箱式红茶发酵机控制系统设计

丘文杰，刘庚强，黄隆胜，卢素珊，杨文杰，胡光华

（1.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；3.英德市龙润农业发展有限公司，广东 英德 513099）

0 引言

红茶发酵的实质是以多酚类化合物为主体，发生酶促或非酶促氧化反应的化学变化过程。红茶发酵的3 个关键要素是发酵环境温度、湿度和含氧量。温度影响茶黄素、茶红素的形成速度。水是发酵过程中多酚类酶促氧化、香气形成等化学变化不可缺少的介质，发酵环境的相对湿度保持在一个较高的水平下，才能减少茶叶水分蒸发，保证茶叶中含水量充足。提高发酵环境的含氧量，能明显加快工夫红茶发酵过程中叶面色泽的红变，促进红茶特征香气的形成，提升发酵前期叶面的升温速率，缩短整体发酵时间[1-3]。

有学者提出，高温发酵有利于平行反应中茶黄素形成量的增加，但不利于连串反应中茶黄素的积累。而低温发酵则有利于连串反应中茶黄素的积累，不利于平行反应中茶黄素的形成。由于平行反应在前，连串反应在后，因此为了获得较大的茶黄素含量，发酵前期宜采用高温，中后期转为低温，即变温发酵法[4]。

国内大部分的茶叶生产厂家仍然是利用空调、洒水、人工间歇性翻堆等传统方式，使茶叶在自然环境或发酵房内完成发酵。传统发酵方式易受天气影响，发酵的速度和质量难以控制[5-6]。为实现茶叶发酵工艺的优化，本文设计了一套茶叶发酵控制系统，该系统可以实现对茶叶发酵过程中的环境温度、湿度、含氧量等影响因子的精确控制。同时兼具工艺控制功能，在整个发酵过程中可以按照预设工艺连续改变发酵环境的温度、湿度和含氧量。试验数据表明，该控制系统能较好地达成设计目的，保证红茶发酵过程中参数的稳定，提升了茶叶加工过程的品质。

1 箱式红茶发酵机结构

箱式红茶发酵机结构如图1 所示，将需要发酵的茶叶放于物料托盘中，托盘分层放置。新鲜空气从顶部的进气风机进入加热箱。经过发热丝加热后，由进气导风管进入发酵箱体底部与超声波加湿器产生的水雾结合。由循环风机使湿热空气从箱体底部抽至上方的风道，最后从两侧的均风板吹出。循环风机的可以强制箱体内部的空气进行流动，保证箱体内各处的空气温湿度一致。排气风机和电动风阀根据氧气浓度开启，当发酵所需的O2浓度小于大气O2浓度(约为21%)时，排气风机和电动风阀开启，辅助进气风机加快外部空气的流入，替换箱体内含氧量较低的空气。当发酵所需O2浓度大于大气O2浓度(约为21%)时，排气风机和电动风阀不动作，使用供氧电磁阀输入O2，保证发酵箱内的含氧量。

2 控制原理

2.1 基于PID的温湿度控制

温度控制系统具有滞后性、非线性和时变性的特征，很难或无法建立一个准确的数学模型，因此采用常规的线性控制理论难以做到精确控制[7-9]。所以，在温湿度控制系统中采用模糊PID 控制的方式，提高其控制精度。

PID 结构如图2 所示，PID 以设定温度t0和设定湿度p0为目标值，发酵温度t1和发酵湿度p1为反馈。首先确定目标值t0和p0，代入结构中的r（t）。当前值t1和p1，代入结构中的y（t）。计算出2 个误差值△t=t0-t1和△p=p0-p1，代入结构中的e（t）。通过控制器D（s）计算得出u（t），换算后得出PWM 得占空比，控制发热丝和超声波加湿器的输出功率。

式中：

u（t）——输出值；

e（t）——反馈误差；

Kp——比例系数；

Tt——积分系数；

Td——微分系数。

PID 公式如式（1）所示，Kp影响当前检测值到目标值的斜率，Kp越大，从当前值到目标值的时间越短。根据e（t）和Tt，周期性的调整u（t）。只要输出值和目标值存在误差，则误差一直累计，用于增大或减小输出值，使输出值接近目标值。当输出值和目标值相等时，累计误差为0，不再影响输出值；Td为微分时间常数，因为发热丝和加湿器的做功具有滞后性，加热和加湿时会产生过冲的现象。当输出值接近目标值时，此时Td开始介入，提供缓冲的作用，使Kp的斜率减小，防止因为过冲导致的系统震荡。上述公式中的Kp、Tt、Td是根据不同的使用环境和实际情况而标定的参数。

