兩化融合在茶葉初制加工生產線的應用

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摘要：以紅茶初制加工為例，對茶葉初制加工生產線中信息化與工業化的應用現狀進行調研，探究紅茶加工中3道復雜工序的關鍵技術參數，基于信息化技術開發了對工業化生產工序有效管控的茶葉加工控制系統，實現了紅茶加工全程監控、在線分析和遠程指導等功能。與傳統高密度人員投入的茶葉單機生產加工模式比較，茶葉初制加工生產線有效改善了加工操作的便捷性，提高了自動化控制水平；顯著減少了加工過程勞動力投入，產品加工工藝的可重復性高，衛生、品質更加可靠；對推進茶業發展轉型升級，實現茶業高質量發展具有重要意義。

關鍵詞：紅茶；信息化；工業化；茶葉加工

1紅茶初制加工生產線

結合傳統紅茶加工工藝，應用現代工業化、信息化、標準化、模塊化技術集成設計紅茶初制加工生產線[8]，如圖1所示。紅茶加工生產線包括萎凋、初揉、解塊、復揉、解塊、發酵、初烘、冷卻緩蘇、復烘和冷卻回軟10道標準紅茶初制加工工序。其中，萎凋、揉捻、發酵和烘干是紅茶加工中的關鍵工序，萎凋工序需要精準控制萎凋環境溫濕度和茶葉含水率；揉捻工序除需要控制分配系統外，還需精準控制揉捻壓力、揉捻速度和揉捻時間；發酵工序需要精準控制發酵微環境的溫濕度和含氧量；烘干工序需要精準控制烘干溫度和料層厚度。綜上，所有控制參數和加工設備均由信息化控制系統進行管控，形成一鍵式操作的高度自動化和智能化的紅茶初制加工生產線。

