（机械电子工程专业论文）基于plc的茶叶揉捻机自动控制系统的研究.pdf

浙江工业大学硕：l ：学位论文 基于p l c 的茶叶揉捻机自动控制系统的研究 摘要 本课题是中国农业部9 4 8 项目引进国际先进农业科学技术滚动 项目的一部分，主要研究茶叶揉捻机的自动化改造，实现6 c r 一5 5 型茶叶揉捻机的工作压力、时间、转速和上下叶的自动控制，包括传 感和采集系统、电气系统、控制和界面系统、软件系统的设计和开发。 本文首先分析了茶叶揉捻原理，确定了适用于自动控制的揉捻工 艺，并制定了自动控制总体设计方案。总体方案以p l c 控制为主， 分为调速、压力控制和上下叶控制三个子系统。通过计算分析，分别 对其进行了硬件选择和连接。其次，应用d e l p h i 软件对上位机进行 了软件开发，并建立了数据库。下位机p l c 的软件开发是应用西门 子公司专门为s i m t i cs 7 2 0 0 系列p l c 设计开发的s t e p 7 一 m i c r o w 烈3 2 软件。其应用程序由主程序、中断服务程序和一些功能 模块子程序组成。最后，对整个自动控制系统进行了通讯处理，制定 了m o d b u s 通信协议。 本课题所研发制造的设备，已于2 0 0 8 年7 月底交付使用。之后， 我们协助中国农业科学院茶叶研究所做了两次秋茶试验，采集到了六 组数据。分析结果表明，本次研发初步达到预期效果。 本课题是一系列茶叶自动控制研究的开始，是开创性的工作，具 有非常重要的意义。 关键词：茶叶揉捻机，自动控制，p l c ，d e l p h i ，通信协议 i i 浙江t 业大学硕上学位论文 t h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m f o rt e at w i s t i n gm a c h i n eb a s e do np l c a b s t r a c t t h es u b j e c ti sap a no f9 4 8p r o j e c t so fc h i n e s em i n i s 时o f a g r i c u l t u r e n a m e d i m p o n i n g i n t e m a t i o n a la d v a n c e ds c i e n c ea n d t b c h n o l o g y o fa g r i c u l t u r e i ti s m a i n l y r e s e a r c ho na u t o m a t i o n t r a n s f o m a t i o no ft e at w i s t i n gm a c h i n e t h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo f w o r k i n gp r e s s u r e ，t i m e ，r o t a t i n gs p e e da n dh a n d l i n go fl e a v e so ft e a t w i s t i n gm a c h i n ei sr e a l i z e d t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e ss e n s o r l a 协 a c q u i s i t i o ns y s t e m ， e l e c t r i c a l s y s t e m ， c o n t r o li n t e r f a c e s y s t e m a n d s o r w a r es y s t e m f i r s t ，t h ep 印e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft e at w i s t i n gm a c h i n et o d e s i g nt w i s t i n gp r o c e s sw h i c hi ss u i t a b l ef o ra u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h e nt h e w h o l ed e s i g np l a no fa u t o m a t i o nc o n n o li sp r o p o s e d ，w h i c hi sd i v i d e d i n t ot h r e es u b s y s t e m ：s p e e dr e g u l a t i n g ，p r e s s u r ec o n t r o la n dt h ec o n t r o lo f h a n d l i n go fl e a v e s ，t a k i n gp l ca st h em a i nc o n t r o lu n i t t h es e l e c t i o na n d