1、目錄 第一章 緒論1.1引言我國是茶葉的故鄉,具有悠久的茶葉種植、加工歷史,形成了各具特色的六大茶類 加工藝。茶葉加工機械經過長期的探索、發展,機械化程度大大提高,紅 (碎 茶加工已 基本實現機械化;炒青綠茶加工機械較完整、配套;珠茶加工,由于 60年代珠茶炒干機 的出現,極大地降低了勞動強度和提高了生產能力,茶機有力地促進了茶葉生產的迅速 發展。近年來我國在制茶機械自動控制方面也有所突破, 如以繼電器為基礎控制元件的自 動控制技術在勻堆拼配設備中應用;機電控制系統在揉捻機上的應用; 1987年通過部級 鑒定的“計算機控制茶葉烘干機”及在烏龍茶做青工藝中的應用;電腦控制型龍井茶炒 制機的研制成

2、功等, 圓這些研究成果對我國茶葉機械的自動化和連續化必將起到推動作 用。我國制茶機械化作業技術雖然取得了長足的發展,但制茶機械的自動化和連 續化程度仍然較低, ,與食品工業的機械化相比卻存在著較大的差距。食品工業生 產技術的發展過程大體要經歷五個階段,即機械化階段、初級自動化階段、自動 控制階段、數據化階段、高級自動化階段 (無人化階段 。目前國內食品加工技術 已處于第四階段,國外茶葉加工己進人第三、第四階段,如日本蒸青茶生產線和 英國 C 丁 C 生產線。而我國的制茶技術總體上仍處于第一階段,個別單機或生產線 處于第二階段,與國外相比尚存在巨大的差距。1.2課題來源目前,世界產茶發達國家茶葉

3、機械化生產發展速度很快,尤其是日本、印度、斯里 蘭卡等國家。我國南方產茶發達省份制茶也基本上實現了機械化,但是,在自動化水平 與國外同類裝備相比還存在較大的差異。近年來,綠茶加工的鮮葉攤放、殺青、冷卻和干燥等工序在一定程度上實現了連續 化流水作業,唯有殺青后的揉捻間歇作業如何實現連續化仍在探索中。浙江省和安徽省 分別就揉捻機技術進行了攻關,取得了一些成果,但揉捻機的自動化及適應性水平卻不 甚理想,揉捻質量也不穩定,制約著茶葉加工機械化、連續化流水作業的發展 。 1994年 8月,中央決定,在“九五”期間,國家安排?？钣糜谝M國際先農業科 學技術,每年實施一批項目。引進技術所需用于消化、吸收和推

4、廣的經,中央單位承擔 的項目由中央財政解決,地方單位承擔的項目由地方財政配套。就是 948項目。最近, 國務院再次決定,在“十一五”期間,中央財政每年投資 2億元,繼續執行“ 948”計 劃。由中國農業科學院茶葉研究所承擔的農業部 948滾動項目 茶葉標準化生產鍵技術 引進、消化與創新研究于 2006年正式啟動。該項目稱 :“我國的茶加工技術水平與裝 備多年以來沒有重大改進,總體上還處于傳統農副產品初級工,加工的機械化、自動化 程度低,質量管理與品質控制僅憑人工經驗和常規審評與理化檢驗來保證,與全程清潔 化生產、機械化加工和自動化控制的世界進水平差距甚遠。針對我國不同茶葉生產過程 的特色和上述

5、主要問題, 引進一世界先進水平的種植和加工技術、 理念、 設備和裝置等, 在消化吸收的基礎上,合必要的創新研究,整合過去幾十年來提出的成熟技術成果,力 求改善加工設的自動化和智能化程度,提升加工的工藝水平,提出我國綠茶 (名優綠茶、 大綠茶 、 CTC 紅茶和烏龍茶的標準化加工工藝參數, 研制出茶葉加工關鍵設備自動控制 裝置和生產線自動控制系統,研制出茶葉加工智能化專家咨詢系統。 ”本課題是該滾動 項目的一部分,其技術目標是實現 6CR 一 55型茶葉揉捻機的作壓力、時間、轉速的自 動控制。1.3本文主要工作本課題的主要研究內容包括 :1.從理論上深入分析茶葉揉捻原理, 并制定適合茶葉揉捻機自

6、動控制加工的茶葉加 工工藝 ;2.根據原有 6CR 一 55型茶葉揉捻機的結構特點,制定出相應的茶葉揉捻機自動控制 系統總體設計方案 ;3.設計開發適合實際作業需要的軟件系統 ;4. 對改造完成的 6CR 一 55型茶葉揉捻機自動控制系統的運行情況進行測試,對其結 果進行分析,并根據結果修改軟件和工藝參數。 第二章 揉捻加工分析及自動控制總體方案確定2.1揉捻揉捻是制茶重要的加工工序。其作用主要是破壞茶葉細胞、揉出茶汁,使沖泡的 茶水滋味濃烈醇厚,并使茶葉初步成形。因此,揉捻是影響茶葉外形質量的主要工序, 也是奠定茶葉耐泡度的關鍵環節。(1揉捻目的通過揉捻,卷起茶條,初步形成條索,縮小體積,為

