茶叶揉捻自动化控制设备的技术分析

任晓娜（成都纺织高等专科学校，四川成都 610000）

茶叶揉捻自动化控制设备的技术分析

任晓娜
（成都纺织高等专科学校，四川成都 610000）

茶叶制作工序比较繁多，每个工序的完成质量都决定着茶叶的产品效果。其中揉捻工序是茶叶加工的关键，受到传统人工操作的影响，茶叶质量难以得到保证。在这种情况下，需要进一步提升茶叶的自动化控制技术。本文首先对茶叶揉捻设备的发展进行了概述，然后总结了将传统机械揉捻设备改进为自动化控制设备的技术方法。

茶叶揉捻；自动化控制设备；应用技术

作为茶叶加工的主要程序，传统的揉捻方法一般是采用手工操作，后来发明了木质的揉捻装置，茶叶加工效率大大提升。随着茶叶需求量的增加，以及加工技术的日渐成熟，机械式的茶叶揉捻装置日渐成熟。但是初期的机械式揉捻设备也有自身的缺陷，因为操作工人在实际的茶叶加工过程中，必须通过手柄装置来操控机器，如果工作时间比较长，那么劳动强度就会很大，不仅出现手臂酸痛等身体上的不良反应，而且茶叶的质量也难以得到保证。比如塑性不符合规定要求，内部纤维组织破坏严重等。在后期的发展过程中，为了不断提升茶叶的品质，自动化揉捻装置被研究出来。

1　茶叶揉捻设备的发展

我国是茶的起源地，不管是茶叶的种植量还是需求量都非常高，为了提升茶叶产生，研制出来大量的自动化加工设备，其中茶叶揉捻装置大大提升了茶叶的加工效率，并且能够很好地保证茶叶的成品质量。在我国主要的六大类茶叶中，乌龙茶、黑茶还有红茶以及部分绿茶和黄茶等都是需要经过揉捻这道加工工序的。揉捻的原理是经过物理活动将茶叶内部的组织细胞破坏，然后多余的茶汁会被挤出来，原本呈现为叶片状态的茶叶就会塑造成紧密而弯曲的形态，因此茶叶揉捻也可以说是茶叶塑性。经过揉捻之后的茶叶，内部的有机物质会重新合成，这样一来，制作完成的茶叶经过冲泡就会呈现出更加醇厚和持久的香气，如果揉捻效果比较理想，那么冲泡出来的茶叶形状会呈现出规则完整的外形，非常具有美观性。由此可以发现，揉捻程序是茶叶加工中非常关键的一个环节，直接决定着茶叶的最终品质，而在揉捻过程中，控制好对内部纤维组织的破坏程度是保证茶叶质量的关键。传统的茶叶揉捻设备叫做盘式揉捻机，一般是由机架、揉盘、揉桶以及加压装置还有传动机构等组成。具体的运行过程如下：

将茶叶装在揉桶中，固定在框架上的揉桶会在曲臂的带动下按照固定的方向以及速度运行。茶叶在经过反复的揉捻之后，受到揉桶盖的作用、揉盘的反复作用力以及揉桶的侧面压力等，茶叶的纤维组织遭到破坏，内部茶汁溢出，会逐渐被揉捻成细致规则的茶叶条。需要注意的是，在整个揉捻过程中由于揉捻机的转动速度保持不变，那么在这种情况下，决定茶叶能够成型的关键因素就是施加压力的大小。也就是说，在揉捻时需要根据实际情况，合理的调整压力的大小。但是由于人工操作难以控制加压量或者减压量，很难保证后期的成型效果。后来发明研制出来了以集成数字化技术和PLC控制技术为主要的自动化揉捻设备，从而实现了整个揉捻过程的自动化操作，不需要大量的人工参与，同时压力施加能够进行良好的控制，有效弥补了传统机械式揉捻装置的不足，极大的降低了劳动强度并提高了揉捻质量。下文主要对自动化揉捻设备的运行技术进行分析。

2　揉捻自动化设备的关键技术分析

第一，加压问题是传统机械设备中急需解决的关键问题之一，也是影响茶叶加工质量的重要环节。可以用恒定启动加压代替原来的弹簧加压装置，利用气缸加压盖在揉捻过程中对茶叶施加压力，如果需要改变压力大小，只需要调节电磁阀以及调压阀的参数就行了。

第二，在揉捻设备中引用PLC技术，也就是可编程逻辑控制器。利用该技术能够根据揉捻需要调整加压的力度，并设置加压时间，这样一来，就可以进行更具针对性的自动化操作。

第三，将传统机械设备中的人工加料，改为揉捻机自动加料，利用PLC技术可以控制压盖的上升时间、以及压盖的开启与加料完成后的关闭时间。

第四，茶叶揉捻完成之后，可以利用PLC技术实现自动出茶，就是建立一套受PLC技术控制的气动回转缸，同时还带有机械放大装置，这样就实现了自动出茶技术的应用。

3　自动揉捻机的结构特点分析以及具体的结构设计方案

3.1结构

自动揉捻机主要由以下部分组成：1.揉盘和出茶门部件；2.揉桶和框架部；3.加压壁自动的升降和开合装置；4.加压臂自动升降定位装置；5.自动加压装置；6.气动限位装置；7.主动力传动装置；8.皮带秤。