c o n n e c to fh a r d w a u r ea r er e a l i z e db yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s s e c o n d ，t h e s o r w a r eo fu p p e rc o m p u t e ri sd e v e l o p e du s i n gd e l p h i ，a n dt h ed a t a b a s e i ss e t u p t h es o r w a r e d e v e l o p m e n t o f1 0 w e r c o m p u t e r u s e s 浙江- t 业大学硕上学位论文 s t e p 7 一m i c r o m n 3 2w h i c hi ss p e c i a lf o rs i m t i cs 7 2 0 0s e r i e s 1 1 1 e a p p l i c a t i o np r o g r 锄c o n s i s t so fm a i np r o 鲈a m ，i n t e m 巾ts e r v i c ep r o 伊a m a n ds o m e 向n c t i o nm o d u l e s a tl a s t t h ec o m m u n i c a t i o no ft h ew h o l e s y s t e mi sa n a l y z e dt oe s t a b l i s hm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ee q u i p m e n to ft h es u b j e c tw a sp l a c e di n t ou s ei nj u l y ，2 0 0 8 t h e t e s tw i t ha u t u mt e ai sd o n et w i c et og e ts i xg r o u p so fd a t a t h er e s u l t p r o v e st h ed e v e l o p m e n to ft e a t w i s t i n gm a c h i n eh a sp r i m a r i l ym e td e s i g n r e q u l r e m e n t s t h es u b je c ti st h eb e g i n n i n go fr e s e a r c ho fas e r i a lo ft e am a c h i n e s ， s oi ti sc r e a t i v ea n dv e 拶s i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：t e a t w i s t i n gm a c h i n e ，a u t o m a t i o nc o n t r o l ， p l c ， p i o g r a md e s i g n ，c o n u n u n i c a t i o np r o t o c o l l v 浙江工业人学硕j ：学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：揣 导师签名 日期：z 譬年i2 月21 日 日期夕浙年力月77 日 2 趣l l 浙江工业人学硕上学位论文 1 1引言 第一章绪论 茶树是叶用作物。使用必要的技术，将采下的茶树鲜叶制成可供人们直接饮 用的成品茶或成为食品及医药等产品的添加原料的总过程，称为茶叶加工。按照 加工阶段不同，茶叶加工可分为初制加工、精制加工和再加工，所获得的茶叶成 品分别称之为初制茶( 毛茶) 、精制茶( 商品茶) 和再加工茶。 中国是茶叶的原产国，中国人对茶叶的应用，至少可追溯到四千年以前的神 农时代，那时茶叶的加工方法还很原始，也就像一般中草药那样晒干收藏。到了 南北朝( 4 2 卜5 8 9 ) 开始出现制茶作坊，将鲜叶蒸制成茶饼。唐代( 6 1 8 叫0 7 ) 创制蒸青团茶，减少了成茶的青气，使香气、滋味获得改善。从宋代( 9 6 卜1 2 7 9 ) 到元代( 1 2 7 卜1 3 6 8 ) ，蒸青团茶则逐渐发展为蒸青散茶，再由蒸青散茶发展到 炒青散茶，使香气、滋味更为良好。自明清以来，我国茶叶加工技术发展更快。 当时不仅获得了使用炒青方式杀青、烘干方式干燥的烘青绿茶加工技术，还从实 践中认识到，烘干干燥方式加工出的烘青绿茶，不如炒千干燥方式加工出的炒青 绿茶的香气高。炒青绿茶加工方法的发明，奠定了我国绿茶以炒青方式杀青、以 烘干和炒千方式干燥的烘青绿茶和炒青绿茶的基本加工方法。在此基础上，绿茶 花色品种也越来越多，诸如属于炒青绿茶加工方法的珠茶、龙井、瓜片等和属于 烘青绿茶加工方法的毛峰茶等名茶加工方法先后相继出现，而由此推进，又先后 发明了包括黄茶、黑茶、白茶、青茶、红茶在内各大茶类的加工技术和方法，至 此，我国六大茶类加工技术正式形成，同时，诸如花茶、紧压茶等茶类加工技术 也相继出现并日臻完善。 