7、成茶的美觀外形奠定基礎 ; 同 時,適當破壞殺青葉的葉細胞組織,部分茶汁流出附于茶條表面,使成茶沖泡時茶汁較 容易泡出。(2揉捻方法和技術綠茶加工中的揉捻作業,有手工揉捻和機械揉捻兩種揉捻方法。目前除一些名優綠 茶加工尚少量保留手工揉捻外,絕大多數己實現機械化作業。2.2茶葉揉捻加工基本原理目前,茶葉的揉捻原理基本相同,均是讓殺青(或萎凋葉團在揉桶中做勻速平行 圓周運動,受到揉桶、壓蓋、揉盤、棱骨及葉團自身的多方向力的復合作用,使其沿各 自葉片主脈搓揉成緊結圓渾的條索狀,同時將葉細胞破碎。揉捻是初步做形,除了白茶 類和綠、黃茶中有些不要揉捻外,一般在制茶過程中都有揉捻工序。鮮葉直接揉捻是不 能

8、成條的。因其物理性能硬、脆。揉捻是力的作用,如果用力不當,也不能成條。下面 將著重闡述這兩個問題。揉捻的作用就是是揉捻力作用于葉子使之變形從而達到破壞茶葉細胞、揉出茶汁, 使沖泡的茶水滋味濃烈醇厚,并使茶葉初步成形。而揉捻質量首先決定于揉捻葉的物理性能。要求揉捻葉柔軟性好,受力容易變形。 韌性好, 受力變形而不折斷。 可塑性好, 受力變形后不容易恢復原來形狀。 還有粘性好, 與可塑性直接相關。揉捻葉水分含量與葉子物理性能,如柔軟性、韌性、可塑性、粘性呈一曲線關系。 鮮葉水分多,細胞膨脹,這四種物理性能都較差。一般含水量為 50%的時候葉子的物理 性能最好,否則增加或減少都會使葉子的物理性能變差

9、。揉捻葉的葉溫與葉子的物理性能也有一定的相關性。葉溫高,內含物質的分子結構 松懈,葉子的柔軟性、韌性和可塑性都增強。特別是老葉纖維素含量多,柔軟性和可塑 性較差。 葉溫高對老葉的這些物理性能的增大顯著。 所以質量較老的葉子多采用 “熱揉” 。 熱揉的葉溫較高,葉子內含物的變化是很激烈的。制紅茶,揉捻開始, “發酵”作 用開始。揉捻葉溫度直接影響“發酵”作用,影響制茶品質。制綠茶、黑茶、黃茶、青 茶等茶類熱揉的化學變化,實質是濕熱作用。濕熱作用對綠茶品質不利。熱揉對制綠茶 有利外形,不利內質。制綠茶應用熱揉技術,要具體情況具體分析。一般熱揉要與短揉 相配合。揉捻方法,除了一些著名綠茶采用手揉外,

10、大部分的是采用機揉。機揉設備的裝葉 量依揉桶的大小而異,由幾十斤到一百多斤不等,為手揉量的幾十倍到幾百倍。機揉比 手揉工效大為提高。 揉捻時間, 手工 5一 IOmin , 而機揉要 20一 l00min 。 一般裝葉量越多, 揉時越長。從最長揉時算,機揉比手揉多 10倍。機揉葉量多,揉捻時間長,散熱比手揉 慢 (水分的散失也較手揉少 。機揉的揉捻葉的化學變化比手揉多。假如熱揉用于手揉并 不影響到茶葉的色香味品質,而用于機揉,茶葉色香味品質就要改變。所以用于綠茶的 揉捻機,揉桶不宜太大。葉子的嫩度不同,不僅是內含物的含量不同,其內含物的化學穩定性也不一樣。如 嫩葉比成熟葉的葉綠素容易破壞。嫩葉

11、熱揉其色澤容易變黃,產生低悶的氣味。熱揉多 用于老葉,尤其是機揉的熱揉更是如此。揉捻過程的化學變化,并不是對任何茶類的制茶品質都不利,如黃茶類、黑茶類等 的品質形成,正需要加強這種化學變化濕熱作用。熱揉和冷揉, 都具有其對品質有利的一面, 也有其不利的一面, 要發揮其有利方面, 限制其不利方面。 新的揉捻設備的研究除了效率外, 應考慮到葉溫、 葉量和揉時等因素, 才能生產出外形和內質兼優的產品。 揉捻葉成條必須是兩個以上的力,作用于松散的葉團,才能使葉團滾動,葉團內部 葉子四周受到擠壓力,發生皺褶,由于主脈硬度較大,葉片皺褶的紋路,基本上與主脈 平行,并向主脈靠攏。然后,由于皺褶,葉子彎曲受力

12、細胞組織破裂,便增加葉質柔軟 性和可塑性。同時使茶汁混和,增加葉子的粘性。這些都是葉子成條的有利條件。葉片 上的皺褶紋路越多,越能揉捻成緊條。揉捻的開始階段應注意掌握輕壓力。因為揉捻的第一階段葉團,需要獲得壓力,但 加上葉團的壓力不宜太大。壓力太大,葉子受單方面力的作用而疊起來。韌性較差的葉 子容易在疊褶處斷裂成碎片。加入葉片已疊合,要使葉片卷曲成條就十分困難。揉捻的 開始階段應注意使用輕壓力。隨著揉捻葉皺褶紋路增多,柔軟性、可塑性和粘性增大,體積縮小,再逐漸加大壓 力。一方面使葉子皺褶得更好、紋路更多,形成粗條形。另一方面,葉與葉之間的摩擦 力增大,葉子不同部位所受的摩擦力不同,運動的速度也

