两化融合在茶叶初制加工生产线的应用

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摘要：以红茶初制加工为例，对茶叶初制加工生产线中信息化与工业化的应用现状进行调研，探究红茶加工中3道复杂工序的关键技术参数，基于信息化技术开发了对工业化生产工序有效管控的茶叶加工控制系统，实现了红茶加工全程监控、在线分析和远程指导等功能。与传统高密度人员投入的茶叶单机生产加工模式比较，茶叶初制加工生产线有效改善了加工操作的便捷性，提高了自动化控制水平；显著减少了加工过程劳动力投入，产品加工工艺的可重复性高，卫生、品质更加可靠；对推进茶业发展转型升级，实现茶业高质量发展具有重要意义。

关键词：红茶；信息化；工业化；茶叶加工

1红茶初制加工生产线

结合传统红茶加工工艺，应用现代工业化、信息化、标准化、模块化技术集成设计红茶初制加工生产线[8]，如图1所示。红茶加工生产线包括萎凋、初揉、解块、复揉、解块、发酵、初烘、冷却缓苏、复烘和冷却回软10道标准红茶初制加工工序。其中，萎凋、揉捻、发酵和烘干是红茶加工中的关键工序，萎凋工序需要精准控制萎凋环境温湿度和茶叶含水率；揉捻工序除需要控制分配系统外，还需精准控制揉捻压力、揉捻速度和揉捻时间；发酵工序需要精准控制发酵微环境的温湿度和含氧量；烘干工序需要精准控制烘干温度和料层厚度。综上，所有控制参数和加工设备均由信息化控制系统进行管控，形成一键式操作的高度自动化和智能化的红茶初制加工生产线。

2与传统红茶初制加工比较分析

目前，国内制茶大多数沿用各地传统工艺方式，工艺流程过于简单[1]，各加工工序标准尚未明确，各地区茶叶加工工艺存在差别，甚至同一地方不同企业的加工工艺都不尽相同。茶叶加工工艺的不确定性是导致茶叶机械化加工水平低、品质较难控制的重要原因，因此，亟需对茶叶初制加工中影响各工序的关键技术参数进行研究。2.1红茶揉捻工序比较红茶揉捻的目的在于适当破坏杀青后茶叶的组织，促使茶叶的内含物均匀渗透在茶叶表面，同时使茶叶以主叶脉为轴心形成条形。传统茶叶揉捻以手揉为主，即双手握茶，在竹盘内先轻后重，前后左右滚揉，制茶人大致观察茶叶成型状态后松压、解团。近年来，模拟手工揉捻的手动喂料式单机设备（如图2a）逐渐盛行，大大提高了作业效率，但是手动喂料设备中人为因素影响依然存在，且卫生条件不符合生产要求，揉捻工艺的可重复性较差。总结单机设备手动喂料的不足之处，自动喂料揉捻机组（如图2b）需要严格控制不同批次加入茶叶质量、揉捻时间和揉捻速度，如果速度慢，将影响加工效率，如果速度太快，则茶叶揉捻效果差且容易破坏茶叶。由此可知，自动喂料揉捻机组有效减少了劳动力投入、消除了人为因素对揉捻品质的影响、揉捻工序的可重复性增大。2.2红茶发酵工序比较红茶是一种全发酵茶，发酵是指茶叶在空气中氧化，发酵作用使得茶叶中的茶多酚和单宁酸减少，产生了茶黄素、茶红素等新的成分和醇类、醛类、酮类、酯类等芳香物质，最终形成红茶特有的色泽和滋味。茶叶发酵条件因产品而异，如安化黑茶需要适宜的发酵温度（28~30℃）、湿度（65%~75%RH）,发酵时间约为3~4d[9]；红茶发酵需要适宜的温度（25~30℃）、湿度（90%~95%RH）和通风条件，发酵时间约2~4h。传统竹盘摊放式发酵（如图3a），其竹盘上方遮盖湿布的主要作用是防止水分快速散失，当气候较为干燥时，需人为喷水加湿保持遮布表面湿度；当遇上雨水天气时，需揭开遮布，增强空气流通防止霉变。因此，传统红茶发酵不可控制因素较多，较难保证红茶的发酵品质。采用多层立体往复式堆叠控温控湿设备的发酵工序（如图3b），可以精准控制红茶发酵过程的环境条件，有效减轻制茶师傅工作负担，在恒定环境下发酵较好地保证了不同批次茶叶发酵品质的均一性，且茶叶发酵的卫生条件得到明显改善。2.3红茶烘烤工序比较红茶发酵过后需在热风下迅速烘干，烘干的目的在于快速去除多余水分，利于之后包装保存。红茶发酵温度为25~30℃，而干燥温度为90~120℃，发酵过后采用高温迅速烘干，减少湿热作用下过度的酶促氧化，保障发酵红茶的品质。红茶烘干温度不宜超过120℃，温度过高会导致表层茶叶碳焦化。为提高干燥速率，可适当提高风量，但由于红茶烘干主要采用外排去湿模式，风量过大将导致热量过度浪费，且风量大小与茶叶摊层厚度呈正相关关系。传统红茶烘烤方式（如图4a），遵循“毛火薄摊，足火厚摊”“嫩叶薄摊，老叶厚摊”“碎叶薄摊，条状叶厚摊”原则。主要通过人工控制火候大小，在整个烘烤过程中，制茶师傅需多次拉出装茶竹盘观察茶叶烘干状况，手动翻动茶叶层。烘烤茶叶品质主要依赖制茶师傅的操作，较难保证各竹盘茶叶烘烤品质的均一性。采用现代翻板式自动茶叶烘干机（如图4b），可精准控制整个茶叶烘干过程温度、风量，茶叶发酵完成后衔接干燥环节，转入翻板烘干机中干燥，烘烤茶叶无需人工转移铺盘，制茶师傅只需明确红茶烘干风量、摊层厚度、干燥时间等烘干的关键技术参数，即可实现烘干过程的自动化。