1 2 茶叶的主要种类及其特征 1 2 1 茶叶的主要种类 我国产茶历史悠久，茶叶种类名目繁多，但归纳起来主要为六大类，即绿茶、 红茶、青茶( 鸟龙茶) 、黄茶、黑茶和白茶。 此外，还有应用上述茶类为原料而加工成的再加工茶，如花茶、紧压茶和袋 浙江工业大学硕j ：学位论文 泡茶等。 各地经过多年发展，在历史上形成了许多具有独特风味的名茶。名优茶是“名 茶和“优质茶”的总称。优质茶则是茶叶中的优质产品，在同类产品中品质上 乘。 1 2 2 六大茶类的特征 1 绿茶 绿茶是我国产量最多的茶类，全国所有茶区均有生产。其品质特点是，干茶 色泽绿润，冲泡后清汤绿叶，香气特征为清香或熟栗香，滋味爽口鲜醇，浓而不 涩。制作工艺特点是，首道工序采用高温对鲜叶杀青，制止酶促氧化反应，从而 使加工叶保持翠绿，形成绿茶特征。 我国绿茶主要有以下几类。 ( 1 ) 炒青绿茶 炒青绿茶是我国最大宗的绿茶产品，包括长炒青绿茶、扁炒青绿茶、圆炒青 绿茶和特种炒青绿茶等。 1 ) 长炒青绿茶 通常称为炒青绿茶，形状为长条形，是我国主要出口绿茶种类。经过精制加 工形成的产品，形状细长稍弯如眉，故又称“眉茶 。浙江、安徽、江西是我国 长炒青绿茶的主要产区，其次是湖南、湖北、贵州、江苏、河南等。 2 ) 扁炒青绿茶 外形扁平光滑，多为名茶，产于浙江杭州的西湖龙井是我国扁炒青绿茶的代 表。 3 ) 圆炒青绿茶 外形为圆形颗粒，如产于浙江嗓州、新昌、上虞等市县的珠茶即此一种。 4 ) 特种炒青绿茶 这类绿茶名目繁多，均属于高级炒青绿茶，大多属于名茶，采摘精细，加工 技术良好，品质优异。除上面所提及者外，如产于江苏苏州的碧螺春茶、南京的 雨花茶、安徽六安的六安瓜片茶、江西的庐山云雾茶、河南的信阳毛尖茶等，均 属特种炒青绿茶类型。 ( 2 ) 烘青绿茶 2 浙江t 业大学硕上学位论义 烘青绿茶是一种利用热风烘制干燥的绿茶，与炒青绿茶相比较，色泽较黄绿， 条索较松，有普通烘青和特种烘青两大类。 ( 3 ) 蒸青绿茶 蒸青绿茶是一种用蒸汽进行杀青，后经揉捻、干燥而加工成的绿茶。目前我 国生产的蒸青绿茶有三种类型：一种是从日本进口或仿制成套生产线，按r 本加 工工艺生产的煎茶，这种蒸青绿茶色泽绿翠，具有同本人所喜爱的海藻香气，主 要产于浙江，产品大部分销往日本；第二种是使用我国研制的蒸汽杀青机进行蒸 汽杀青，经脱水后，用中国炒青绿茶干燥方式干燥而加工成的蒸青绿茶，般称 之为蒸炒青绿茶，特点是色泽墨绿，汤色绿翠，香气类型独特；第三种是历史上 使用蒸汽杀青所保留下来的名品绿茶，如湖北恩施生产的“恩施玉露”、江苏宜 兴生产的“阳羡茶等。 ( 4 ) 晒青绿茶 晒青绿茶是用日光进行干燥的绿茶类型。目前的晒青茶主要被用作紧压茶的 原料，其中以普洱茶最为著名，“普洱沱茶”、“普洱饼茶 等紧压茶大部分均采 用晒青茶经再加工压制而成。 2 红茶 红茶是世界上消费量最多的茶类，占世界茶叶消费总量的7 0 以上。红茶 的品质特征是干茶色泽乌黑油润，冲泡后红汤红叶。红茶制作的工艺特点是，加 工时不对鲜叶进行杀青而进行萎凋，并在揉捻( 切) 后进行发酵和干燥。通过发 酵使加工叶变红，形成红茶的特征，发酵是红茶加工的关键工序。红茶从外形上 说，可分为条形红茶和红碎茶，在条形红茶中又有小种红茶和功夫红茶等。 3 青茶( 乌龙茶) 青茶( 乌龙茶) 是我国特有的茶类，属半发酵茶。 其工艺特征是：加工过程中有做青工序，即鲜叶萎凋后要进行反复多次的摇 青，使叶边受伤发酵变红，叶片中间保持绿色。 成茶品质特征是：外形条索粗壮，茶汤金黄清澈，香气馥郁芬芳，叶底绿叶 红镶边。 我国的青茶主产于福建、广东与台湾，有闽南青茶、广东青茶和台湾青茶之 分。 浙江工业大学硕上学位论文 4 白茶 白茶是我国的特产，加工时不炒不揉，或晒干或烘干，其表面因此满披白色 茸毛，为轻微发酵茶。主要特征是毫色银白，有“绿装素裹”之美感，芽头粗壮， 汤色黄亮较浅，滋味鲜醇，叶底嫩匀。 5 黄茶 黄茶是在加工过程中应用闷黄工序，使成品茶形成黄叶黄汤的茶类。黄茶主 要产于安徽、湖南、四川、浙江、广东、湖北等省。 6 黑茶 黑茶是一种原料粗老、加工过程中堆积发酵时间较长、成品茶色呈油黑或黑 褐的茶类。通常作为再加工茶紧压茶的原料。其主产于湖南、湖北、广西、云南 等地。有时将普洱茶也列入黑茶范围，但茶叶界有不同看法。 1 3 茶叶加工的主要工序 茶树收获所采下的是鲜叶，如不及时加工，就会因变质而失去应用价值。鲜 叶也只有通过加工，才能使叶内的水分逐步蒸发而形成干茶，才可贮藏和保存。 品质良好的鲜叶，通过先进的科学技术加工而使香气成分逐步优化，成为具有良 好色、香、味、形的成品茶，既满足了市场消费需求，也为茶业企业带来良好的 经济效益。 随着现代科学的不断发展，近年来茶叶的加工技术日趋先进，特别是机电一 体化、计算机与自动控制、酶膜工程和现代保鲜等高新技术在茶叶加工中的普遍 应用，使各种新型茶产品不断涌现，各类茶叶深加工产品的开发和生产势头也日 益迅猛，为茶叶加工升值创造了更为良好的条件。 1 3 1 绿茶加工主要工序 绿茶是世界上出现最早的茶类，名目繁多。