2與傳統紅茶初制加工比較分析

目前，國內制茶大多數沿用各地傳統工藝方式，工藝流程過于簡單[1]，各加工工序標準尚未明確，各地區茶葉加工工藝存在差別，甚至同一地方不同企業的加工工藝都不盡相同。茶葉加工工藝的不確定性是導致茶葉機械化加工水平低、品質較難控制的重要原因，因此，亟需對茶葉初制加工中影響各工序的關鍵技術參數進行研究。2.1紅茶揉捻工序比較紅茶揉捻的目的在于適當破壞殺青后茶葉的組織，促使茶葉的內含物均勻滲透在茶葉表面，同時使茶葉以主葉脈為軸心形成條形。傳統茶葉揉捻以手揉為主，即雙手握茶，在竹盤內先輕后重，前后左右滾揉，制茶人大致觀察茶葉成型狀態后松壓、解團。近年來，模擬手工揉捻的手動喂料式單機設備（如圖2a）逐漸盛行，大大提高了作業效率，但是手動喂料設備中人為因素影響依然存在，且衛生條件不符合生產要求，揉捻工藝的可重復性較差?？偨Y單機設備手動喂料的不足之處，自動喂料揉捻機組（如圖2b）需要嚴格控制不同批次加入茶葉質量、揉捻時間和揉捻速度，如果速度慢，將影響加工效率，如果速度太快，則茶葉揉捻效果差且容易破壞茶葉。由此可知，自動喂料揉捻機組有效減少了勞動力投入、消除了人為因素對揉捻品質的影響、揉捻工序的可重復性增大。2.2紅茶發酵工序比較紅茶是一種全發酵茶，發酵是指茶葉在空氣中氧化，發酵作用使得茶葉中的茶多酚和單寧酸減少，產生了茶黃素、茶紅素等新的成分和醇類、醛類、酮類、酯類等芳香物質，最終形成紅茶特有的色澤和滋味。茶葉發酵條件因產品而異，如安化黑茶需要適宜的發酵溫度（28~30℃）、濕度（65%~75%RH）,發酵時間約為3~4d[9]；紅茶發酵需要適宜的溫度（25~30℃）、濕度（90%~95%RH）和通風條件，發酵時間約2~4h。傳統竹盤攤放式發酵（如圖3a），其竹盤上方遮蓋濕布的主要作用是防止水分快速散失，當氣候較為干燥時，需人為噴水加濕保持遮布表面濕度；當遇上雨水天氣時，需揭開遮布，增強空氣流通防止霉變。因此，傳統紅茶發酵不可控制因素較多，較難保證紅茶的發酵品質。采用多層立體往復式堆疊控溫控濕設備的發酵工序（如圖3b），可以精準控制紅茶發酵過程的環境條件，有效減輕制茶師傅工作負擔，在恒定環境下發酵較好地保證了不同批次茶葉發酵品質的均一性，且茶葉發酵的衛生條件得到明顯改善。2.3紅茶烘烤工序比較紅茶發酵過后需在熱風下迅速烘干，烘干的目的在于快速去除多余水分，利于之后包裝保存。紅茶發酵溫度為25~30℃，而干燥溫度為90~120℃，發酵過后采用高溫迅速烘干，減少濕熱作用下過度的酶促氧化，保障發酵紅茶的品質。紅茶烘干溫度不宜超過120℃，溫度過高會導致表層茶葉碳焦化。為提高干燥速率，可適當提高風量，但由于紅茶烘干主要采用外排去濕模式，風量過大將導致熱量過度浪費，且風量大小與茶葉攤層厚度呈正相關關系。傳統紅茶烘烤方式（如圖4a），遵循“毛火薄攤，足火厚攤”“嫩葉薄攤，老葉厚攤”“碎葉薄攤，條狀葉厚攤”原則。主要通過人工控制火候大小，在整個烘烤過程中，制茶師傅需多次拉出裝茶竹盤觀察茶葉烘干狀況，手動翻動茶葉層。烘烤茶葉品質主要依賴制茶師傅的操作，較難保證各竹盤茶葉烘烤品質的均一性。采用現代翻板式自動茶葉烘干機（如圖4b），可精準控制整個茶葉烘干過程溫度、風量，茶葉發酵完成后銜接干燥環節，轉入翻板烘干機中干燥，烘烤茶葉無需人工轉移鋪盤，制茶師傅只需明確紅茶烘干風量、攤層厚度、干燥時間等烘干的關鍵技術參數，即可實現烘干過程的自動化。