PWM 是指脉冲宽度调制。可以简单理解为功率为1 kW，效率100%的发热丝工作1 h 能产生1 kW的热量，则工作0.5 h 就产生0.5 kW 的热量。只要控制发热丝在1 h 之内开/关时间的比例（占空比），就能控制发热丝在1 h 之内输出多少功率，相应产生多少热量。控制的时间单位越小，控制精度越高。使用PID 计算出当前时刻所需的热量和湿度，然后转换为占空比，控制发热丝、加湿器的开关比例，就能不断地调整发热丝和加湿器的输出功率，达到精确控温控湿的效果。

2.2 基于模糊控制的含氧量控制

模糊控制的常用方法有查表法和公式法。查表法是根据输入信号和输出信号，预先把所有可能出现的情况列成表格。控制系统根据输入信号查询表格得出对应的输出信号[10]。含氧量控制中因为影响因素过多，建立数学模型困难，因此采用模糊控制中的查表法。

首先确定氧含量设定值q0、加载值q加=q0－氧气加载下偏差、卸载值q卸=q0＋氧气卸载上偏差。当q1＜q加，定义为氧气含量不足，需要加氧。当q1≥q卸，定义为氧气含量充足，停止加氧。由于控制供氧的电磁阀只有开、关2 种状态，所以加氧对应电磁阀开的动作，停止加氧则对应电磁阀关的动作。

2.3 变温变湿发酵工艺控制

使用人机交互界面的配方功能，可以储存20 种不同的工艺，每1 种工艺内最多可包含25 个分段工艺。每段可设置不同的温湿度、氧气含量和发酵时间等工艺参数。发酵前在人机交互界面设定好不同阶段所需的温度、湿度、含氧量的值并保存。开始发酵后，控制系统按照保存的发酵工艺开始执行程序。到达设定的发酵时间后，程序结束。

3 控制系统设计

电气控制系统使用台达DVP-ES2PLC 作为控制核心，用于各控制参数的计算以及控制各被控对象的动作。使用台达DOP-107CV 触摸屏作为人机交互界面，用于设置系统参数、储存发酵工艺、显示测量数据以及各被控对象的动作状态。

3.1 控制流程

系统控制流程如图3 所示，设备运行，立即启动循环风机。循环风机运行一定时间后，比较发酵工艺中设置的温度t0、湿度p0、氧气浓度q0与发酵箱体内的温度t1、湿度p1、氧气浓度q1。计算出加热、加湿、加氧信号，根据3 种信号输出不同的动作。图3 中t0为设置温度，t1为测量温度，t2为开加湿温度，p0为设置湿度，p1为测量湿度，p2为开排气湿度，q0为设置O2浓度，q1为测量O2浓度，h0为工艺设置时间，h1为工艺运行时间。

1）加热、加湿信号。t0＞t1或p0＜p1时启动进气风机。进气风机运行后再次对比t0、t1和p0、p1。满足t0＞t1时，输出加热信号。满足p0＞p1且t1＞t2时，输出加湿信号。加温、加湿信号为并行分支，同时进行对比，分别输出。如果不满足t0＞t1或p0＞p1，则不输出加温、加湿信号，回到程序起点重新判断。

2）加氧、排气信号。q0＞21%且q0＞q1时开启排气风机。如果q0＞21%，开始对比q0和q1。当q0＞q1，输出加氧信号。当q0≤21%且p1＞p2时，输出排气信号。

3）工艺切换信号。在工艺运行时间h1＜h0时，程序重新循环，判断是否输出加热、加湿、加氧信号。当h1≥h0时，退出循环，程序停止。

3.2 动作输出

1）循环风机、进气风机。程序开始，循环风机持续运行，直到程序结束才停止。循环风机运行时，可以强制发酵箱内的空气循环流动，保证发酵箱内空气的温湿度一致，提高测量温湿度数据的准确性。同时带动从发热丝、加湿器出来的湿热空气至发酵箱顶部，和发酵箱顶部的干冷空气混合，避免热量和水分堆积在发酵箱底部。

2）发热丝、超声波加湿器。输出加热、加湿信号时，PID 根据设置的温度、湿度，以及反馈的发酵温度、湿度，计算出输出值，然后转换得出发热丝、加湿器的占空比。利用PWM 的原理不断调整发热丝、加湿器的开停，控制发热丝、超声波加湿器增大或减小输出功率。

3）供氧电磁阀。输出加氧信号时，电磁阀打开。在开启一段时间后关闭，等待氧气与发酵箱内空气均匀混合。供氧时如果氧气浓度超过设定值，立即停止供氧。到停止时间后如果仍有加氧信号，则继续重复上述动作。

