm×150 mm，功率為0.5 kW，紅外陶瓷發(fā)熱板為了達(dá)到三相交流電的負(fù)荷平衡，左、右加熱單元各由36塊(18 kW)發(fā)熱板拼裝而成。

表1 六安瓜片烘干機(jī)主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)Table 1 Main design parameters of Lu’an Guapian tea dryer

2.2 間歇運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

從傳熱方式看，六安瓜片人工拉老火的傳統(tǒng)工藝是用蔑制的烘籠罩在燃燒的炭火上烘焙，其傳熱方式以輻射為主，而本機(jī)的加熱單元是以紅外線輻射板為熱源，加熱方式與傳統(tǒng)工藝一致，容易產(chǎn)生與人工炭火烘焙接近的香氣；從烘焙工藝看，六安瓜片拉大火工藝屬于間歇循環(huán)式遠(yuǎn)紅外輻射加熱，本機(jī)采用自行設(shè)計的自動控制系統(tǒng)完成這一傳統(tǒng)工藝(圖2)，采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，每隔90°分別設(shè)置有烘焙工位與翻茶工位，轉(zhuǎn)盤由電動機(jī)驅(qū)動，其準(zhǔn)確定位依靠鏡面反射式紅外線傳感器來實現(xiàn)。

2.2.1 紅外線光控發(fā)射電路設(shè)計 光電開關(guān)屬于一種位置檢測裝置，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，造成接收器入射光的強(qiáng)度化，以引起輸出電流變化，經(jīng)信號處理改變輸出開關(guān)狀態(tài)以檢測被測物體[11-12]?？捎糜诒粶y物體尋跡或跟蹤[13-15]，機(jī)械系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速測量[16-17]等。本機(jī)利用光電開關(guān)控制裝有4個烘籃的轉(zhuǎn)盤電機(jī)運(yùn)行并實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。鏡面反射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對面的反射鏡被反射，即返回接收器，以判斷此時有無物體通過，有效作用距離為0.1～18.0 m，可以用于粉塵環(huán)境中?？紤]到本機(jī)處于高溫環(huán)境，需要紅外線光電開關(guān)具有較高的靈敏度，由于茶廠干擾較大，前期試驗表明，普通的紅外線光電開關(guān)抗干擾性能較差，可以重新設(shè)計專用的光電開關(guān)電路。

圖2 自動定位控制系統(tǒng)示意圖Figure 2 Schematic diagram of automatic positioning control system

鏡面反射式紅外線光電開關(guān)的發(fā)射電路是基于雙555多諧振蕩器[18]，主要由2個555時基電路產(chǎn)生1.5 kHz的調(diào)制方波脈沖信號與36 kHz的載頻方波脈沖信號及紅外線驅(qū)動電路組成(圖3)。VD1調(diào)整調(diào)制方波脈沖信號的占空比為1∶3，VD2調(diào)整載頻方波脈沖信號的占空比為1∶15。

調(diào)制方波脈沖信號參數(shù)及元件選擇可以取R1為2.4 K、R2為7.2 K、電容C1為0.1 μF時，C1充電時VD1正向偏置，電流方向為：電源→R1→VD1→C1；C2放電時VD1反向偏置，電流方向為：C2→R2→IC1第7腳→地，當(dāng)IC1的輸出端(第3腳)為高電平時IC2起振，第3腳輸出35 kHz的載頻方波脈沖信號，當(dāng)此方波信號分別為正、負(fù)脈沖時，三極管VT1處于導(dǎo)通或截止，以驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)出經(jīng)調(diào)制的紅外脈沖信號；當(dāng)IC1的輸出端(第3腳)為低電平時，IC2停振無信號輸出。

2.2.2 紅外線光控接收電路設(shè)計 接收電路包含紅外前置放大電路、分頻電路、調(diào)制解調(diào)電路及放大電路(見圖4)。相關(guān)電路均采用專用集成電路，可以減少電路的分立元件數(shù)量，以提高電路的穩(wěn)定性與可靠性。接收電路的信號前置放大電路采用紅外接收專用集成電路UPC1373、分頻電路采用雙D觸發(fā)器CD4013二分頻電路，調(diào)制解調(diào)電路采用鎖相環(huán)路解碼器LM567[19]。

