茶叶加工装备智能管控技术应用研究进展

摘要：茶叶加工装备智能管控技术对于解决茶叶产业发展中所遇到的一系列困境和挑战具有重要意义。文章综述了茶叶初制及精制生产线上智能管控技术的最新研究进展，涵盖了绿茶、红茶、黑茶和多功能生产线的智能化进展，具体探讨了智能萎凋设备、智能杀青机、智能揉捻机和智能烘干机等关键茶叶加工设备的研究进展，同时介绍了数字化拼配技术、智能除杂设备和风选设备在茶叶精制过程中的创新应用，以期为后续茶叶加工装备智能管控技术的研究提供借鉴。

关键词：茶叶；加工装备；智能管控；研究进展

中图分类号：TS272" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章编号：1000－3150（2024）07-11-6

Research Progress on Intelligent Control Technology for Tea

Processing Equipments

QIN Jingru， JIANG Yuchen， DING Linghang， TANG Zhe*

Central South University， Changsha 410083， China

Abstract： The intelligent control technology of tea processing equipments is of great significance for a series of difficulties and challenges in the development of the tea industry. The article summarized the latest research progress in intelligent control technology of primary and refining tea processing lines， covering the intelligent progress of green tea， black tea， dark tea， and multifunctional production lines. Specifically， it included the progress of key technologies such as intelligent withering equipments， intelligent fixation machines， intelligent rolling machines， and intelligent drying machines. At the same time， it introduced some innovative applications of digital blending technology， intelligent impurity removal equipments， and wind selection equipments in the tea refining process， so as to provide references for the subsequent research on intelligent control technology for tea processing equipments.

Keywords： tea， processing equipment， intelligent control， research progress

近年来，随着科技水平的发展、市场需求的变化和消费水平的提高，信息化技术、智能化技术、数字化技术等新技术逐渐被应用到茶叶加工中，以提高茶叶产品的附加值和竞争力。随着技术的不断进步和市场需求的日益增长，智能控制技术的应用已成为推动食品加工行业发展的关键因素[1]。因此，研究茶叶加工装备智能管控技术对我国茶叶的生产和发展具有重要意义。

1" 茶叶初制生产线中智能管控技术的应用研究

茶叶是我国传统的农产品，一直备受人们的喜爱。茶叶加工作为茶产业链中的重要环节，加工的品质稳定性、质量、卫生情况一直备受重视[2]，其中绿茶、红茶、黑茶作为三大基本茶类，其加工工艺的精进和创新一直是行业发展的趋势和企业追寻的目标。

1.1" 绿茶生产线

绿茶是中国最常见、饮用最为广泛的一个茶类，不少企业推出了绿茶加工智能生产线，为实现数字化加工，这些生产线都配备数据采集与管理的功能。汤哲等[3]开发了一种炒青绿茶自动化生产线控制系统，包括上位机、数据采集与监控系统（SCADA）服务器和下位机系统，上位机通过以太网连接SCADA服务器，下位机系统通过以太网网络交换机连接至SCADA服务器。炒青绿茶自动化生产线控制系统控制精确，自动化程度高，实现了炒青绿茶的全自动连续化生产。浙江省瑞安市岭雅绿茶综合开发有限公司“绿茶+红茶”双茶联动加工模式中，绿茶加工采用了自动化智能生产线[4]。刘庚强等[5]研制出了适应广东地区的绿茶自动化连续加工生产线，包含摊青→杀青→揉捻→烘干，该生产线加工出的沿溪山白毛尖茶汤色清澈、茶香雅致。汤泽清等[6]设计出了采用先进节能型生产装备和生物颗粒清洁化能源的生产线，满足节能型生产需求，以可编程逻辑控制器（PLC）+传输功率控制品（TPC）为核心控制单元，实现整条生产线无排放、无污染的清洁化生产和数字化系统控制。