但所有绿茶的初制加工工艺过程 都包括杀青、揉捻、干燥三个主要工序。这些工序的不同搭配，便形成了不同的 绿茶产品类型。 1 杀青 杀青，是绿茶加工的第一道工序，也是绿茶品质形成的关键工序。 ( 1 ) 杀青目的 4 浙江工业火学硕l 学位论文 杀青的目的一是利用高温钝化鲜叶中酶的活性，从而制止鲜叶中茶多酚的酶 促氧化，使加工叶保持色泽绿翠；二是利用叶温的升高，促进鲜叶中内含成分的 转化，散发青臭气，发展香气；三是蒸发部分水分，使叶质柔软，韧性增加，便 于下一工序的揉捻成条和做形。 ( 2 ) 杀青方法 目前，绿茶杀青的常用方法有炒青、蒸青和捞青三种，以炒青方法最为常用。 蒸汽杀青方法我国在唐代以前普遍使用，后来逐渐被炒青方式所代替。但是这种 杀青方式在唐代由我国传入日本，而在日本的绿茶加工中一直应用至今。近几年， 为了生产出口日本的绿茶和试图改善我国绿茶色泽，我国部分茶区又在重新开始 试验应用蒸汽杀青。捞青方法只在低咖啡因绿茶加工和一些保健茶加工中应用。 我国绿茶的杀青作业，除了少数名优茶尚保留手工杀青外，大多数已采用机 械杀青。 2 揉捻 在绿茶加工中，除少数名优绿茶的揉捻是结合做形和干燥工序进行外，一般 都是加工过程中不可缺少的工序。 ( 1 ) 揉捻目的 通过揉捻，卷起茶条，初步形成条索，缩小体积，为成茶的美观外形奠定基 础；同时，适当破坏杀青叶的叶细胞组织，部分茶汁流出附于茶条表面，使成茶 冲泡时茶汁较容易泡出。 ( 2 ) 揉捻方法和技术 绿茶加工中的揉捻作业，有手工揉捻和机械揉捻两种揉捻方法。目前除一些 名优绿茶加工尚少量保留手工揉捻外，绝大多数己实现机械化作业。 3 干燥 干燥是绿茶初制加工的最后一道工序。 ( 1 ) 干燥目的 绿茶加工中干燥的目的：一是为进一步蒸发去除茶叶中的水分，使成茶的含 水率达到规定的标准之内，以便贮存和保管；二是通过干燥过程，使加工叶进一 步成形，而叶内的化学成分将继续发生热物理和化学变化，最后形成并固定绿茶 所特有的色、香、味、形。 5 浙江工业人学硕：学位论文 ( 2 ) 干燥方法 绿茶的干燥方法较多，同时所应用的炒干机械和烘干机械的类型也较多。最 常用的有炒干、烘干及烘炒结合等方法。目前，除少部分名优绿茶尚保留手工在 加热的炒叶锅内或用烘笼进行干燥外，大部分绿茶( 包括大部分名优绿茶) 的干 燥作业，均已应用机械操作进行。 1 3 2 红茶加工主要工序 功夫红茶、红碎茶和小种红茶制法大体相同，都有萎凋、揉捻( 切) 、发酵、 干燥四个工序。 1 萎凋 这是红茶加工的第一道工序，是指在一定环境条件下，应用一定设备，使鲜 叶水分逐渐蒸发，体积缩小，叶质变软，酶活性增强，引起多酚类等内含成分发 生轻度氧化的过程。它为形成红茶特有的色、香、味品质奠定了基础。 2 揉捻( 切) 揉捻( 切) 是红茶加工不可缺少的工序。通过揉捻( 切) ，萎凋叶缩成条索 ( 或颗粒) ，并在逐渐卷缩成条或被切碎的同时，其叶细胞组织也被不断破坏， 而挤出茶汁，经与空气接触发生氧化反应，开始发酵过程。 3 发酵 发酵是红茶加工不可缺少的关键工序。发酵过程中，揉捻( 切) 叶内的酶活 性增强，多酚类等内含成分发生强烈氧化，使之形成较多茶黄素、茶红素和香气 物质，使叶色变红。它是形成红茶色、香、味品质特征的关键技术。 4 干燥 干燥是红茶加工的最后一道工序，目的是使发酵良好的加工叶在高温热风条 件下充分排湿，得到干燥，迅速终止酶的活性，固定叶内品质成分，发挥香气。 1 3 3 乌龙茶( 青茶) 加工主要工序 闽北乌龙( 武夷岩茶) 的制法原来是手工操作，工序繁杂。随着乌龙茶加工 机械化的实现，工艺也相应简化，包括萎凋、做青( 摇青) 、炒青( 杀青) 、揉捻、 干燥( 分毛火、足火两个阶段) 等五道工序。 1 3 4 黑荼加工主要工序 普洱茶的制造工艺是先经杀青、揉捻、晒干制成晒青毛茶滇青，而后经 6 浙江t 业大学硕上学位论文 洒水渥堆、晾干、筛分制成普洱茶。 1 4 国内外茶叶加工技术的发展及现状 1 4 1 国外茶叶加工技术的发展及现状 茶叶原产于中国，后逐步传播于世界，当前世界上有5 0 多个国家种茶和产 茶，1 6 0 多个国家饮茶。它们的种茶和茶叶加工技术以及饮茶习俗，均系从我国 直接或间接传去。早在唐代的公元8 1 5 年，茶树种植技术就由我国传到日本，绿 茶蒸青加工技术也同时传去，被同本人一致延用至今，并在此基础上不断改进完 善，研制出一整套蒸青煎茶加工技术，还实现了现代化的生产线加工。1 9 世纪 上半叶，中国茶树种植和条形红茶加工技术先后传到印度尼西亚、印度、斯罩兰 卡和苏联( 今独联体诸国) 。这些国家在茶树种植初期均应用从我国传去的技术 和方法，进行茶树栽培管理和茶叶加工，甚至直接从中国聘请茶叶技师传授茶叶 种植和加工技术。在此基础上，这些种茶国家经过不断的实践和研究，尤其是通 过对机制茶叶的开发( 如揉捻机和烘干机等茶叶加工机械的发明) ，至1 9 世纪后 半叶红茶加工方法开始从条形茶向着切碎红茶方向发展。由于这种茶为碎颗粒形 状，内含成分在冲泡时容易溶出，在茶汤中加入牛乳后风味和汤色不会变淡，很 适合西方人的饮用习惯，很快风行世界。红碎茶自出现以来，经历了盘式揉切机、 转子揉切机和c t c 等阶段的揉切技术改进，品质更为优异。