3信息化系統設計

3.1系統總體框架。信息化系統的總體框架如圖5所示。根據紅茶加工工序，生產線分為萎凋機組、初揉機組、復揉機組、發酵機組和干燥機組5個現場控制單元。每個控制單元由PLC控制相關加工設備的運作，如萎凋機、揉捻機、發酵機、干燥機和輸送機等，并對萎凋溫濕度、茶葉含水率、揉捻壓力、揉捻速度、發酵溫濕度、含氧量和干燥溫度等相關生產數據進行采集。PLC與觸摸屏人機界面之間通過RS485總線進行通信，現場操作員可對加工參數及時進行調整。為實現生產線中各控制單元的協同工作，控制單元的PLC之間也使用RS485總線進行通信，形成一個整體控制系統[10]。利用人機界面內置的以太網通信模塊，組建成信息化互聯網絡系統。各個控制單元采集的生產數據通過互聯網上傳至服務器，服務器完成生產數據的存儲、分析、報表生成和狀態顯示等功能，并配套視頻監控子系統，完善對生產現場的安全監控。用戶通過信息化網絡系統可實現對整條生產線的遠程監控，實時了解生產狀況。3.2數據檢測與傳輸。生產線各控制單元中加工設備的生產數據由相應的傳感器進行檢測，變送器負責將傳感器檢測的數據進行放大并轉換為標準信號，由A/D轉換模塊將標準的模擬信號轉換為數字信號，PLC采集并處理全部生產數據，最后通過人機界面利用互聯網上傳至服務器的數據庫中，數據檢測與傳輸過程如圖6所示。根據生產數據的要求選擇合適的傳感器，如溫濕度傳感器、光電傳感器、轉速傳感器、壓力傳感器、水分傳感器和氣體濃度傳感器等。變送器負責將傳感器測量的變量進行放大，并轉換成標準的電壓或電流信號。為提高測量系統的抗干擾能力和傳輸距離，系統均采用4~20mA電流作為變送器的標準輸出信號。同時，0mA電流作為測量電路的故障指示信號。各路變送器輸出的模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，由PLC控制器統一采集并處理。PLC與人機之間通過RS485總線進行通信，系統采用臺達100系列人機觸摸屏內嵌以太網通信模塊，PLC采集的生產數據通過組建的信息化網絡上傳至服務器，也可通過采用內嵌以太網通信模塊的PLC，或采用外置以太網通信模塊等方式組建信息化網絡。3.3數據分析與處理。服務器通過信息化網絡系統接收各控制單元的生產數據、生產狀態等信息，并存儲于數據庫中。系統采用的臺達100系列人機觸摸屏內嵌VNCServer，即虛擬網絡計算（控制）服務器，通過打開VNCServer端口，遠程用戶端只需要使用計算機或手機安裝VNCViewer軟件，連接互聯網后即可對生產線的各控制單元進行遠程監控與操作。遠程用戶端可以使用WEB方式，只需在已內嵌JAVA的WEB瀏覽器中輸入控制單元對應的IP地址，亦可實現遠程監控與操作。系統通過設定不同操作權限級別的用戶，對遠程用戶的操作權限進行管理。圖7為生產線中揉捻機組控制單元的監控主畫面，系統顯示了各設備的運行狀態以及揉捻壓力、揉捻速度和揉捻時間等數據，用戶可實時對揉捻工藝進行調整（圖8）。系統自動采集生產數據并生成報表，自動生成數據變化曲線，用戶可手工查詢報表數據（圖9），數據報表可以CSV文檔形式導出。當設備發生故障時，系統彈出報警提示畫面，并生成歷史報警表和報警頻次表。如圖10所示，在人機界面中設置需要實時監控的生產數據表，用戶即可通過WEB瀏覽器登入RemoteMonitoring系統查看相關信息?；贒OPeServer軟件系統，服務器通過互聯網接收到生產線各控制單元的生產數據，存儲于數據庫中。服務器負責對生產數據進行統計分析，并建立制茶專家系統。制茶專家系統對獲取的生產數據進行評估與判斷后，輸出相應的加工工藝調整指令，生成的控制信息經互聯網反饋至相關的控制單元，完成對制茶設備的精準控制。3.4建立生產指揮中心。茶葉加工企業利用信息化系統可建立集設備管控、生產調度、視頻監控和現場展示等功能于一體的生產指揮中心，從而實現在線分析、遠程診斷及應急指揮等功能。使生產管理方式由傳統現場管理向遠程協同管理轉變，可顯著提高工作效率，降低設備故障率，提高突發事故解決速度，優化生產管理協同效率，保障生產管理系統穩定高效運行。

4結語

本文設計的信息化系統已在廣東省內10多條茶葉初制加工生產線進行了示范應用，涉及加工的茶類有紅茶、綠茶和烏龍茶，如英德的英九紅茶、樂昌沿溪山綠茶、潮州巖茶等。通過信息化與工業化的深度融合，使茶葉加工過程更清潔化、連續化、智能化，全面提升茶葉加工生產效率，如揉捻加工工序時間、揉捻力度可參數化設置，烘烤工序溫度能在80~100℃之間精準調節控制。應用該系統的茶企管理者可以通過云平臺對設備參數實時監控，隨時隨地掌控茶葉產品加工工序的各個環節。由此可見，以兩化融合技術助力茶葉加工提質增效已初見成效，較好地推動了茶葉產業由傳統廉價人力加工型向現代高效高質智能化連續生產加工型轉化，對提升我國茶產品的國際競爭力具有重要意義。

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作者:李浩權 黃隆勝 胡光華 龍成樹 吳耀森 單位:廣東省現代農業裝備研究所