針形名茶連續(xù)自動化理條機組控制技術(shù)研究

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）。

由于振動理條機具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在針形名茶理條造型過程中有著廣泛應(yīng)用[1]。理條造形是形成針形名茶獨特品質(zhì)的關(guān)鍵工序[2]，雖然目前已實現(xiàn)機械化加工，但多數(shù)情況下仍需手工操作和人工干預(yù)，在理條過程中，需要合理控制理條溫度、時間、投葉量、振動頻率等，對人的技術(shù)要求高，勞動強度大，且成茶品質(zhì)主要取決于操作者的技術(shù)水平和經(jīng)驗，不利于連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)。因此，研究開發(fā)適宜的連續(xù)自動化控制裝備及工藝技術(shù)顯得尤其重要。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

名山山峰茶機廠6CLZ-80理條機、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空壓機等。

1.2 試驗方法

1.2.1 單機理條自動化改造

針對傳統(tǒng)理條機溫度控制不穩(wěn)定、下料不方便等問題，試驗設(shè)置了4個溫度傳感器，均勻分布于理條槽下面，以4點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、空壓機等。

1.2.2 連續(xù)理條作業(yè)改造

針對單機理條存在效率低、不連續(xù)、成本高等問題，在單機自動化理條裝備基礎(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（一般為4、6、8等雙數(shù)臺）理條機聯(lián)動，實現(xiàn)理條過程的連續(xù)化運行。

1.2.3 配套裝備研發(fā)

為實現(xiàn)理條過程的全程可控，定制提升機[3]、振動出葉槽和用于物料輸入輸出裝備。針對已有的理條機投料裝置特點[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 自動化控制試驗

采用模塊化功能程序設(shè)計理念，將自動化理條設(shè)計為備料模塊、理條模塊、投料模塊和出料模塊4個功能塊。首先進行單機的自動控制模塊設(shè)計，試驗多點平均溫度控制理條差異率，當(dāng)理條差異率低于5%時，將此理條控制過程設(shè)計為單機的自動化理條程序模塊，然后進行分析設(shè)計其它功能塊的運行邏輯、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)計控制電路

根據(jù)自動理條工藝及連續(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)計控制電路。

1.2.6 開發(fā)控制程序

根據(jù)自動理條工藝要求，編寫控制程序，實現(xiàn)該工序連續(xù)自動化。

1.2.7 人機界面設(shè)計

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)人機對話界面，實現(xiàn)人機對話和自動控制。

圖1 連續(xù)理條機結(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)自動化理條機結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，經(jīng)單機改造采用4臺理條機聯(lián)用，增設(shè)投料、輸送、下料、控制等輔助裝備，形成連續(xù)化理條控制系統(tǒng)裝備，包括提升機、多功能備料小車、均料平輸機、理條單機等主要組成部分。

2.2 連續(xù)自動化理條控制方案

如圖2所示，系統(tǒng)由提升上料系統(tǒng)、自動理條系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等部分組成，其控制邏輯順序為：（1）管理用戶輸入密碼進行管理系統(tǒng)，輸入工藝參數(shù)保存后，操作人員輸入密碼進入操作系統(tǒng)，啟動自動理條；（2）提升機上料系統(tǒng)開始工作，小車首先自動回到始點，提升機開始向備料小車輸送在制品原料，電子稱稱重并計算重量，當(dāng)達到設(shè)計重量后，發(fā)出指令，提升機停止工作，小車將物料載到滿足條件的理條機上方對其下料，下料結(jié)束，小車自動回到起始位置，發(fā)出提升指令，提升機系統(tǒng)對其投料；（3）理條機接收到物料后，按設(shè)定的理條工藝參數(shù)進行自動化理條；（4）理條結(jié)束后，發(fā)出指令，氣缸或電機帶動理條槽下料到振動出葉槽，同時，振動出葉槽啟動振動輸送及風(fēng)機冷卻，將理條好的茶葉輸送到集料裝備上。整個控制過程既獨立運行，又相互聯(lián)系通信，實現(xiàn)了理條的自動化運行。