2 0 世纪中后期，茶 树种植和红碎茶加工技术传入非洲等地( 如肯尼亚等产茶国) ，红碎茶生产采用 了最先进的c t c 加工技术，茶厂及其生产线设计尤为先进，加工出的红碎茶品 质良好，在世界茶叶市场上具有很高的信誉。 1 4 2 国内茶叶加工技术的现状 2 0 世纪5 0 年代以来，尤其是进入8 0 年代以来，我国的茶叶加工技术快速 向着机械方向发展，各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。 到目前为此，我国的大宗茶已有9 0 实现了机械化加工，名优茶也有5 0 以上 的加工实现了机械化。【1 0 】 近年来，在制茶机械自动控制方面也有所突破，如以继电器为基础控制元件 的自动控制技术在匀堆拼配设备中应用；机电控制系统在揉捻机上的应用；1 9 8 7 7 浙江- t 业火学硕上学位论文 年通过部级鉴定的“计算机控制茶叶烘干机，及在乌龙茶做青工艺中的应用；圆 电脑控制型龙井茶炒制机的研制成功等，u 。这些研究成果对我国茶叶机械的自动 化和连续化必将起劲推动作用。小9 1 我国制茶机械化作业技术虽然取得了长足的发展，但制茶机械的自动化和连 续化程度仍然较低，与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距。食品工业生 产技术的发展过程大体要经历五个阶段，即机械化阶段、初级自动化阶段、自动 控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段( 无人化阶段) 。目前国内食品加工技术 已处于第四阶段，国外茶叶加工已进人第三、第四阶段，如日本蒸青茶生产线和 英国c t c 生产线。而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段，个别单机或生产线 处于第二阶段，与国外相比尚存在巨大的差距。5 1 8 1 1 5 课题的来源 1 9 9 4 年8 月，中央决定，在“九五”期间，国家安排专款用于引进国际先 进农业科学技术，每年实施一批项目。引进技术所需用于消化、吸收和推广的经 费，中央单位承担的项目由中央财政解决，地方单位承担的项目由地方财政配套。 这就是9 4 8 项目。最近，国务院再次决定，在“十一五”期间，中央财政每年 将投资2 亿元，继续执行“9 4 8 ”计划。【o j 由中国农业科学院茶叶研究所承担的农业部9 4 8 滚动项目茶叶标准化生产 关键技术引进、消化与创新研究于2 0 0 6 年j 下式启动。【，1 该项目称：“我国的茶 叶加工技术水平与装备多年以来没有重大改进，总体上还处于传统农副产品初级 加工，加工的机械化、自动化程度低，质量管理与品质控制仅凭人工经验和常规 的审评与理化检验来保证，与全程清洁化生产、机械化加工和自动化控制的世界 先进水平差距甚远。针对我国不同茶叶生产过程的特色和上述主要问题，引进一 批世界先进水平的种植和加工技术、理念、设备和装置等，在消化吸收的基础上， 结合必要的创新研究，整合过去几十年来提出的成熟技术成果，力求改善加工设 备的自动化和智能化程度，提升加工的工艺水平，提出我国绿茶( 名优绿茶、大 宗绿茶) 、c t c 红茶和乌龙茶的标准化加工工艺参数，研制出茶叶加工关键设备 8 浙江1 二业人学硕上学位论文 的自动控制装置和生产线自动控制系统，研制出茶叶加工智能化专家咨询系统。 本课题是该滚动项目的一部分，其技术目标是实现6 c r 一5 5 型茶叶揉捻机的 工作压力、时间、转速和上、下叶的自动控制。 1 6 本文的主要工作 本课题的主要研究内容包括： 1 从理论上深入分析茶叶揉捻原理，并制定适合茶叶揉捻机自动控制加工 的茶叶加工工艺； 2 根据原有6 c r 一5 5 型茶叶揉捻机的结构特点，制定出相应的茶叶揉捻机 自动控制系统总体设计方案； 3 根据性价比，先性能后价格的原则，配置硬件并完成硬件间的连接； 4 设计开发适合实际作业需要的软件系统： 5 对改造完成的6 c r 一5 5 型茶叶揉捻机自动控制系统的运行情况进行测试， 对其结果进行分析，并根据结果修改软件和工艺参数。 9 浙江t 业大学硕上学位论文 第二章揉捻加工分析及自动控制总体方案研究 2 1 茶叶揉捻加工基本原理 所谓揉捻( 似i s t i n g ) ，是运用搓揉方法破坏茶叶的组织细胞，挤出茶汁，使 叶片成条的茶叶初制工序【1 1 1 。即用揉和捻的方法使茶叶面积缩小卷成条形，通称 条茶。揉捻是初步做形，除了白茶类和绿、黄茶中有些不要揉捻外，一般在制茶 过程中都有揉捻工序。鲜叶直接揉捻是不能成条的。因其物理性能硬、脆。揉捻 是力的作用，如果用力不当，也不能成条。下面将着重阐述这两个问题【1 2 1 。 2 1 1 揉捻与叶子的物理性能 揉捻力作用于叶子使之变形。揉捻质量首先决定于揉捻叶的物理性能。要求 揉捻叶柔软性好，受力容易变形。韧性好，受力变形而不折断。可塑性好，受力 变形后不容易恢复原来形状。还有粘性好，与可塑性直接相关。 揉捻叶水分含量与叶子物理性能，如柔软性、韧性、可塑性、粘性呈一曲线 关系。鲜叶水分多，细胞膨胀，这四种物理性能都较差。