13、不一樣而產生扭力,于是粗條 經扭力作用扭卷成緊條。嫩葉與老葉的揉捻區別;如下表:表 2.1 嫩葉與老葉的揉捻區別 柔軟性、粘性大的葉子在揉捻過程中,容易幾個葉片或葉條粘連一起,并滾轉成團 塊。團塊在壓力下越滾越緊。這些團塊在干燥中水分不容易蒸發,貯存過程容易發霉變 質、影響整批茶葉質量。在干燥時將團塊解散,這時條索粗松,有的不成條形,也影響茶葉外形。對這種葉 子,在揉捻過程的加壓中,要結合幾次松壓。即加壓幾分鐘,發現有團塊可能形成,就 要及時去除壓力,使還是松的團塊在揉桶運動的沖力下解散,松壓幾分鐘后又接著加壓 力。有的情況是,松壓措施仍不能徹底解散團塊,揉捻一定時間后還要解塊,有的結合 篩分

14、進行解決。解決技術措施在解散團塊的同時, 會抖松條索, 影響條索緊度。 實際應用時要注意, 不需解散團塊的就不要解塊。炒青綠茶注重外形, 條索要圓直、 緊結、 整齊, 主要是在揉捻后炒燴過程中完成的, 雖然與揉捻關系不是很大,但是揉卷成條是炒焙整形的良好基礎,也是必要的。揉捻促 進細胞內含物的混合作用,引起復雜的化學變化,與茶湯色味濃淡也有一定關系。但是 揉捻時間短,程度輕,內質變化不大。炒青綠茶的外形要求很苛刻是五要五不要 :一要葉條,不要葉片 ; 二要圓條,不要扁 條 ; 三要直條,不要彎條 ; 四要緊條,不要松條 ; 五要整條,不要碎條。這五對相互矛盾, 但是又相互聯系,相互影響,都是在

15、一定條件下轉化。要抓住葉片與葉條的主要矛盾, 其他矛盾就容易解決。轉化的條件主要是力的作用。力的作用有輕與重、用力時間長與短、次數多與少、 早與遲的矛盾。這些矛盾也是相互聯系、相互影響的,根據葉質和葉量的不同而變化。 要抓住輕與重的主要矛盾,其他矛盾也就迎刃而解。要解決這些矛盾須反復實踐,逐步 提高認識,才能做到五要五不要。力的作用力分摩擦力和壓力。摩擦力使葉子順主脈卷轉為橢圓螺形。壓力是增大摩 擦力。使葉子快速成條而卷緊。要做到五要五不要,就要摩擦力與壓力巧結合。先使用 摩擦力,后使用壓力,再使用摩擦力。先使用摩擦力,使葉子大部分初步卷轉成葉條。 后使用壓力加大摩擦力,使葉子大部分卷成條索。

16、去掉壓力,再使用摩擦力,主要使葉 團松開,葉汁內滲,避免葉汁流失。如先使用壓力容易產生扁條,不能揉成圓條。后使 用壓力,使葉條收縮,擠出葉汁。葉汁擠出后,去掉壓力,再使用摩擦力,葉條松開, 葉汁回滲。這樣解決圓條與扁條、茶湯濃與淡的矛盾。加壓力的原則加壓力是解決外形的技術措施, 要先輕后重再輕, 加壓與放壓相結合。 加壓與放壓的時間比例是 2比 l ,如加壓 10min ,放壓 smin; 或 3比 1,如加壓 15min ,放壓 smin ,這樣才能解決圓與扁、緊與松、整與碎的矛盾。如加壓不放壓,就不能達到五要 求。先輕壓才不會壓扁。只是輕度加大摩擦力,加速葉子卷轉,初步把葉片揉成圓形葉 條

17、。輕壓放壓后,加重壓,加大摩擦力使葉條在圓而松的狀態下,逐漸卷成緊條。 葉條在重壓揉捻條件下,揉成葉團,如果成團的葉條,不能再揉緊,不成團的葉條 繼續揉緊,揉捻就不均勻。同時葉條縮緊,葉汁大部分擠出,如不放壓,葉汁流失,茶 湯淡薄。葉汁大部分擠出后,葉條干硬,重壓揉捻,就容易揉成碎片。因此,重壓后就 要放壓,葉團就不會愈揉愈緊,葉汁內滲也不會流失,進一步解決濃與淡的矛盾。 放壓后再加壓,不但不會葉團愈揉愈緊,而且葉團才不會松開而不起揉緊作用。同 時未成團的葉條不會揉過緊而容易破碎。最后輕壓也同樣要放壓,就是以不加壓的摩擦 力結束揉捻過程。但是粗老葉例外,重壓揉捻到結束。1. 加壓技術加壓有壓力

