大型连续绿茶精制加工生产线研发

摘要 茶叶加工技术与装备是茶叶产业发展的基础，对行业发展起着举足轻重的作用。为实现绿茶加工机械自动化生产，设计了大型连续绿茶精制加工生产线，阐述了该生产线系统结构、主要生产环节及安装调试应用。基于PLC控制的大型连续绿茶精制加工生产线，主要由鲜叶上料输送机、大型滚筒杀青机、冷却回潮机、四机协同联动式揉捻机组、并列连续预烘干机组、储料仓、计量分料装置、茶叶炒干与抛光机组、筛分装置、风选装置及配套的测控系统等组成。针对绿茶加工工艺的各个环节，采用模块化设计，根据茶叶加工企业的厂房实际情况，灵活安装组线，满足企业个性化需求。基于模糊PID温度控制的大型滚筒杀青机双模糊控制技术，解决了传统杀青温度与时间无法实现精确控制的难点问题。采用链式刮板输送智能加料装置与多机联动协同连续揉捻控制技术，实现多机协同联动式自动加料连续揉捻，边进料边揉捻，揉捻均匀度高。生产线上杀青机、理条机和烘干机各环节温度采用模糊PID控制，解决了茶叶加工温度、投叶量与杀青、理条、烘干时间实时配合的问题，输入不同等级、不同重量的鲜叶可输出相适应的杀青温度和时间，实现对茶叶生产过程的精确控制，减少人为因素的干扰，实现绿茶的智能化生产。近年来，生产线用户遍布皖、苏、浙、云、贵、川、豫、湘、鄂和陕等10多个省份200余家茶叶生产企业。该生产线的推广应用，实现了茶叶规模化生产，保证了茶叶品质，对茶产业发展具有重要意义。

关键词 绿茶加工；大型滚筒；PLC控制；生产线；杀青；连续揉捻；炒干；抛光

中图分类号 TS272.3" " 文献标识码 A" "文章编号 1007-7731（2024）14-0001-06

DOI号 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.14.001

Development of a large-scale continuous green tea refining and processing production line

CAO Chengmao1" " SUN Yan1" " WANG Sanjiu2" " QIN Kuan1" " WU Zhengmin1" " WU min1" " BI Haijun1" " GE Jun1

（1Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China;

2Anhui Sanjiu Agricultural Equipment Technology Co.， Ltd.， Xuancheng 242000， China）

Abstract Technology and equipment used in tea processing are fundamental to the development of the tea industry， playing a crucial role in its growth. To achieve the automation of green tea processing machinery production， a large-scale continuous green tea refining production line was designed， the system structure of the production line， the main production stages， and the installation， debugging， and application were described. The large-scale continuous green tea refining production line based on PLC （Programmable logic controller） control was mainly consists of fresh leaf feeding conveyors， large drum fixation machines， cooling and rehumidifying machines， a four-machine coordinated rolling unit， parallel continuous pre-drying units， storage bins， metering and distributing devices， tea frying and polishing units， screening devices， air selection devices， and accompanying monitoring and control systems. Targeting various stages of the green tea processing technique， the modular design allows flexible installation and assembly of the production line according to the actual conditions of the tea processing company’s facilities， thus meeting the personalized needs of enterprised. Dual fuzzy control technology based on fuzzy PID temperature control for the large drum fixation machine addressed the pain points and difficulties of achieving precise control over the fixation temperature and time. Chain scraper conveyor intelligent feeding device and the multi-machine coordinated rolling control technology enable automated feeding and continuous rolling， with simultaneous feeding and rolling， ensuring high uniformity in rolling. On the production line， the temperatures of the fixation machine， sorting machine， and drying machine were controlled using fuzzy PID， resolving issues related to the real-time coordination of tea processing temperature， leaf input quantity， and the timing for fixation， sorting， and drying. This system can input fresh leaves of different grades and weights， outputting corresponding fixation temperatures and times， thus achieving precise control over the tea production process， reducing human interference， and realizing intelligent green tea production. In recent years， users from over 200 tea production enterprises in more than ten provinces， including Anhui， Jiangsu， Zhejiang， Yunnan， Guizhou， Sichuan， Henan， Hunan， Hubei， and Shaanxi Province， had adopted this production line. The promotion and application of the production line developed by our team had achieved large-scale tea production， ensured tea quality， and hold significant importance for the development of the tea industry.