随着水分的减少，这些 物理性能增强，一般含水量5 0 左右，这些物理性能最好。随着水分的继续减少， 物理性能随之下降，从叶子含水量可以大约估计叶子的物理性能。 叶子失水过程的不均匀，梗的含水量较叶子多，叶尖、叶缘较叶子基部少， 实际生产技术掌握的水分标准为平均水分，均比5 0 这个数字大，一般是6 0 左右。萎凋工序有“老叶嫩萎凋”，杀青工序有“老叶嫩杀”的操作规定，这里 的“嫩 均指作为适度的含水量指标，老叶比嫩叶高。这里的“老叶 指鲜叶质 量，包括嫩度、柔软度较差的叶子。 揉捻叶的叶温与叶子的物理性能也有一定的相关性。叶温高，内含物质的分 子结构松懈，叶子的柔软性、韧性和可塑性都增强。特别是老叶纤维素含量多， 柔软性和可塑性较差。叶温高对老叶的这些物理性能的增大显著。所以质量较老 的叶子多采用“热揉”。 热揉的叶温较高，叶子内含物的变化是很激烈的。制红茶，揉捻丌始，“发 酵”作用丌始。揉捻叶温度直接影响“发酵”作用，影响制茶品质。制绿茶、黑 茶、黄茶、青茶等茶类热揉的化学变化，实质是湿热作用。湿热作用对绿茶品质 1 0 浙江丁业人学硕1 二学位论文 不利。热揉对制绿茶有利外形，不利内质。制绿茶应用热揉技术，要具体情况具 体分析。一般热揉要与短揉相配合。 揉捻方法，除了一些著名绿茶采用手揉外，大量的是采用机揉。机揉设备的 装叶量依揉桶的大小而异，由几十斤到一百多斤不等，为手揉量的几十倍到几百 倍。机揉比手揉工效大为提高。揉捻时间，手工5 1 0 m i n ，而机揉要2 0 1 0 0 m i n 。 一般装叶量越多，揉时越长。从最长揉时算，机揉比手揉多1 0 倍。机揉叶量多， 揉捻时间长，散热比手揉慢( 水分的散失也较手揉少) 。机揉的揉捻叶的化学变 化比手揉多。假如热揉用于手揉并不影响到茶叶的色香味品质，而用于机揉，茶 叶色香味品质就要改变。所以用于绿茶的揉捻机，揉桶不宜太大。 叶子的嫩度不同，不仅是内含物的含量不同，其内含物的化学稳定性也不一 样。如嫩叶比成熟叶的叶绿素容易破坏。嫩叶热揉其色泽容易变黄，产生低闷的 气味。热揉多用于老叶，尤其是机揉的热揉更是如此。 揉捻过程的化学变化，并不是对任何茶类的制茶品质都不利，如黄茶类、黑 茶类等的品质形成，正需要加强这种化学变化湿热作用。 热揉和冷揉，都具有其对品质有利的一面，也有其不利的一面，要发挥其有 利方面，限制其不利方面。新的揉捻设备的研究除了效率外，应考虑到叶温、叶 量和揉时等因素，才能生产出外形和内质兼优的产品。 2 1 2 揉捻叶成条过程 揉捻叶成条不光是垂直于叶子的平压力，这种平压力只能使叶子压扁，不能 使之成条。必须是两个以上的力，作用于松散的叶团，才能使叶团滚动，叶团内 部叶子四周受到挤压力，发生皱褶，由于主脉硬度较大，叶片皱褶的纹路，基本 上与主脉平行，并向主脉靠拢。再之，由于皱褶，叶子弯曲受力细胞组织破裂， 便增加叶质柔软性和可塑性。同时茶汁混和，增加叶子粘性。这些都为成条创造 了更有利条件。每张叶片皱褶纹路越多，越有可能揉捻成紧条。 揉捻的第一阶段叶团，需要获得压力，但加上叶团的压力不宜太大。压力太 大，叶子受单方面力的作用而叠起来。韧性较差的叶子容易在叠褶处断裂成碎片。 已叠合的叶片，要使之卷曲成条就十分困难。揉捻的丌始阶段应注意掌握轻压力。 随着揉捻叶皱褶纹路增多，柔软性、可塑性和粘性增大，体积缩小，再逐渐 加大压力。一方面使叶子皱褶得更好、纹路更多，形成粗条形。另一方面，叶与 浙江t 业大学硕上学位论文 叶之间的摩擦力增大，叶子不同部位所受的摩擦力不同，运动的速度也不一样而 产生扭力，于是粗条经扭力作用扭卷成紧条。 嫩叶柔软性好，粘性又大，可能不经过皱褶而直接扭卷成紧条。条索越紧， 粘性越大，摩擦力也越大，所产生的扭力也越大。再继续加压力揉捻，嫩叶的条 索就可能断碎。这时应停止揉捻，用解决筛分方法将已成紧条的嫩叶分离出来。 条索仍然粗松的较老叶子，继续进行第二次揉捻，并加大压力，以适应弹性较大 的较老叶子，使叶子进一步皱褶、变形、扭卷成紧条。 柔软性、粘性大的叶子在揉捻过程中，容易几个叶片或叶条粘连一起，并滚 转成团块。团块在压力下越滚越紧。这些团块在干燥中水分不容易蒸发，贮存过 程容易发霉变质、影响整批茶叶质量。在干燥时将团块解散，这时条索粗松，有 的不成条形，也影响茶叶外形。对这种叶子，在揉捻过程的加压中，要结合几次 松压。即加压几分钟，发现有团块可能形成，就要及时去除压力，使还是松的团 块在揉桶运动的冲力下解散，松压几分钟后又接着加压力。有的情况是，松压措 施仍不能彻底解散团块，揉捻一定时间后还要解块，有的结合筛分进行解块。 解决技术措施在解散团块的同时，会抖松条索，影响条索紧度。实际应用时 要注意，不需解散团块的就不要解块。 炒青绿茶注重外形，条索要圆直、紧结、整齐，主要是在揉捻后炒焓过程中 完成的，与揉捻关系不很大，但是揉卷成条是炒焓整形的良好基础，也是必要的。 揉捻促进细胞内含物的混合作用，引起复杂的化学变化，与茶汤色味浓淡也有一 定关系。但是揉捻时间短，程度轻，内质变化不大。 2 1 3 揉捻技术要求与分析 炒青绿茶外形要求是五要五不要：一要叶条，不要叶片；二要圆条，不要扁 条：三要直条，不要弯条；四要紧条，不要松条；五要整条，不要碎条。这五对 矛盾，相互联系，相互影响，无不在一定条件下转化。