18、輕重之分。加壓大和加壓小的區別如下表:表 2.2 加壓大和加壓小的區別 無論輕壓或重壓都有時間長短的矛盾。加壓時間過長或過短的弊端如下表:表 2.3 加壓時間過長或過短的弊端 加壓時間一般分為 5min 、 7min、 10min、 15min、 20min等五檔。另外加壓時間長短也與葉子的老嫩量的多少有關嫩葉短,老葉長 ; 葉量少短,葉量多長 ; 粗老葉量少也 短些。加壓時間長短,又與加壓次數多少交叉關系。加壓次數多,時間短 ; 次數少,時間 長。加壓次數多少,又與葉質老嫩和葉量多少交叉有關。葉嫩而少,次數少,每次的時 間長些,葉老而量多,次數多,每次的時間短些。次數至少輕重二次,至多輕、重

19、、較 重、重、輕五次。加壓有遲與早之別。過早葉條壓扁不圓,過遲葉條松而不緊。葉嫩而量多遲些,葉 老而量少早些?？傊?加壓大小、時間長短和次數多少,以及加壓早遲,是依葉質和殺青程度以及 揉捻時間的不同而不同。簡單說,嫩葉加壓輕,次數少,時間短,加壓遲些,老葉則相 反。揉捻時間長,加壓全程時間也長,加壓次數多些,加壓總重大些。2. 揉捻機的影響揉捻機的轉速,應掌握先慢后快再慢的原則。先慢才不會使葉條揉碎,也不會因熱 揉或摩擦發熱葉溫過高,而使葉質起不良的變化。后快,葉條卷轉成螺旋形的可能性就 越大,可以使葉條卷得很緊。再慢,可使結團葉條松開,使未揉到的葉條進一步成圓直 的葉條。揉盤的棱骨構造,與揉

20、成條索很有關系。棱骨弧形底而寬的適合揉細嫩鮮葉,揉粗 老葉不易成條?；⌒胃叨M的適合揉粗老鮮葉,揉細嫩葉容易揉碎。最好揉捻機揉盤棱 骨有活動裝置,以適應葉質老嫩不同的要求。綠茶要熱揉與紅茶要冷揉不同。熱揉葉軟容易成條,而不象紅茶引起不良的變化。 一因葉量少、時間短,摩擦發生熱量不大,葉溫上升不高,內質變化不大。二是由于高 溫殺青,酶的活化己完全或大部分破壞,酶促作用已制止,就是沒有破壞完全的殘余酶 的催化作用不大,不致改變品質。冷揉與熱揉的區別特點如下表: 現用揉捻機,一桶要幾鍋殺青葉完全相同,事實上困難很多,不能同時殺青,同時 投入。殺青時間很短,揉捻時間長,常殺青葉多,揉捻來不及,不能熱揉

21、,就要冷揉。 冷揉條件 :一是殺青要殺熟殺透 ; 二是殺青葉攤放很薄,攤放不能過久 ; 三是揉捻時 間也不要過長,要防止因殺不熟而發黃。 綠茶揉捻具體要求 :一是綠茶沖泡次數多,茶汁不要全部擠出,細胞組織不要全部 破壞,破壞率 45一 65%;二是要揉成圓直緊結、整齊的條索。揉捻不足,滋味和色澤都較淡薄,不能形成緊結條索。揉捻過度,茶汁完全擠出, 有些黃酮類化合物自動氧化,茶湯不清,揉碎芽葉。炒綠揉捻技術具體掌握如下 : 1. 看葉質來決定揉葉量首先看鮮葉, 細嫩的多些, 粗老的少些。 其次看殺青葉, 殺青時間短, 含水量較多, 不宜過多,避免外形彎曲。2. 看揉葉量來決定揉捻時間揉葉量多就長

22、,揉葉量少就短。揉葉量過多,揉捻時間過長,對香氣有相當提高,但湯色葉底都不亮。過多如果加 大壓力,不論時間長短都是條索碎細,下身茶較多。葉量過少,不論時間長短,條索不 是粗松,就是碎小。3. 揉捻時間決定揉捻程度和形狀時間長減少粗大茶條,但是斷碎、葉尖折斷,下身茶較多,形狀不整齊。時間短, 條索不緊,碎么較少,頭子茶增多。4. 揉捻快慢決定時間和形狀揉快易生碎片,芽尖易揉斷,湯色混濁苦澀,色澤帶紅。揉慢延長時間,條索難 緊結。5. 解塊與篩分解塊有決定外形的作用,使條索均勻,直而圓。篩分也有同樣的作用,并使嫩葉 少揉而不斷碎小,老葉多揉而條索緊結。兩者配合,才能達到五要五不要的要求。 葉子經過

23、揉捻,有的順主脈卷成圓直條,有的與主脈垂直卷轉,或不圓而扁,卷 成團塊,條索扁而不直。因此,解塊篩分技術把成團的葉條抖開,篩出細葉和碎片。同 時使葉條伸直而不彎曲,并防止熱揉葉溫過高,引起葉質變化而泛紅。還可以把下面細 嫩葉條分開,及時烘千,不會揉捻過度而斷碎。解塊篩分次數,根據揉捻時間、葉質老嫩而定,一般是一二次。粗老葉比細嫩葉次 數少些。如葉條松散或粗老葉揉捻結束,就無需解塊篩分。解塊篩分要迅速,否則水分散失過多,容易揉碎,尤其是粗老葉水分少,解塊篩分更要 快些。殺青過老,水分少也要快些。 頁揉捻技術好的條索,應是圓直整齊,扁曲碎片就不符合要求。但是要揉卷很好,鮮 葉形質和揉捻機棱骨構造都