我国绿茶品类繁多，还有很多其他类型的绿茶生产线，比如西湖龙井、信阳毛尖等绿茶最近几年也陆续实现了连续化和自动化生产，同时生产线中也配备了数据管控平台。

1.2" 红茶生产线

红茶作为一种全球性饮料[7]，因其顺滑的口感 、清澈的汤色、浓郁的花香和果香，以及具有较强的抗氧化和调节血脂能力等健康功效而受到消费者喜爱[8-10]。近年来，红茶加工生产线一直朝着智能化方向发展。滇红茶自动化初制工艺流程主要为：萎凋→除杂→揉捻→解块筛分→发酵→初烘→摊凉→复烘→足烘→毛茶，涉及的主要生产设备包括茶叶储青机、萎凋机、风选机、滚筒除杂机、揉捻机、解块筛分机、发酵机、烘干机等[11]。贵州黔茶联盟茶业发展有限公司[12]公开了一种红茶智能化加工生产线，包括鲜叶输送机、揉捻机、解块机、智能发酵室、烘干机和控制柜，该生产线有效解决了现有红茶加工生产前对鲜叶清洗后采用人工控水，不仅费时费力，还易使鲜叶堆积熟化，影响其品质，降低制茶效率的问题。安徽方达茶业有限公司[13]提供了一种小罐红茶自动化加工生产线，通过使用物料漏斗内部的调速电机带动斜拨杆、横杆以及拨动板搅动茶叶，让茶叶可以通过下落管掉落到称量器上的弧形称量板上进行称量，通过电动伸缩杆控制遮盖板遮盖下落管的密封程度，从而可以控制下落的茶叶数量，一定程度上可以保障包装的称量，也提高了红茶的包装效率。

1.3" 黑茶生产线

黑茶历史悠久，具有深厚的文化底蕴，长期饮用黑茶，对人体具有显著的药理保健和病理预防作用。近年来，在制茶机械自动控制方面也有所突破。长沙湘丰智能装备股份有限公司[14]提出一种黑毛茶自动化初制生产线，包括储青装置、杀青机、两台揉捻机组、两个渥堆仓、两台烘干机，设备间通过输送装置顺序连接，分别通过PLC控制柜、中央控制计算机用以太网互联，实现黑毛茶的自动化连续生产。

渥堆是影响黑茶特征风味形成的关键工序。黑茶渥堆工序通过胞外酶和生物热，以及微生物自身物质代谢的协同作用，使茶叶内含成分发生复杂变化，进而形成黑茶特征性的品质风味[15]。温度、湿度和时间是渥堆过程中重要的加工参数[16]。黑茶传统渥堆环境简陋，难以精准控制渥堆温湿度，易造成黑茶渥堆不均匀，出现香气低闷或杂异气味等问题[17]。因此，为提高黑茶渥堆效果，提升黑茶品质，一些能够实现精准控温、清洁化、自动化的数控渥堆工序[18]被研发应用。

1.4" 多功能生产线

针对国内茶叶加工生产线功能单一，设备通用性不高，生产效率较低，无法满足未来智能制造柔性化生产的需求等技术瓶颈，不少企业开展不同茶类加工工序和设备的创新融合，研发了单机模块适配与制造创新技术，促进了生产线智能控制的原始创新。长沙湘丰茶叶机械制造有限公司[19]研发了一种红茶和绿茶兼容的全自动茶叶加工生产线设备及方法，首次设计出智能化红绿茶兼容型生产线，对传统红茶和绿茶工艺进行优化集成，创新地实现一线两用、红绿茶兼制，彻底改变原来一条生产线只能加工一种茶叶的模式。同时开发出适配红绿茶生产线的关键单机设备——储青槽、萎凋机、发酵房、自动流量控制装置、热辐射茶叶杀青、干燥、提香一体机等，满足生产线各个单机模块的功能要求。该公司还开发出了茶叶行业首个针对红绿茶兼制生产线的基于PLC的加工过程SCADA系统，实现对整个加工过程的温度、流量、压力和速度等参数的自动控制，同时实现过程集中监控和远程可视化访问功能。在自动化的基础上，通过茶叶加工技术与信息技术的深度融合，实现茶青类型的在线识别与分类，使茶叶加工装备能根据不同的茶青自动选择最优加工参数，实现茶叶加工装备从自动化向数据化和智能化的升级。

其他茶类生产线在数字化方面也有较大提升，岳阳县洞庭春纯天然茶叶有限公司[20]提出了一种黄茶自动化生产线，利用该生产线，茶叶在闷黄室中进行闷黄，完成闷黄后从出料口掉出。闷黄室温湿度的调节通过设置在闷黄室内用于检测湿度和温度的传感器将测量的信息输入控制系统，由控制系统通过控制闷黄室内的加热器和喷雾装置来实现。曾兴[21]对清洁化复式萎凋白茶生产线设计及工艺进行了研究，这是一种清洁化复式萎凋白茶生产新技术，包括由透光材料建成的日光萎凋房和自动晾晒生产线，可根据日光强度的变化，调节转速，做到茶叶晾晒交替时间准确可控，保证萎凋品质。新技术加工的白茶与传统日光萎凋的白茶相比，香气更加鲜爽，滋味更加鲜醇，品质更加稳定。