要抓住叶片与叶条的主要 矛盾，其他矛盾就容易解决。 转化的条件主要是力的作用。力的作用有轻与重、用力时间长与短、次数多 与少、早与迟的矛盾。这些矛盾也是相互联系、相互影响的，根据叶质和叶量的 不同而变化。要抓住轻与重的主要矛盾，其他矛盾也就迎刃而解。要解决这些矛 盾须反复实践，逐步提高认识，才能做到五要五不要。 1 2 浙江工业人学硕上学位论文 力的作用力分摩擦力和压力。摩擦力使叶子顺主脉卷转为椭圆螺形。压力 是增大摩擦力。使叶子快速成条而卷紧。要做到五要五不要，就要摩擦力与压力 巧结合。先使用摩擦力，后使用压力，再使用摩擦力。先使用摩擦力，使叶子大 部分初步卷转成叶条。后使用压力加大摩擦力，使叶子大部分卷成条索。去掉压 力，再使用摩擦力，主要使叶团松丌，叶汁内渗，避免叶汁流失。如先使用压力 容易产生扁条，不能揉成圆条。后使用压力，使叶条收缩，挤出叶汁。叶汁挤出 后，去掉压力，再使用摩擦力，叶条松开，叶汁回渗。这样解决圆条与扁条、茶 汤浓与淡的矛盾。 加压力的原则加压力是解决外形的技术措施，要先轻后重再轻，加压与放 压相结合。加压与放压的时间比例是2 比l ，如加压1 0 m i n ，放压5 m i n ；或3 比 l ，如加压1 5 m i n ，放压5 m i n ，这样才能解决圆与扁、紧与松、整与碎的矛盾。 如加压不放压，就不能达到五要求。 先轻压才不会压扁。只是轻度加大摩擦力，加速叶子卷转，初步把叶片揉成 圆形叶条。轻压放压后，加重压，加大摩擦力使叶条在圆而松的状态下，逐渐卷 成紧条。 叶条在重压揉捻条件下，揉成叶团，如果成团的叶条，不能再揉紧，不成团 的叶条继续揉紧，揉捻就不均匀。同时叶条缩紧，叶汁大部分挤出，如不放压， 叶汁流失，茶汤淡薄。叶汁大部分挤出后，叶条干硬，重压揉捻，就容易揉成碎 片。因此，重压后就要放压，叶团就不会愈揉愈紧，叶汁内渗也不会流失，进一 步解决浓与淡的矛盾。 放压后再加压，不但不会叶团愈揉愈紧，而且叶团才不会松开而不起揉紧作 用。同时未成团的叶条不会揉过紧而容易破碎。最后轻压也同样要放压，就是以 不加压的摩擦力结束揉捻过程。但是粗老叶例外，重压揉捻到结束。 1 加压技术 加压有压力轻重之分。轻压与重压是相对而言的。加压大条索紧结，加压小 条索粗松。压力过大，叶条不圆而碎，揉捻不灵活；压力过小，叶条粗而松，甚 至达不到揉捻的目的。叶嫩而少，加压力轻；叶老不论多少，加压力都要重些。 无论轻压或重压都有时间长短的矛盾。加压时间过长，叶条扁而碎；加压时 间过短，叶条松而粗。一般分5 m i n 、7m i n 、1 0m i n 、1 5 m i n 、2 0m i n 等五档。 浙江工业大学硕j ：学位论文 嫩叶短，老叶长；叶量少短，叶量多长；粗老叶量少也短些。 加压时间长短，又与加压次数多少交叉关系。加压次数多，时间短；次数少， 时间长。加压次数多少，又与叶质老嫩和叶量多少交叉有关。叶嫩而少，次数少， 每次的时间长些，叶老而量多，次数多，每次的时间短些。次数至少轻重二次， 至多轻、重、较重、重、轻五次。 加压有迟与早之别。过早叶条压扁不圆，过迟叶条松而不紧。叶嫩而量多迟 些，叶老而量少早些。 总之，加压大小、时间长短和次数多少，以及加压早迟，是依叶质和杀青程 度以及揉捻时间的不同而不同。简单说，嫩叶加压轻，次数少，时间短，加压迟 些，老叶则相反。揉捻时间长，加压全程时间也长，加压次数多些，加压总重大 些。 2 揉捻机的影响 揉捻机的转速，应掌握先慢后快再慢的原则。先慢才不会使叶条揉碎，也 不会因热揉或摩擦发热叶温过高，而使叶质起不良的变化。后快，叶条卷转成螺 旋形的可能性就越大，可以使叶条卷得很紧。再慢，可使结团叶条松开，使未揉 到的叶条进一步成圆直的叶条。 揉盘的棱骨构造，与揉成条索很有关系。棱骨弧形底而宽的适合揉细嫩鲜叶， 揉粗老叶不易成条。弧形高而狭的适合揉粗老鲜叶，揉细嫩叶容易揉碎。最好揉 捻机揉盘棱骨有活动装置，以适应叶质老嫩不同的要求。 2 1 4 揉捻的技术措施 绿茶要热揉与红茶要冷揉不同。热揉叶软容易成条，而不象红茶引起不良的 变化。一因叶量少、时间短，摩擦发生热量不大，叶温上升不高，内质变化不大。 二是由于高温杀青，酶的活化己完全或大部分破坏，酶促作用已制止，就是没有 破坏完全的残余酶的催化作用不大，不致改变品质。 冷揉，水分蒸发减少，叶质稍硬化，就较难揉成紧条。并且炒后久置不揉， 也会变色和散失香气。 热揉，要有相应的条件配合，特别是机揉。一是杀青要杀透杀均匀，二是叶 量宜少、揉速宜慢、时间宜短，加压力宜小。如配合不好，就产生红梗红叶。 现用揉捻机，一桶要几锅杀青叶完全相同，事实上困难很多，不能同时杀青， 1 4 浙江工业大学硕上学位论文 同时投入。杀青时间很短，揉捻时间长，常杀青叶多，揉捻来不及，不能热揉， 就要冷揉。 冷揉条件：一是杀青要杀熟杀透；二是杀青叶摊放很薄，摊放不能过久；三 是揉捻时间也不要过长，要防止因杀不熟而发黄。 绿茶揉捻具体要求：一是绿茶冲泡次数多，茶汁不要全部挤出，细胞组织不 要全部破坏，破坏率4 5 6 5 ：二是要揉成圆直紧结、整齐的条索。 揉捻不足，滋味和色泽都较淡薄，不能形成紧结条索。揉捻过度，茶汁完全 挤出，有些黄酮类化合物自动氧化，茶汤不清，揉碎芽叶。