24、有很大關系。實際上要全部揉得很好,全部卷成旋形,沒有 折疊是不可能的,也是做不到的。在生產實際中,只要有 80%以上條,也就算揉好了。 揉不成條索的原因有很多, 但是其中主要是揉速過快, 或開始就加壓, 或沒有放壓。 扁條是加壓過過大的毛病。彎條主要是解塊不勻,或沒有解塊。松條主要是加壓過遲過 小,揉捻時間不夠。碎條是加壓過早過大、揉速過快、時間過長等等毛病。揉捻主要是形態上和組織上的物理變化,化學變化是次要的。揉捻時間短,度很 輕,質的變化不顯著。葉子經過揉捻后,由于受到兩個平面的摩擦壓力,就順著主脈直 卷為橢圓螺旋形的條索 ; 如果與主脈垂直卷轉,或卷不圓而扁,或卷成圓塊,都不合要 求,但

25、是要卷得很好,鮮葉和技術都要有相當條件。實際上折疊的多,卷螺旋形的少, 要全部卷得很好,更不可能。軟的幼嫩鮮葉,彈性不大,容易揉卷 ; 硬的粗老鮮葉,彈性大,就不容易卷成一定 的形狀。葉內水分過多,漲性大,水分少,干而硬,都不容易卷成所要求的形狀,而容 易揉成碎片。至于卷條的松緊、曲直、粗細是與技術高低分不開的。細胞破裂需要較大的壓力。平面的摩擦壓力是不能壓破細胞的。當葉子在兩個平面 之間,還有折疊的曲壓力時,刁能破壞細胞組織。在折疊曲壓時,葉外表層的細胞受 到兩面的拉力而使皮膜裂開,使所含汁液流出葉面。揉捻時間短,如茶汁沒有流失,水分散失不大,最多不超過 2一 3%。例如 22的殺 青葉含水

26、量 60.54%,揉捻后水分含量減至 58.16%,也沒有超過 3%。揉捻過程中,葉綠素減少不多,由殺青葉的 0.95%減至 0.81%。葉綠素 A 破壞比 B 多, 殺青葉 A 比 B 是 4.0,揉捻葉是 3.7?？扇苄缘难趸镒兓淮蟆＞G茶揉捻越多,可溶性的 氧化物 (指兒茶多酚類 減少越多。第一次揉后是 12.8%,第二次揉后 12.3%,第三次揉后 12.2%。使用揉葉不多的小型單動揉捻機,就會縮短揉捻時間,避免發生高溫引起各種不必 頁要的化學變化而降低品質。由于揉葉量不多而時間短,揉捻技術影響炒青綠茶的品質不 大,較易掌握。2.3茶葉揉捻設備茶葉揉捻機 (tea twisting

27、machine是由揉桶與揉盤作相對回轉運動而將茶葉搓 揉成條、擠出茶汁的機械。我國生產的茶葉揉捻機是茶機工業中較為成熟的機種之一, 也是第一個頒布部標準的茶機機種。第六代茶葉揉捻機產品系列統一標注為“ 6CR ”字 樣, “ 6”代表第六代, “ C ”是“茶”字拼音第一個字母大寫, “ R ”是“揉”字拼音第一 個字母大寫。茶葉揉捻機的分類如表 2.5表 2.5茶葉揉捻機分類2.32CR-55型揉捻機的主要技術參數:文中我們所要改造的揉捻為 CR-55型揉捻機其主要技術參數為表 2.2所示表 2.6 CR-55型揉捻機的主要技術參數 頁 2.4揉捻機自動控制系統總體方案本課題的技術, 目標是

28、實現 6CR 一 55型茶葉揉捻機的工作壓力、 時間、 轉速的自 動控制,包括傳感采集系統、電氣系統、控制和界面系統、軟件系統的設計和開發。要 達此目標,首先要確定揉捻作業加工工藝,再根據加工工藝制定揉捻機自動控制系統的 總體方案。揉捻必須根據各茶種的特征,揉捻機的性能,葉質老嫩、勻度和殺青質量來正確掌 握揉捻方法。特別注意投葉量,揉捻時間,壓力大小,解塊篩分和揉捻程度等技術,方 能提高質量,保證優良產品。 6CR 一 55型盤式茶葉揉捻機,主要用于毛峰、碧螺春等條 形和卷曲形長炒青綠茶的揉捻加工,所以下面長炒青綠茶 (眉茶 的加工工藝 :1. 投葉量投葉量的多少, 直接關系到揉捻質量和工效。