1.5" 茶叶主要智能加工设备

1.5.1" 智能萎凋设备

萎凋是茶鲜叶通过摊放、晾晒，使茶叶因散失部分水分而萎蔫、叶质变柔软、色泽变深绿的过程[22]。目前，公开了很多茶叶智能萎凋装置。英德市三圣红茶业有限公司[23]设计的茶叶智能化萎凋装置，以解决现有的萎凋装置萎凋温度不均匀且效率较低的问题。福建农山堂生态农业有限公司[24]公开了一种新的智能热风萎凋设备，有效解决了现有热风设备在使用时，因茶叶摊放过厚，堆积在底部的茶叶无法吹到热风，导致萎凋效果不均匀，影响后续生产的问题。江西省太阳红茶业有限公司[25]公开了一种红茶用智能化茶叶旋转萎凋机，可以在温度保持不变的情况下，控制风力的大小，保证不同体积叶片的萎凋程度一致，并且通过萎凋筒的转动能够对叶片进行翻动，保证萎凋效果。Zhang等[26]选择西门子PLC为主控制器，设计了一款可以在萎凋过程中采集温度、湿度和氧浓度信息且具备数据记录功能的萎凋设备，实现了萎凋的自动化、智能化。

1.5.2" 智能杀青机

杀青的目的是破坏鲜叶中酶的活性，鲜叶中的物质成分在没有酶催化的条件下，其化学变化的速度将会明显放缓，在杀青过程中便仅有物理热效起作用[27]。温度控制是工业生产中经常使用的控制对象，也是杀青机控制系统中的关键控制对象。吕浩华[28]提出了过热蒸汽、高温热风及热滚筒耦合杀青工艺，设计了一种汽-热-风耦合滚筒式茶叶杀青机，通过样机试验验证了杀青机工作的实用性和可靠性。林启军[29]针对茶叶杀青过程中温度控制的问题，运用模糊控制理论设计开发了一套新型的滚筒式茶叶杀青机控制系统。为了测试并提升不同杀青方式下杀青机的性能，相关专家和学者针对不同类型杀青机，以及影响杀青机性能的不同因素进行了大量系统性的研究和探索。徐海卫等[30]研究了杀青滚筒内导叶板螺旋角大小对杀青均匀程度的影响，利用流体分析软件Fluent对滚筒内流场进行仿真，验证了分段导叶板对杀青叶品质的提升作用。袁海波等[31]通过试验分析了杀青滚筒的不同筒段在不同温度分布下的杀青效果，以及改变杀青总历时对杀青叶质量的影响，并将电磁加热杀青机与燃煤式杀青机进行对比，结果表明电磁加热杀青机杀青叶色泽嫩绿、鲜活，清香浓郁，所制绿茶感官评分高；热能利用率可达50%～60%。

1.5.3" 智能揉捻机

揉捻是制茶工序中的重要环节，促使茶叶成条，溢出茶汁，增加茶汤浓度[32]。目前茶叶揉捻普遍采用机械揉捻，存在自动化程度不高、揉捻的工艺参数较难控制、人工成本较高等问题[33]，因此有学者设计了一种新型的自动控制式茶叶智能揉捻机组。该揉捻机组将传感器技术、智能控制技术应用于茶叶揉捻机，通过将多个桶式揉捻机组合，采用多级传送上料带，保障每个揉捻机的进料，同时采用自动控制算法调控和触摸显示屏对揉捻过程中的揉捻温度、湿度、压力、时间、速度等参数进行精准调控，实现揉捻工序的智能化及茶叶品质的稳定性[34]。

1.5.4" 智能烘干机

茶叶烘干是茶叶加工过程中的关键环节，也是高耗能环节，占茶叶生产总耗能的一半以上[35]。目前茶叶的烘干作业普遍采用自动链板式烘干机，存在烘干能耗高、热量利用率低、粉尘茶灰大、无法实时观察茶叶的烘干状态和颜色变化等问题[36]。长沙湘丰智能装备股份有限公司[37]通过在烘干腔内设置的限位滑槽、摄像头、显示屏等装置，对茶叶的烘干状态和颜色变化进行实时拍摄，并显示在显示屏上，方便加工人员对茶叶的烘干程度进行精准把控，保证茶叶烘干质量。长沙湘丰智能装备股份有限公司[38]设计了一种带有粉尘回收功能的节能高效一体化智能烘干机。热风发生装置位于烘箱底部与之成为整体，烘箱设置硅酸铝保温纤维材质的保温层，利用天然气或液化石油气作为热源，采用计算机控制系统对茶叶烘干过程中热电偶温度传感器的温度反馈进行传热系数的参数设定，并通过反馈控制系统调节燃烧器的进气流量自动调节火力的大小，大大提高了烘干效果的稳定性，实现了茶叶烘干的智能化。