炒绿揉捻技术具体掌 握如下： 1 看叶质来决定揉叶量 首先看鲜叶，细嫩的多些，粗老的少些。其次看杀青叶，杀青时间短，含水 量较多，不宜过多，避免外形弯曲。 2 看揉叶量来决定揉捻时间 揉叶量多就长，揉叶量少就短。 揉叶量过多，揉捻时间过长，对香气有相当提高，但汤色叶底都不亮。过多 如果加大压力，不论时间长短都是条索碎细，下身茶较多。叶量过少，不论时间 长短，条索不是粗松，就是碎小。 3 揉捻时间决定揉捻程度和形状 时间长减少粗大茶条，但是断碎、叶尖折断，下身茶较多，形状不整齐。时 间短，条索不紧，碎么较少，头子茶增多。 4 揉捻快慢决定时间和形状 揉快易生碎片，芽尖易揉断，汤色混浊苦涩，色泽带红。揉慢延长时间，条 索难紧结。 5 解块与筛分 解块有决定外形的作用，使条索均匀，直而圆。筛分也有同样的作用，并使 嫩叶少揉而不断碎小，老叶多揉而条索紧结。两者配合，才能达到五要五不要的 要求。 叶子经过揉捻，有的顺主脉卷成圆直条，有的与主脉垂直卷转，或不圆而扁， 卷成团块，条索扁而不直。因此，解块筛分技术把成团的叶条抖开，筛出细叶和 1 5 浙江t 业大学硕上学位论文 碎片。同时使叶条伸直而不弯曲，并防止热揉叶温过高，引起叶质变化而泛红。 还可以把下面细嫩叶条分开，及时烘干，不会揉捻过度而断碎。 解块筛分次数，根据揉捻时间、叶质老嫩而定，一般是一二次。粗老叶比细 嫩叶次数少些。如叶条松散或粗老叶揉捻结束，就无需解块筛分。 解块筛分要迅速，否则水分散失过多，容易揉碎，尤其是粗老叶水分少，解 块筛分更要快些。杀青过老，水分少也要快些。 2 1 5 揉捻工段质量审评 揉捻技术好的条索，应是圆直整齐，扁曲碎片就不合要求。但是要揉卷很好， 与鲜叶形质和揉捻机棱骨构造都有很大关系。实际上要全部揉得很好，全部卷成 螺旋形，没有折叠是不可能的，也是做不到的。在生产实际中，只要有8 0 以上 成条，也就算揉好了。 揉不成条索，主要是揉速过快，或丌始就加压，或没有放压。扁条是加压过 早过大的毛病。弯条主要是解块不匀，或没有解块。松条主要是加压过迟过小， 或揉捻时间不够。碎条是加压过早过大、揉速过快、时间过长等等毛病。 2 1 6 揉捻技术与形质变化 揉捻主要是形态上和组织上的物理变化，化学变化是次要的。揉捻时间短， 程度很轻，质的变化不显著。叶子经过揉捻后，由于受到两个平面的摩擦压力， 就顺着主脉直卷为椭圆螺旋形的条索；如果与主脉垂直卷转，或卷不圆而扁，或 卷成圆块，都不合要求，但是要卷得很好，鲜叶和技术都要有相当条件。实际上 折叠的多，卷螺旋形的少，要全部卷得很好，更不可能。 软的幼嫩鲜叶，弹性不大，容易揉卷；硬的粗老鲜叶，弹性大，就不容易卷 成一定的形状。叶内水分过多，涨性大，水分少，干而硬，都不容易卷成所要求 的形状，而容易揉成碎片。至于卷条的松紧、曲直、粗细是与技术高低分不开的。 细胞破裂需要较大的压力。平面的摩擦压力是不能压破细胞的。当叶子在两 个平面之间，还有折叠的曲压力时，才能破坏细胞组织。在折叠曲压时，叶外表 层的细胞受到两面的拉力而使皮膜裂丌，使所含汁液流出叶面。 揉捻时间短，如茶汁没有流失，水分散失不大，最多不超过2 3 。例如2 2 的杀青叶含水量6 0 5 4 ，揉捻后水分含量减至5 8 1 6 ，也没有超过3 。 揉捻过程中，叶绿素减少不多，由杀青叶的o 9 5 减至0 8 l 。叶绿素a 破 1 6 浙江t 业火学硕上学位论文 坏比b 多，杀青叶a 比b 是4 o ，揉捻叶是3 7 。可溶性的氧化物变化不大。绿 茶揉捻越多，可溶性的氧化物( 指儿茶多酚类) 减少越多。第一次揉后是1 2 8 ， 第二次揉后1 2 3 ，第三次揉后1 2 2 。【1 3 1 使用揉叶不多的小型单动揉捻机，就会缩短揉捻时间，避免发生高温引起各 种不必要的化学变化而降低品质。由于揉叶量不多而时间短，揉捻技术影响炒青 绿茶的品质不大，较易掌握。 2 2 茶叶揉捻设备 茶叶揉捻机( t e at w i s t i n gm a c h i n e ) 是由揉桶与揉盘作相对回转运动而将 茶叶搓揉成条、挤出茶汁的机械。我国生产的茶叶揉捻机是茶机工业中较为成熟 的机种之一，也是第一个颁布部标准的茶机机种。第六代茶叶揉捻机产品系列统 一标注为“6 c r ”字样，“6 ”代表第六代，“c ”是“茶”字拼音第一个字母大写， “r ”是“揉”字拼音第一个字母大写。 2 2 1 茶叶揉捻机的分类 1 按运动形式可分为：【1 1 1 ( 1 ) 单动式茶叶揉捻机：揉桶作回转运动、揉盘不动。 ( 2 ) 双动式茶叶揉捻机：揉桶与揉盘均作回转运动。 2 按揉盘样式可分为： ( 1 ) 盘式 ( 2 ) 平板履带式 ( 3 ) 转子式 ( 4 ) 滚子式【1 4 】 3 按揉桶数量可分为【1 5 】： ( 1 ) 单桶式 ( 2 ) 双桶式 ( 3 ) 四桶式 4 按揉桶直径可分为： ( 1 ) 6 c r 一1 5 型 ( 2 ) 6 c r 一2 0 型 1 7 浙江工业大学硕f ：学位论文 ( 3 ) 6 c r 一3 0 型、 ( 4 ) 6 c r 一5 5 型 ( 5 ) 6 c r 一6 5 型 5 按加工的连续化程度可分为： ( 1 ) 非连续式 (