29、 投葉量過多, 葉團在揉桶內翻轉困難, 揉捻不均勻,扁碎葉較多,而且時間較長 :葉子過少,則不易成條,工效低,碎茶多。 因此,必須掌握好各類揉捻機的投葉量。本文選用 6CR 一 55型盤式茶葉揉捻機所以其 投葉量為 30一 35公斤。掌握程度 :對于杠桿加壓結構的揉捻機, 裝葉時要求手稍壓緊, 葉子裝至比桶口淺 頁1一 2cm 處,不能太滿 ; 不然,揉捻機轉動時,由于桶內運動時桶蓋的反作用力大,而使 蓋子甩出去造成事故 (絲桿加壓有自鎖現象 。2. 揉盤轉速用于綠茶初制的揉捻機,一般轉速控制在 45一 60轉 /分之間,以每分鐘 48轉上下 較為合適。3. 壓力和時間炒青綠茶要求條索緊結,倒

30、直,勻整,茶湯有一定的濃度,同時又要耐泡。形成 這些特征,首先與揉捻時壓力調節有很大關系。揉捻作業時,加壓輕重應以“輕一重一 輕” ,嫩葉輕壓短揉,老葉重壓長揉,解塊分篩,多次揉捻為原則。揉捻時間視揉捻葉量,葉質及加壓等情況靈活掌握。實際生產過程中掌握各種葉子的壓力和時間如表 2.3:表 2.7各種葉子的揉捻壓力與時間 4.揉捻程度長炒青綠茶加工時的揉捻程度,一般嫩葉要求成條率達到 80%至 90%、粗老葉成條 率在 60%以上為適度,質量良好的揉捻葉要有茶汁黏附葉面,手摸有滑黏手的感覺。 5. 揉后注意問題 :揉捻葉下機以后,要立即進行解塊千燥。切勿靜置,以免葉色變黃,要快。尤其是 殺青不足

31、的葉子,揉好后眾即以較高溫進干燥,防止繼續紅變。 頁為了操作簡便, 安全可靠, 生產效率高的目標,茶葉揉捻機控制部分應達到以下工 作要求。 打開電源后, 首先進行觸摸屏操作, 輸入工作組、 用戶名與密碼, 驗證無誤后, 才能進入茶葉揉捻機的控制系統,然后或更改生產參數,或進入監視界面。按下開始按 鈕,茶葉揉捻機會進入自動運行狀態,隨后進入初始化狀態,再進行故障自檢,一切正 常后,如果沒有新的數據輸入,系統會自動載入上次數據。如果有新的數據輸入,系統 將采用新的數據進行揉捻。揉捻結束后,手動打開出茶門,等待下茶。按下復位按鈕, 系統會自動返回初始狀態。如果在揉捻過程當中,系統檢測到異?，F象,系統

32、會報警。 在揉捻過程當中,允許隨時暫停操作,并在轉換到繼續時,恢復所有數據。運行當中的 重要數據,在停電后能夠得到保持,恢復供電后,也能繼續工作。在遇到非常嚴重的故 障,按下急停按鈕,系統會自動禁止所有輸出,等待人工處理后,按下復位按鈕,系統 就可以恢復到初始狀態。如果在運行當中遇到問題,但是可以通過手動解決,那么,先 可以按下暫停,然后再切換到手動狀態,進行手動操作。在遇到較大的故障后,系統仍 然可以進行手動揉捻、壓蓋手動升降、手動復位等日常操作。1. 揉桶轉速控制原 6CR-55型茶葉揉捻機有一齒輪減速機構 (見圖 2.2 , 輸出轉速為 50士 1r/min(見 表 2.1 。這一轉速是

33、固定的,不能調整。但是不同的茶種、葉質和殺青質量,需用不同 的轉速交流電機變頻調速技術來實現。 變頻調速技術是目前世界上技術先進、 使用成熟、 性能可靠的調速方式,它實現了電機轉速連續無級調速。這里的變頻調速是開環控制, 控制指令直接來自于上位機中輸入的參數。2. 壓力控制壓力控制是整個控制系統的關鍵所在, 利用壓蓋的升降來控制桶內茶葉所受到的壓 力。其控制框圖如圖 2.4所示,它是一個開環控制。 圖 2.4壓力控制 頁把加壓型式由 55型的雙滑柱加壓改為 40-45型的單滑柱絲桿浮動加壓 (見圖 2.1、 圖 2.3 。 滑柱是一根中空的鋼管, 對著壓蓋的一側, 開有一平行于鋼管中心線的豎直

34、長 槽, 豎直長槽的頂部又連著一段與水平方向成 45。 角沿管壁開鑿的斜槽, 鋼管中心是一 根絲桿,可以帶動加壓臂上的螺母沿著豎直長槽上下移動,并沿著斜槽移離揉桶上方, 便于上葉。在滑柱的根部裝有一個手輪,用來轉動絲桿?，F在,在手輪的位置上裝一個 步進電機,改手輪轉動為步進電機帶動絲桿轉動。再在滑柱的頂部和根部分別裝上一個行程開關控制加壓臂的上下限和進行加壓臂 定位。3. 揉捻過程控制過程控制其實就是時間控制?？梢园讶嗄砑庸し譃椤拜p一重一輕”三過程,也可以 分為“輕一重一較重一輕”四過程,還可以制定別的工藝階段?？傊?要根據各茶種的 特征,葉質老嫩、勻度和殺青質量來制定。每一過程的時間數值,按