3信息化系统设计

3.1系统总体框架。信息化系统的总体框架如图5所示。根据红茶加工工序，生产线分为萎凋机组、初揉机组、复揉机组、发酵机组和干燥机组5个现场控制单元。每个控制单元由PLC控制相关加工设备的运作，如萎凋机、揉捻机、发酵机、干燥机和输送机等，并对萎凋温湿度、茶叶含水率、揉捻压力、揉捻速度、发酵温湿度、含氧量和干燥温度等相关生产数据进行采集。PLC与触摸屏人机界面之间通过RS485总线进行通信，现场操作员可对加工参数及时进行调整。为实现生产线中各控制单元的协同工作，控制单元的PLC之间也使用RS485总线进行通信，形成一个整体控制系统[10]。利用人机界面内置的以太网通信模块，组建成信息化互联网络系统。各个控制单元采集的生产数据通过互联网上传至服务器，服务器完成生产数据的存储、分析、报表生成和状态显示等功能，并配套视频监控子系统，完善对生产现场的安全监控。用户通过信息化网络系统可实现对整条生产线的远程监控，实时了解生产状况。3.2数据检测与传输。生产线各控制单元中加工设备的生产数据由相应的传感器进行检测，变送器负责将传感器检测的数据进行放大并转换为标准信号，由A/D转换模块将标准的模拟信号转换为数字信号，PLC采集并处理全部生产数据，最后通过人机界面利用互联网上传至服务器的数据库中，数据检测与传输过程如图6所示。根据生产数据的要求选择合适的传感器，如温湿度传感器、光电传感器、转速传感器、压力传感器、水分传感器和气体浓度传感器等。变送器负责将传感器测量的变量进行放大，并转换成标准的电压或电流信号。为提高测量系统的抗干扰能力和传输距离，系统均采用4~20mA电流作为变送器的标准输出信号。同时，0mA电流作为测量电路的故障指示信号。各路变送器输出的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，由PLC控制器统一采集并处理。PLC与人机之间通过RS485总线进行通信，系统采用台达100系列人机触摸屏内嵌以太网通信模块，PLC采集的生产数据通过组建的信息化网络上传至服务器，也可通过采用内嵌以太网通信模块的PLC，或采用外置以太网通信模块等方式组建信息化网络。3.3数据分析与处理。服务器通过信息化网络系统接收各控制单元的生产数据、生产状态等信息，并存储于数据库中。系统采用的台达100系列人机触摸屏内嵌VNCServer，即虚拟网络计算（控制）服务器，通过打开VNCServer端口，远程用户端只需要使用计算机或手机安装VNCViewer软件，连接互联网后即可对生产线的各控制单元进行远程监控与操作。远程用户端可以使用WEB方式，只需在已内嵌JAVA的WEB浏览器中输入控制单元对应的IP地址，亦可实现远程监控与操作。系统通过设定不同操作权限级别的用户，对远程用户的操作权限进行管理。图7为生产线中揉捻机组控制单元的监控主画面，系统显示了各设备的运行状态以及揉捻压力、揉捻速度和揉捻时间等数据，用户可实时对揉捻工艺进行调整（图8）。系统自动采集生产数据并生成报表，自动生成数据变化曲线，用户可手工查询报表数据（图9），数据报表可以CSV文档形式导出。当设备发生故障时，系统弹出报警提示画面，并生成历史报警表和报警频次表。如图10所示，在人机界面中设置需要实时监控的生产数据表，用户即可通过WEB浏览器登入RemoteMonitoring系统查看相关信息。基于DOPeServer软件系统，服务器通过互联网接收到生产线各控制单元的生产数据，存储于数据库中。服务器负责对生产数据进行统计分析，并建立制茶专家系统。制茶专家系统对获取的生产数据进行评估与判断后，输出相应的加工工艺调整指令，生成的控制信息经互联网反馈至相关的控制单元，完成对制茶设备的精准控制。3.4建立生产指挥中心。茶叶加工企业利用信息化系统可建立集设备管控、生产调度、视频监控和现场展示等功能于一体的生产指挥中心，从而实现在线分析、远程诊断及应急指挥等功能。使生产管理方式由传统现场管理向远程协同管理转变，可显著提高工作效率，降低设备故障率，提高突发事故解决速度，优化生产管理协同效率，保障生产管理系统稳定高效运行。

4结语

本文设计的信息化系统已在广东省内10多条茶叶初制加工生产线进行了示范应用，涉及加工的茶类有红茶、绿茶和乌龙茶，如英德的英九红茶、乐昌沿溪山绿茶、潮州岩茶等。通过信息化与工业化的深度融合，使茶叶加工过程更清洁化、连续化、智能化，全面提升茶叶加工生产效率，如揉捻加工工序时间、揉捻力度可参数化设置，烘烤工序温度能在80~100℃之间精准调节控制。应用该系统的茶企管理者可以通过云平台对设备参数实时监控，随时随地掌控茶叶产品加工工序的各个环节。由此可见，以两化融合技术助力茶叶加工提质增效已初见成效，较好地推动了茶叶产业由传统廉价人力加工型向现代高效高质智能化连续生产加工型转化，对提升我国茶产品的国际竞争力具有重要意义。

参考文献

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作者:李浩权 黄隆胜 胡光华 龙成树 吴耀森 单位:广东省现代农业装备研究所