3.2操作步骤

设备启动之后，出茶门会自动关闭，揉桶达到系统设定的位置之后，会停止运转，等待自动加料；加压盖自动开启，经过自动皮带秤称量之后的茶料会自动投入到揉桶中，关闭加压盖；然后揉桶开始进行回转作业，在回转过程中，压盖会在不同的加工阶段对茶叶施加力度、时间不同的压力，这样就能够满足不同的加工等级需求。揉捻工序全部完成之后，茶门自动开启，并将揉捻完成的茶叶卸出。同时，揉桶下面安装的毛刷可以自动将揉盘上剩余的茶末清扫出来，完成之后，自动关闭茶门。揉桶返回设定的安装位置，并自动停止运转。然后再重新开启加压盖，开始下一个阶段的揉捻作业。

3.3基于PLC的茶叶揉捻机自动控制系统设计

3.3.1设计思路

首先，电源打开之后，操作触摸屏，在系统中输入用户名和密码，进入验证程序，验证完成后自动进入茶叶揉捻机的控制系统。然后，根据加工需求设置相关的参数。设置完成之后启动加工按钮，揉捻机根据之前设定好的加工程序，会完成全程的自动化操作。一轮的操作完成后，系统会开始进行故障检查，如果没有问题，会等待新的参数输入，如果等到时间到达之后，仍然没有新的参数输入，那么系统会重新载入上一轮设置的参数，开始通常的揉捻作业。如果在加工过程中出现任何异常情况，系统就会自动发出警报。如果因为听到导致设备突然停止运行，那么系统会自动保存运行数据，停电之后，能够完全恢复。如果需要暂停加工，按下暂停键就可以了，重新开始之后，会延续之前的加工状态。

3.3.2系统组成

茶叶揉捻机的自动控制系统主要由四个子系统组成，分别是：上位机、下位机和调速控制、压力控制、上下叶控制以及显示装置。其中，上位机是一台和触摸屏组成一体机的PC；下位机是一个PLC；调速控制系统是由交流电机和变频器组成的；压力传感器、步进电机以及驱动器和行程开关组成压力控制系统；上下叶的控制系统是由电磁阀、气缸以及开关组成；文本显示器与指示灯组成显示系统。

3.3揉捻机自动加压装置设计与结构

3.3.1设计方案

安装同步电机和同步皮带到揉桶的加压杆上面，连接完成之后会与加压感组成一个整体控制系统，只需要调节同步电机就可以自动对茶叶进行加压和减压操作。

3.3.2操作方法

在传统的盘式茶叶揉捻机设备的基础上，安装电机和皮带组成自动加压装置。在茶叶加工过程中，根据加工等级的需要，最同步电机进行正反转操作可以完成揉捻压力的增加和减小，从而代替了传统的人工操作，提高了茶叶的加工质量。

3.3.3加工质量对比

将经过改进后的自动加压揉捻机和传统的人工加压制成的茶叶进行对比，结果如下：在人工手摇操作中，加压和减压花费的时间比较长，并且没有在规定时间内完成相关的操作，同时，茶叶受到的压力要么过大，要么过小，导致其成条率和细胞破损率不能满足加工要求。采用自动加压装置的揉捻设备之后，加压作业不受到人工操作熟练程度的影响，也不会因为工作过程中的疲劳因素而导致压力施加不均匀，大大提升了工作效率，成条率和细胞破损率也基本符合加工要求。

3.4茶叶揉捻机的集成数字化设计

3.4.1设计原理

该设计是在传统的机械式茶叶揉捻机的基础上，采用CAD/ CAE/CAM集成数字化设计方法对茶叶揉捻机进行了技术改造，改造之后的设备有以下优势：第一，设备的整体重量大大减轻，节省了制造成本；第二，将原来需要人工操纵的手柄装置改成了电动机，主要控制电动机上的操作按钮就可以调节揉捻的速度以及时间。同时，该技术改造之后，也有利于更好的实现PLC自动化控制。

3.4.2设计流程

第一，采用UG/CAD三维参数化建模，然后针对不同的零件特点，建立参数化模型。

第二，对设备中的各个零件进行受力、变形等性能的分析，根据进一步提升零件的性能指标，保证后期的工作稳定性以及使用寿命。

第三，对零件进行自动化设计，实际内容包括约束条件、设计变量以及目标函数等，主要目的是满足运行需求，并减少零件的实际所需重量，从而节约设备的制造成本。

第四，为了保证零件加工方式的合理性，可以采用计算机辅助软件对关键零件进行加工仿真模拟，及时发现加工过程中可能会出现的各种问题，并进行工艺改良，一方面是提高加工质量，另一方面是能够有效避免因为加工方式不合理而导致的机床损坏等不良现象。

第五，零件组装之前进行规格和质量的检测，并采用计算机软件模拟茶叶揉捻机的运动过程，提高在实际运行过程中设备性能的可靠性以及各个零部件的稳定性。

4　结论

我国的茶叶制作技术经过长期的发展，变得愈加成熟，自动化设备逐渐代替传统的需要大量人工操作的机械设备，成为保证茶叶加工品质的关键。和传统的加工方法相比，利用自动化系统控制以及经过工艺改良之后的茶叶揉捻装置，不仅将茶叶工人从大量繁重的加工作业中解放出来，还节省了加工时间，茶叶成品质量也大大提升，有利于促进我国整体制茶技术的进步。

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任晓娜（1979-），女，四川成都人，硕士，讲师，研究方向：自动化与传感器检测。