35、前面論述的揉捻加 工工藝靈活掌握確定。加工前,把每一過程的時間參數輸入上位機中,再由上位機傳輸 給 PLC, PLC根據輸入的時間參數控制主電機和壓力系統的運行。 頁第三章 茶葉揉捻機自動控制系統的硬件實現3.1茶葉揉捻機自動控制系統的硬件概況茶葉揉捻機自動控制系統的硬件主要由上位機、 下位機和調速控制、 壓力控制以及 顯示三個子系統組成。 整個硬件系統的框架如圖 3-1所示, 上位機是一臺 PC , 和觸摸屏 組成一體機 ; 下位機是一個西門子 S7-300系列的 PLC:調速控制系統主要是一臺變頻器, 交流電機是原有的 ; 壓力控制系統由壓力傳感器、步進電機、步進電機驅動器以及兩個 行程開

36、關組成 ; 顯示系統是一個西門子觸摸屏。 圖 3-1茶葉揉捻機白動控制系統硬件框架 頁3.2觸摸屏選擇茶葉揉捻機自動控制系統結構不十分復雜。 其觸摸屏而對的是使用水平相對不高的 茶農,堅固,耐用的整體機較為合適。另外,茶葉機械整體價格較低,觸摸屏的價格不 能占據茶葉揉捻機整機價格太大的比例,應選用價廉觸摸屏。再加上采購、維修以及其 他技術上的考慮,木課題選用西門子公司生產的 MP277-10 按鍵式面板 ,10寸 64K 色中 文顯示,其突出特點有:1. 操作方便*全圖形化 5.7” TFT 顯示屏, 256 色*內置 PROFINET/以太網*用戶存儲器 4 MB*支持 SmrtServic

37、e 和 SmrtAccess*具有可追溯性 (符合 FDA*免維護、非易失性報警緩存器*腳本,歸檔2. 靈活性好*可從 TP 270 轉換 (例外:RS232 和 CF 卡 *與 xP 270 兼容*多媒體卡插槽*USB 端口 (鼠標,鍵盤,打印機 *多達 5 種語言在線切換,全球通用 (包括亞洲和西里爾語言 3.3下位機考慮到系統的可延展性本課題選用西門子公司的 SIMATIC S7-300系列屬于中型 PLC, 可代替繼電器用于簡單的控制場合,也可用于復雜的自動化控制系統。由于它有極 強的通信功能,在大型網絡控制系統中也能充分發揮作用。因為茶葉揉捻機自動控制系 統要用于各茶種的揉捻控制,工

38、藝過程不固定,所以不易選用整體式結構的 PLC ,應選 用模塊式結構的 PLC; 系統以數字量控制為主, 帶少量模擬量, 對控制速度沒有太多要求, 頁帶 A/D轉換、 D/A轉換、 加減運算和數據傳送功能就可以了 ; 此外系統控制雖然目前不要 求實現閉環控制和進行 PID 運算,但以后可能會對此有要求。因此, S7-300系列 PLC 能滿足茶葉揉捻機自動控制系統的性能要求。PLC 與生產過程的聯系是通過 I/O接口模塊來實現的。 PLC 有許多 I/O接口模 塊,包括數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出以及其它一些特殊功能模塊,使用時應根據 它們的特點進行選擇。 I/O點數選擇的內容如下 :定義

39、PLC 的 I/O點數, 包括數字量 I/O、 模擬量 I/O以及特殊功能模塊 ; 建立 I/O地址分配表。本系統中變頻器、 步進電機驅動器和接近開關各一個, 行程開關、 壓力傳感器兩個, 還有指示燈若干,這些構成了被控對象,其中壓力傳感器的輸入和變頻器的輸出是模擬 量,其余都為數字量的輸入和輸出。手動自動切換,主電機開與關,揉捻機開與停,壓 蓋上升與下降都是按鈕控制,是數字量輸入。本系統 PLC 的 1/O點數與類型如表 3.1所 示。表 3.1 PLC 1/O點數與類型 根據被控對象的 1/O點數以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮, 頁選用 SIMATIC S7-300系列 P

40、LC 的 CPU 為 CPU314C_2DP ,CPU314C-2DP, 64K工作內存, 位操作時間 0.1us , PROFIBUS-DP 主 /從接口, 集成 24DI/16DO,4AI/2AO,4通道高速計數, 4通道 PWM 輸出, 4通道頻率測量, PID 調節, 一軸定位功能; DI/DO最大 1016/1008點。I/O地址分配直接關系到硬件的接線圖,以及軟件的編程。因此, I/O分配地 址至關重要。具體 I/O地址分配如表 3.2, 3.3所示。表 3.2 I/O地址分配信號輸入如表 頁 表 3.3 I/O地址分配信號輸出如表 頁 表 3.3(續 頁圖 3.2數字量總接線圖數

41、字量的輸入和輸出如圖 3.2所示接線,模擬量輸入和輸出的連接分別在各 節中介紹。3.4調速系統1. 變頻器變頻調速器也稱變頻器,全稱為變頻變壓調速器 VvVFI(variable voltage & vairable frequency inverter,是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為 另一頻率的電能控制裝置。它采用大功率晶體管 GTR 作為功率元件,以單片機為核心進 行控制,采用 SPWM 正弦脈寬調制方式,是電力電子與計算機控制相結合的機電一體化 產品。西門子公司生產的 MICROMASTER 系列變頻器是目前市場上技術比較熟,性能價格 比高的主流產品。木課題選用其中的 M