圖3 紅外線光電開關(guān)的發(fā)射電路Figure 3 Transmitting circuit of infrared photoelectric switch

圖4 紅外線光電開關(guān)的接收電路Figure 4 Receiving circuit of infrared photoelectric switch

與UPC1373第3腳相連的C6與L1數(shù)值大小決定其機(jī)振蕩頻率，當(dāng)此頻率與紅外發(fā)射信號頻率一致，可以達(dá)到良好的選頻效果，提高電路抗干擾性能。當(dāng)C6取10 nF，L1取2.07 mH 時，UPC1373的本振頻率為35 kHz，為克服外界光線干擾，可以選用集成鎖相芯片LM567用于光電檢測電路[20]。

電路調(diào)試時將接收電路的L1調(diào)整到35 kHz的諧振點，使IC3輸出最大；在LM567第3腳輸入750 Hz時，調(diào)整R15使IC5第8腳輸出變?yōu)榈碗娖剑丛陔姍C(jī)主控電路中，當(dāng)遮光板沒有遮住紅外光線時，接收電路可以接收到調(diào)制的紅外脈沖信號時，IC5第8腳應(yīng)為低電平，通過主控制電路使電機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到遮光板遮住紅外光線時，紅外信號被遮斷，IC5第3腳無750 Hz信號，第8腳變?yōu)楦唠娖?，繼電器KG動作，電機(jī)停止并定位。

3 烘焙試驗

樣機(jī)制成后，在安徽省六安瓜片茶業(yè)股份有限公司進(jìn)行了相關(guān)試驗。并對不同烘焙溫度的茶樣進(jìn)行了人工審評，按照SB/T 10157—93《茶葉感觀評審方法》及NY/T 781—2004《六安瓜片茶》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，品質(zhì)評審因子權(quán)數(shù)分配見表2。

表2 綠茶品質(zhì)評審因子權(quán)數(shù)分配表Table 2 Green tea quality evaluation factor weights allocationTable

人工評審綜合得分按式(1)計算：

(1)

式中：

grade——綜合得分；

Ai——審評因子的得分；

ai——審評因子權(quán)數(shù)。

碎茶率的測定：按照GB/T 8311—2013進(jìn)行測量，稱取茶葉試樣100 g，倒入篩孔直徑1.25 mm 的碎茶篩進(jìn)行篩分，測量篩下碎茶質(zhì)量，并按式(2)進(jìn)行計算。

(2)

式中：

δ——碎茶率，%；

m1——篩下碎茶質(zhì)量，g；

m——茶葉試樣質(zhì)量，g。

茶葉審評結(jié)果見表3，人工炭火烘焙六安瓜片溫度控制適當(dāng)時，易產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的高火香，但受人為影響因素較多，同時也會產(chǎn)生烘焙不足或過度烘焙等缺陷；本機(jī)對烘焙溫度及時間能進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，控制精度高于人工。

表3 人工審評結(jié)果Table 3 Manual review result

4 結(jié)論

模擬六安瓜片傳統(tǒng)拉大火工藝，運(yùn)用光電自動控制技術(shù)，設(shè)計了一種六安瓜片烘焙機(jī)，整機(jī)采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，以遠(yuǎn)紅外輻射板電加熱器為熱源，可以達(dá)到與人工烘焙相近的高火香。以555時基電路、UPC1373和LM567等專用集成電路設(shè)計的光電控制電路具有良好的抗干擾性能，可以實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的精確定位。人工審評結(jié)果表明：當(dāng)控制葉溫在68 ℃ 時，本機(jī)烘焙茶葉得分接近人工傳統(tǒng)烘焙。當(dāng)控制葉溫在73，82，87 ℃時，本機(jī)烘焙茶葉得分均高于人工傳統(tǒng)烘焙。本機(jī)的設(shè)計可以為茶葉烘焙機(jī)的相關(guān)設(shè)計提供理論參考，在茶葉烘焙過程中葉溫的精確控制上還有待進(jìn)一步提高。