2" 茶叶精制生产线中智能管控技术的应用研究

随着机械制茶新工艺和智能技术的出现，生产效率及茶叶质量都得到了极大的提高，茶叶产品也得到了丰富[39]。通过集成智能管控技术来促进茶叶生产加工的发展，能够帮助开发出更具色香味形的特色产品，进而促进经济效益的提升[40]。

2.1" 数字化拼配技术

茶叶拼配是茶叶精制生产线中的重要环节，能将不同产地、不同品种、不同工艺的茶叶拼配成符合标准的产品，是稳定茶叶品质、提高茶叶产量的重要手段。传统的拼配技术主要依赖专业的拼配人员对原料茶叶的感官评审，秉承“扬长避短、高低平衡”的原则进行试配，再经过反复的改良确定最终的拼配方案，该方法具有较强的主观性，无法标准化生产[41]。因此，在茶叶精制加工过程中引入数字化拼配技术是适应茶叶生产现代化趋势的必然选择。林怿箐[42]将茶叶拼配问题转化为一个兼顾成本和品质的多目标优化问题并建立多目标优化数学模型，将品质预测结果进一步应用到红茶的数字化拼配中，构建拼配成本和品质偏差目标函数，以各原料茶的拼配比例作为决策变量，采用多种多目标智能优化算法进行配方的自动寻优，快速形成优势拼配方案。刘莹[43]利用高光谱成像技术结合化学计量学方法对拼配茶样关键品质成分的含量及拼配茶样各原料比例进行快速预测研究，从而形成适优的拼配方案。将茶叶拼配利用数字化技术进行求解，在茶叶实际生产中更为高效精确，同时也为茶企提高了经济效益[44]。

2.2" 智能除杂设备

除杂是茶叶精制过程中提升产品质量的重要手段，通过去除老叶、茎梗及非茶类夹杂物使茶叶等级及品质更加优良。将智能化技术引入茶叶除杂过程中能够改善因人工除杂效率低下及杂质漏拣对茶叶质量产生不利影响的技术问题[45]。吴秀伟等[46]利用带有智能识别系统与永磁性滚筒的除金属机吸附茶叶中的铁锈或金属屑，利用静电除杂机将有机杂物分离。贵州茶投企业集团有限责任公司[47]设计了一种具有除杂功能的智能化茶叶杀青设备，利用回转电机驱动除杂筒高速转动的方式，使茶叶在离心力作用下高速与金属网格状的除杂筒筒壁碰撞，将杂质去除，简单高效，实现智能化运行。

2.3" 智能风选设备

茶叶风选装备是茶叶精制过程中的重要装备，影响着下一步工序的效率。目前采用的风选设备存在装备功能单一、茶叶风选误差大、风选精度低等问题[48]。为提高茶叶品质，科研工作者不断对茶叶风选设备进行改进和创新。黄洋洋[49]设计了茶叶风选智能控制系统，利用YOLOv5s模型进行茶叶等级的识别，再利用LabVIEW上位机采集茶叶等级数据，然后利用PLC技术的风选实验台根据茶叶等级数据完成智能化调控；吴秀伟等[46]设计程控风选机，利用其中的自动控制调节配置，按照不同类型茶叶自行设定不同的风量，吹去茶叶中夹带的朴片及细小虫体、纤维等杂质。

3" 展望

综上所述，智能管控技术引入茶叶加工设备对茶叶生产具有非常重要的作用，有助于茶叶生产环境的稳定、高效除杂、准确实现茶叶分级和协助茶叶风选等，进而提升茶叶的生产效率与品质[50]，从而促进茶叶生产经济效益的提高。

智能化管控技术将在茶叶加工装备中继续承担重要角色。一是智能化管控技术集成和互联互通，这意味着不同加工装备可以通过物联网技术实现数据交换和智能协同，进一步提高生产线的整体效率和适应性。二是大数据分析技术和茶叶加工装备的深度融合，通过对生产数据的深入挖掘和分析，预测设备故障，实现预防性维护，提高工厂利用率和生产可靠性。三是绿色环保、节能减排理念和智能化管控技术的深度融合，开发更环保的加工技术和节能设备，以满足全球茶叶市场可持续发展的更高要求。

总体而言，茶叶加工装备智能管控技术的不断进步和应用将为茶叶行业带来新的发展机遇和竞争优势，且必将在未来发挥越来越重要的作用，推动茶叶行业朝着更智能化、高效化和可持续发展的方向迈进。

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基金项目：国家重点研发计划（2022YFD2101101）、国家现代农业产业技术体系（CARS-19）

作者简介：秦静茹，女，硕士研究生，主要从事茶叶装备和智能技术的研究。*通信作者，E-mail：tz@csu.edu.cn