Keywords green tea processing; large drum; PLC control; production line; fixation process; continuous rolling; frying; polishing

茶产业是特色优势产业之一，茶叶加工技术的发展可推动茶产品的高质量生产和助力茶产业转型升级[1]。我国茶叶加工机械化发展始于20世纪50年代左右，随着科技的不断进步，茶叶加工机械也得到了迅速发展，到2000年左右，大宗茶和部分名优茶的加工已基本实现机械化[2-3]。目前部分茶叶生产机械已采用智能检测、自动化控制及机—电—液—气力驱动等技术，这些技术的采用，进一步提高了茶叶生产机械的作业效率和精度[4-6]。茶叶加工机械化程度较高，实践中大部分是单机加工，加工效率、集约化程度有待进一步提高；多台单机设备组合式生产模式，需要手工辅助，存在劳力投入多、质量不稳定及成本高等不利因素。为了有效提高茶叶生产标准化程度，需要引导茶叶加工向集约化转变，增加规模化茶叶加工机械及自动化生产线的市场供给[7]。本研究基于可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，PLC）控制技术[8]，融合茶叶加工工艺要求，对杀青、揉捻、预烘干、称重、炒干与抛光及筛分与风选等环节采用模块化设计，可以灵活安装组成自动化生产线，满足企业个性化需求。研制的大型连续绿茶加工自动化生产线，实现对茶叶生产过程中温湿度等参数的精确控制，减少了人为因素的干扰，实现绿茶的智能化生产，满足规模化、集约化绿茶加工的需要。产品的推广与应用，对茶产业发展具有重要意义。

1 生产线系统结构

大型连续绿茶精制全自动加工生产线整体架构如图1所示。主要包括鲜叶上料输送机、大型滚筒杀青机、冷却回潮机、四机协同联动式揉捻机组、并列连续预烘干机组、自动炒干与抛光机组、储料仓、计量分料装置、筛分与风选装置及配套的测控系统等。

1.1 工作原理

如图1所示，经过初步萎凋、摊凉的茶鲜叶，由上料输送机送入大型滚筒杀青机杀青，杀青料经解块冷却回潮后送入四机协同联动式揉捻机组揉捻，揉捻料经过并列连续烘干机组预烘干，再通过炒干、抛光和筛分后完成茶叶加工。根据茶叶加工工艺要求，在杀青与揉捻环节之间增加冷却回潮环节，解决大型杀青机输出的高温、高湿物料，通过冷却回潮摊凉，不仅可以去除茶叶中的青草气，还可以使茶叶质地变柔软，便于揉捻成型。茶叶经揉捻后，由于含水量较高，加之揉捻紧实，易结块成团，在揉捻与炒干、抛光环节增加并列连续动态预烘干机组，目的是对茶叶进行解块和预烘干，便于后期炒干和抛光加工。根据揉捻物料的多少，适配并列2～4台预烘干机，实现揉捻输出物料与后续工序的匹配。预烘干机将茶叶烘干至含水率10%以下，而后由计量分料装置定量有序地送入炒干与抛光机组，目的是使茶叶紧结成卷曲型，表面平滑有光泽，同时提升茶叶的香气和品质，达到规定贮藏的含水率。