4）排气风机、电动风阀。当没有加氧或排气信号时，排气风机、电动风阀不动作。输出加氧信号时，电动风阀关闭。由于发酵箱体的密封，且发酵箱内温度比外界温度高，导致进气风机背压大，进气量小，可以保证发酵箱内温湿度的稳定。此时茶叶发酵所消耗的氧气由电磁阀供给。

输出排气信号时，电动风阀开启。进气风机背压减小，进气量增大，快速补充新风至发酵箱内，把箱内含氧量低的空气置换出去。但持续开启排气风机，发酵箱内的湿热空气也会被排出，这时就需要加大发热丝和加湿器的输出功率，维持发酵箱内的温湿度，造成能耗加大，设备整体效率下降。所以输出排气信号时，排气风机和电动风阀以间歇的方式运行，相隔一段时间开启一次补充新风，可以减少能耗损失，提高设备效率。

4 试验数据分析

4.1 试验准备

研制出的箱式茶叶发酵设备在英德某茶叶生产厂进行生产试验，并且对生产过程中的温湿度等数据做详细记录。试验中选用英红九号的红茶作为生产对象。每批物料总重40 kg，分为4 个托盘。托盘分布在发酵箱的上、中、下3 个位置。物料温度选择上部托盘的物料作为测量对象，上部托盘为整体风道的末端，属于温湿度最低的区域。一共生产试验了26 批次的物料。选取其中2 个批次的数据作为讨论。选取批次的发酵工艺如表1 所示。

表1 发酵工艺

4.2 温湿度数据分析

发酵过程温湿度变化如图4 和图5 所示，在发酵的0～1 h 阶段，因发酵箱内温湿度偏离目标值，且物料在吸收热量以及水分。为了使发酵箱内温湿度快速到达目标值，发热丝和加湿器加大输出功率，所以发生轻微的过冲。在发酵0.5 h 后，物料的温度和含水量与发酵箱内温湿度接近目标值后，温湿度开始趋近目标值。即使试验目标值不相同，且在试验途中工人多次开门取料的情况下，温湿度在图中都在围绕着目标值在上下波动，且波动的幅值不大。

两组数据的温度平均值为29.8 ℃和33.6 ℃，湿度平均值为88.5 %RH 和94.4 %RH。温度最大值（超调量）为31.6 ℃和35.4 ℃，湿度最大值为92.8 %RH 和98.7 %RH。数据和图表同时反映出，采用 PID 控制发酵温湿度的控制方式，有良好的适应性、稳定性和抗干扰性。

4.3 氧气浓度数据分析

发酵过程氧气浓度变化如图6 和图7 所示，由氧气曲线的波动幅度可以看出，在红茶前期1～4 h的发酵阶段耗氧量最大，后期的5～7 h 耗氧量逐渐减小。两组数据的最大值都出现在前期发酵的1～4 h的阶段。两组氧气浓度数据的平均值为21.13%和22.02%，最大值为22.08%和23.19%，最大偏差为1.08%和1.19%。

根据平均值的数据，模糊控制氧气浓度的方式，在适应性方面基本符合设计目标。但最大值和偏差值也反映出，模糊控制和PID 控制相比，在跟随性和抗干扰性方面较差。原因是发酵箱在实际生产过程中，受机械结构和工人操作的影响，不能保证其气密性（漏气量大约每分钟占箱内空气体积的5%），而大气中氧气含量可以认为恒定在21%，当发酵箱内所需的氧气浓度越大，干扰也就越大，系统为了接近目标值，输出调整的次数也随之增加。加之模糊控制原理是把干扰因素理想化的一种控制方式，只要出现叠加干扰的情况，系统的超调量会更大。在浓度曲线图上的表现就是氧气浓度一直波动，无法稳定在目标值附近。

5 结语

试验结果表明，基于PID、PWM 和模糊控制的箱式茶叶发酵机控制系统，可以控制茶叶发酵过程中的环境温度、湿度以及氧气浓度，实现了茶叶发酵中连续变温、变湿、变氧气浓度的功能。该系统还能对红茶发酵过程中的环境数据进行远程监控并记录，以便于分析不同发酵环境下，对红茶发酵质量的影响。试验结果表明，该控制系统基本达到了设计目标。

采用PID 的温湿度控制方式，能迅速纠正因干扰引起的温湿度波动，可认为该控制方式具有良好的鲁棒性。相较于PID 的控制方式，氧气浓度因发酵箱体气密性的原因，采用模糊控制的方式在稳定性上仍有较大的提升空间。