采用模塊化功能程序設(shè)計理念，將自動化理條拆分設(shè)計為備料模塊、投料模塊、理條模塊和出料模塊等功能塊。為實現(xiàn)自動連續(xù)化理條，可根據(jù)之前工序物料供給速度，設(shè)計多個理條機單元。系統(tǒng)由4臺茶葉理條單機組成，整個機組通過提升機、多功能備料小車、理條單機、振動輸送機各裝備與控制系統(tǒng)相連。整個機組通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)多機協(xié)同聯(lián)動。每臺理條機的工作步驟都分別有各自的PLC程序獨立操控，不受其它理條機操控程序的影響，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，提升機電機、料車行走電機、下料電機、槽體振動電機、加熱開關(guān)等作為執(zhí)行機構(gòu)；以重量、溫度、時間、振動頻率控制輸出信息。人機對話界面設(shè)計可人工輸入工藝參數(shù)、啟停任何一臺機械等。

2.3 控制程序開發(fā)

根據(jù)針形茶自動理條控制要求，根據(jù)各理條運行環(huán)節(jié)的時間或邏輯關(guān)系，采用梯形圖設(shè)計控制程序，自動化理條機組包含多個環(huán)節(jié)，主要環(huán)節(jié)的控制框架如圖3所示：

圖2 自動理條控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖Fig.2 Logical relationship diagram of automatic shaping control system

圖3 自動化理條主要環(huán)節(jié)控制圖Fig.3 The main link control diagram of automatic shaping

2.4 產(chǎn)品樣機及控制系統(tǒng)

產(chǎn)品樣機及控制界面如圖4和圖5所示。

試驗研發(fā)的自動化理條機滿足了該裝備的自動化控制理條，將傳統(tǒng)看茶制茶轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)控制理條。該控制系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，建立人機對話控制界面，通過預(yù)存工藝參數(shù)，將復(fù)雜的理條工藝簡單化，既方便實用，又易于操作。為保護控制系統(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 試驗研發(fā)的產(chǎn)品樣機Fig.4 The product prototype researched and developed in the test

2.5 自動理條機裝備檢測結(jié)果

自動理條機在重慶云嶺茶業(yè)科技有限責(zé)任公司正式投入生產(chǎn)運行，為驗證該機組生產(chǎn)效果，委托重慶市農(nóng)機鑒定站進行了農(nóng)機檢測，理條產(chǎn)品到送重慶市食品藥品檢測檢驗研究院檢驗分析，自動理條機運行效果參見表1，自動理條和人工理條的感官品質(zhì)對照和性能對照所表2和表3所示。從表中可以看出，自動理條機機組各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了理條過程自動化運行。

采用連續(xù)自動化理條機作業(yè)，由于理條投葉量、溫度、時間、振動頻率等參數(shù)相同，成品茶均勻一致，且條索更緊細直、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)機械理條相比，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個理條機單元為一組的全自動理條機，每天可節(jié)約人工2個，且產(chǎn)品質(zhì)量更標(biāo)準(zhǔn)一致、重復(fù)性更好，便于規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

表1 自動理條機運行效果Table 1 The operational effect of automatic shaping machine

表2 自動理條與人工理條茶葉感官品質(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)，可實現(xiàn)多臺理條機協(xié)同聯(lián)動，實現(xiàn)理條過程的連續(xù)自動化運行，與傳統(tǒng)的人工輔助理條機比較，該裝備具有以下優(yōu)點：

表3 自動理條與人工理條性能對照Table 3 The comparison of performance between automatic shaping and man-made shaping

（1）顯著提升成茶品質(zhì)。自動連續(xù)理條機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%。由于理條機的投葉量、溫度、時間、振動頻率等參數(shù)相同且穩(wěn)定，通過合理的參數(shù)設(shè)置，可保證理條機的每槽在制葉受力、受熱均勻，避免過多投葉量、過高溫度、過長時間的理條，使得成品茶條索緊直、色澤綠潤、滋味鮮醇。

（2）明顯提高理條作業(yè)效率。通過四臺聯(lián)動，實現(xiàn)了連續(xù)自動化理條，理條單機的空閑時間少，臺時產(chǎn)量提高14.3%。

（3）降低理條作業(yè)成本。采用多臺聯(lián)動理條，雖然增加了投料、輸送、下料、控制等裝備，能耗增加4%，但是理條操作用工由2人減少為無人操作，理條作業(yè)成本顯明降低。