1.2 控制系统

生产线控制系统架构根据绿茶的加工工艺流程和加工设备，满足生产线的控制特点和需求，设计了基于PLC的集散控制系统。生产线整体控制系统由3个部分组成（图2），包括过程监控层、数据传输层和现场控制层。过程监控层利用LabVIEW（Laboratory virtual instrumentation engineering workbench）软件平台对下位PLC组网系统采集的现场数据进行处理，实现生产参数设置、监视数据实时显示、数据存储与分析及故障诊断预警等功能。数据传输层实现上位监控软件与下位控制双向通信，主要利用PLC控制器中的开放式用户通信和LabVIEW软件中的传输控制协议（Transmission control protocol，TCP）进行数据交互，使用S7-200 SMART PLC自带的网络接口与上位S7-300和计算机连接在同一网络，即可进行上、下位机之间的双向数据传输。

下位机控制系统由多个控制子系统组成，现场控制层的控制系统选用西门子S7-200 SMART系列 PLC作为主站控制器，数据采集系统采用采集卡设备获取各传感器信号，包括温度、含水率、压力和转速等数据。数据传输层是基于以太网总线TCP传输控制协议实现上位机和下位机之间的双向数据通信，它是整个系统的桥梁。下位机采集的数据通过数据传输层传输到过程监控层，过程监控层通过LabVIEW软件编写分析程序，并将分析结果实时显示在监控界面上；同时人机交互界面设置的工艺参数通过数据传输层实现对现场设备的控制。

2 主要生产环节

2.1 杀青环节

杀青环节存在的主要问题是叶片容易杀透，而茎梗不易杀透，需要更高的温度，导致出现茎梗杀透而叶片杀老的情况。针对这一情况，采用基于双模糊控制技术的大型滚筒式杀青机[9]，具有有效杀透鲜叶、保证茶叶高香避免青草味等优势。其结构主要由上料输送机构、滚筒体、传动机构、通风口、加热系统和出料装置等组成。大型滚筒杀青机的滚筒设计直径1.2 m，螺旋导叶筋板的高度较高，物料在滚筒中不断被翻抛的空间大、行程长，能充分混合热风、交换水分，实现茎梗、芽头和叶片水分均匀。由于杀青空间大，利于抑制茶叶多酚类化合物的酶促氧化反应、散发青草气和蒸发水分等，使叶质变柔软的同时富有韧性，便于揉捻成型[10]。

通过检测杀青滚筒内的鲜叶投叶量和鲜叶等级，应用模糊控制规则决策，实时调整杀青时间和杀青温度的设定值，并在杀青温度中嵌入模糊比例—积分—微分（Proportional integral differential，PID）控制，实现对杀青温度的精确控制，有效解决了茶叶杀青方式受人为因素影响，无法实现精确控制的难点问题。结合茶叶加工工艺参数要求，利用LabVIEW软件将系统整体的模糊控制与温度的模糊PID控制相结合，既实现了茶叶杀青环节的智能控制，又实现了茶叶杀青时的温湿度控制，达到了理想的杀青效果[9-10]。

2.2 冷却回潮环节

设计冷却回潮环节，主要是避免大型杀青机输出的高温、高湿物料，直接进入揉捻机。杀青机的出口温度高达300 ℃左右，杀青过程中高温可以蒸发出茶叶中的一部分水分，使茶叶质地变得柔软，杀青后的物料温度较高，水汽较大。冷却回潮环节即根据杀青出料口的量，设计摊凉设备，让快速高温失水的杀青料冷却回潮，使茶叶制品芽、叶片和茎不同部位的水分分布更加均匀，同时通过散热带走大量水汽，然后进入揉捻环节，可以减少碎茶率和提高茶叶色泽品质。

2.3 连续揉捻环节

茶叶揉捻机具有破坏茶叶组织细胞、挤出茶汁和增加冲泡次数等优点，揉捻后的茶叶口味更佳、更耐泡。揉捻机组设计以4个单体为一组，由供料系统、4个单体揉捻机、不锈钢工作台、机架、气动系统及控制系统等组成。每个揉捻单体主要由机架、大涡轮式变速箱、揉捻底盘、揉捻桶、揉捻盖、电动机、压力传感器、编码器和气动控制系统等组成。揉捻供料部分采用不锈钢链式刮板传送链输送。根据输出的控制信号，气动阀控制气动缸开启链式刮板传送链下支撑块，打开物料输送通道，经杀青摊凉后的物料由输送通道送至揉捻盘，随着物料不断送入，揉捻桶的物料高度不断增高，压力不断增加。当安装在揉捻盖下的压力传感器检测到的压力达到预定值时，PLC控制器输出信号，由气动阀控制气动缸关闭传送链下支撑块，同时打开下一个链板传送链下支撑块，为下一个揉捻单体机提供物料，以此重复类推，完成一个循环后，接着同样进行下一次循环，实现连续进料、连续揉捻。经揉捻后的物料，由PLC控制器根据预设时间控制揉捻物料输出，由输出传送带送至并列连续预烘干机组。多机协同联动式自动加料连续揉捻方式，边进料边揉捻，揉捻均匀度更高[11]。

2.4 预烘干环节

预烘干环节，设计并列连续烘干机组，根据揉捻物料的多少，配置烘干机组数。茶叶完成揉捻工序后，首先通过烘干设备的梳齿式解块机对揉捻后的茶叶进行解块，达到均匀铺叶的目的，便于充分预烘干。烘干箱内采用空气热对流的方式经过多层带式传动，使茶叶与热空气充分热交换，进行干燥。通过控制变频电机速度，实现控制物料烘干时间，预烘干初步干燥完成后，物料传送至储料仓。储料仓在生产线中起到缓冲作用，保证杀青、冷却回潮、揉捻及预烘干工序的连续性，实现负荷匹配。经计量分料装置称重，通过传送带按照设定的顺序，为炒干机送料。

2.5 炒干与抛光环节

炒干与抛光机组设计为上下双层结构，上层为炒干机组、下层为抛光机组[12] ，如图3所示。储料仓的物料经传送带送至称重系统，称重系统根据物料的要求称重，而后按照设定的程序，定量依次将物料输送至炒干机进行炒干。主要工序如下。

（1）称重。按照设计要求将预烘干的茶叶由储料仓通过传送带输送至称重装置，达到设定的重量之后，由上料提升机输送至炒干与抛光机组。由于称重器加料称重，需要一定的时间，为了保证生产的连续性，称重装置设置2个，轮流依次称重、输送。

（2）加料。提升机将物料提升至不锈钢结构的加料槽，槽内用不锈钢链板式刮板传送，按照设定的程序，依次定量分别为多个炒干机组加料。

（3）炒干。经提升传送机将称重后的茶叶送入炒干机的入料口，进行炒干加工，炒干温度采用PID闭环控制，炒干完成后，将物料送入对应的下层抛光机组。

（4）抛光。抛光机无需加热，在常温下，茶叶在旋转的六棱滚桶内翻抛，一是使干燥的茶叶充分缓苏，温度内外一致；二是使茶叶在翻抛过程中更加紧实光滑；三是提升茶叶香气，相当于利用物料的余热烘焙。

2.6 筛分与风选环节

筛分与风选是茶叶精制加工工艺中非常重要的一环，其效果直接影响茶叶的价值[13]。采用双层茶叶筛分与风选装置，主要由筛分风选室、末片室、观察窗、喂料装置、开合机构和分茶隔板等组成。双层茶叶风选机，在风选室内部设置上风选室和下风选室，在上下风选室内各设置一台离心风机，在一台机器上对三口的茶叶进行二次风选，一方面提高风选效率，另一方面，减少工人的重复工作，减少风选机的占地面积。在上风选室、下风选室各设置有两扇观察窗，便于观察风选室的内部物料情况，帮助操作者更好地观察茶叶的落料情况，调节相应的工艺参数[13]。

3 安装调试

3.1 生产线安装

大型连续绿茶精制全自动加工生产线，可以根据茶叶加工企业的厂房实际情况，灵活安装组线。依据企业的生产产能选择大型滚筒杀青机单台或2台并列运行，四机协同联动式揉捻机组多组串联、并联，灵活选配。并列连续预烘干机组、冷却回潮机和输送机组可以根据企业订单要求，进行设计组配，以满足企业的个性化需求。例如，湖北某茶叶加工企业根据需求设计组配生产线，该生产线采用双台滚筒杀青机并列运行，揉捻部分采用2个四联揉捻机组串联后再并列运行模式，日处理鲜茶叶超50 000 kg，加工成品干茶超10 000 kg。生产线部分上料与杀青、揉捻、炒干与抛光机安装现场如图4所示。生产线上杀青机、理条机及烘干机各环节温度采用模糊PID控制，解决了茶叶加工温度、投叶量与杀青、理条及烘干时间实时配合的问题，输入不同等级、不同重量的鲜叶可以输出相适应的杀青温度和时间，实现对茶叶生产过程的精确控制，减少了人为因素的干扰，实现绿茶的智能化生产。

3.2 推广应用

通过长期的实践，融合茶叶加工工艺要求，不断优化茶叶加工工艺，研制出大型连续绿茶精制全自动加工生产线以及生产线上各环节（自动化杀青、自动化揉捻、自动化炒茶和自动化烘干等模块）共5个系列10款装备，提高了茶叶加工生产效益，促进了茶叶加工生产机械化发展。近三年来，皖、苏、浙、云、贵、川、豫、湘、鄂和陕等十余个省份200余家茶叶生产企业，采用该生产线或加工装备，实现绿茶加工产业升级，企业经济效益得到很大提升。

研究团队以“打造精品茶机、服务亿万茶农”为己任，以“服务茶产业、实现机械化、高效智能化、保障清洁化”为发展方向，逐步改进茶叶生产加工工艺，稳步扩展销售市场，围绕大型连续绿茶精制加工生产线的生产研制和推广应用，取得发明专利15件，形成企业标准1项，该项成果获省级科技进步奖二等奖。自动加工生产线的推广应用，改变了常规茶区加工作业模式，降低了茶叶生产成本，提高了茶叶生产效率，保证了茶叶品质。

4 结论

（1）基于模糊PID温度控制的大型滚筒杀青机双模糊控制技术，解决了传统茶叶杀青方式受人为因素影响，无法实现精确控制的难题。通过检测杀青滚筒中的鲜叶投叶量和鲜叶等级，应用模糊控制规则决策，实时调整杀青时间和杀青温度的设定值，并在杀青温度中嵌入模糊PID控制，实现杀青温度的精准控制。

（2）采用链式刮板输送智能加料装备与多机联动协同连续揉捻控制技术，使多个单体揉捻机根据控制程序依次加料、协同工作，形成一个连续揉捻组合，使生产线结构更紧凑，从而节约用地，降本增效。针对不同茶叶加工工艺，设定精准控制揉捻力度，成条率高。

（3）采用茶叶自动化炒干抛光装备与连续输送智能分料技术，将储料仓的物料经传送带送至称重系统自动称重，按照设定的控制程序，定量依次将物料输送至多组炒干机进行自动炒干，实现连续输送智能分料。通过自动控制温度，变频电机带动滚筒转动，滚筒内的筋条板带动茶叶在桶内不断翻抛，实现茶叶干燥、紧条、定型和提升香气等功能。

本研究基于PLC控制技术，融合茶叶加工工艺要求，对杀青、揉捻、预烘干、称重、炒干与抛光及筛分与风选等环节采用模块化设计，实现灵活安装组配自动化生产线，满足企业个性化需求。该生产线的推广应用，改变了传统茶叶加工作业方式，降低了茶叶生产成本，提高了茶叶生产效率，保证了茶叶品质，同时有利于解决了用工难、用工贵问题。

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（责任编辑：何 艳）

基金项目 安徽省科技重大专项（18030701195）。

作者简介 曹成茂（1964—），男，安徽六安人，博士，教授，从事特色经济作物机械化装备研究。

收稿日期 2024-06-01