42、ICROMASTER 440型變頻器。 MicroMaster440是全 新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術,提供低速高 轉矩輸出和良好的動態特性,同時具備超強的過載能力,以滿足廣泛的應用場合。創新 的 BiCo (內部功能互聯功能有無可比擬的靈活性。它可以與 SIMATIC S7-300鏈接, 或集成到 SIMATIC 和 SIMOTION 的 TIA 系統中。 MICROMASTER 440通用型變頻器用于驅動 普通應用對象的時, 只要對它進行簡單的組態, 就可以滿足對特定傳動系統的控制要求。 而且,由于變頻器采用的是模塊化設計,可以選用各種選件,非常方便地對

43、傳動裝置進 行擴展,從而實現多種標準功能。1. 變頻器調速回路根據變頻調速原理,在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設定電路,由 PLC 輸出的 模擬量來控制變頻器的輸出頻率。此時的變頻器輸出頻率與設定電壓或電流輸入成正 比。這里是從 PLC 的 V 端輸出 0-1 OV的電壓信號 (模擬量 作為變頻器的控制端 3的輸 入,然后經變頻器調制輸出高頻脈沖給異步電動機。 頁2. 變頻器啟?；芈酚苫芈? PLC 、繼電器 KM 和變頻器,以及外接 24V 直流電源組成了變頻器啟停這里 是由 PLC 的 Q0.4端口輸出 24V 的直流電壓信號 (數字量 到繼電器 KM , 再由 KM 控制變頻 器的運行

44、。3.5壓力控制系統1. 步進電機的選型本課題選用 110BYG350C 式步進電機,其性能參數如下:2. 步進電機驅動器的選型本課題選用 WZM-3H110MS 三相混合式步進電機驅動器, WZM-3H110MS 驅動器驅動三 相混合式步進電機,該驅動器采用原裝進口模塊,實現高頻斬波,恒流驅動,具有很強 的抗干擾性、 高頻性能好、 起動頻率高、 控制信號與內部信號實現光電隔離、 電流可選、 結構簡單、運行平穩、可靠性好、噪聲小,帶動 5.2A 以下所有的 110BYG 系列電機三相 混合式步進電機。其供電電源為 AC220V ,每圈最大步數為 10000。3. 壓力傳感器的選型揉捻機對茶葉進

45、行揉捻時壓蓋對茶葉所施加的壓力重壓為 20kg 左右。根據現有市 場的供貨情況,再考慮性價比,本項目選用大通自動化設計有限公司的量程為 50kg 的 TJH-1稱重傳感器作為壓力傳感器。特有的 T 型過載保護裝置。可選擇一體化標準信號 輸出, 三線制, 010mA 、 420mA 或 05V 輸出。 TJH-1稱重傳感器是一種稱重傳感器, 采用的是電阻應變原理。 頁第四章 軟件設計與實現整個茶葉揉捻系統的軟件設計分為上位機軟件的設計和下位機軟件的設計。 上位機 軟件指的是計算機上應用軟件設計,是利用 WINCC Flexible開發的用戶應用軟件,主 要實現揉捻流程及工藝參數的顯示、數據處理與

46、保存、參數設定和系統控制 ; 下位機軟 件指的是 S7-300 PLC程序的開發,是利用 STEP7進行程序設計,主要實現揉捻過程的 自動控制、傳感器數據采集、邏輯運算以及人機界面的設計開發。本論文在這里只討論 下位機軟件程序的開發。4.1下位機軟件設計下位機軟件指的是 S7-300 PLC程序的開發,主要實現揉捻過程的自動控制、傳感 器數據采集、邏輯運算以及人機界面的設計開發。茶葉揉捻控制系統能否照預期設計的 目標運行,一方面要看硬件設計是否具有合理性和可靠性,另一方面要看軟件能否可靠 的運行,能否滿足用戶的需要。STEP7-V5.4軟件是由西門子公司專門為 SIMATIC S7-300系列

47、 PLC 設計開發的,操 作環境如圖 4-7所示。該軟件是基于 Windows 應用軟件,功能強大,界面友好,并有方 便的聯機幫助功能。 用戶可利用該軟件開發 PLC 應用程序, 設置 PLC 的工作方式和參數, 上載、下載用戶程序,同時還可以實時監控用戶程序的執行狀態。 頁 圖 4.3軟件編譯環境STEP7-Micro/WIN32提供了不同的編程語言 (編輯器 。 語句表 (STL語言 :類似于計 算機的匯編語言,適合來自計算機領域的工程人員,屬于面向機器硬件的語言 ; 梯形圖 (LAD語言 :接近繼電接觸控制系統中的電氣控制原理圖,是一種應用最多的編程語言, 它容易被一般的電氣工程設計人員

48、和運行維護人員所接受 ; 功能塊圖 FBD 語言 :這種圖 形與數字電子電路的結構相似,功能模塊圖中每個模塊有輸入輸出端,輸入輸出端的函 數關系也使用與、或、非、異或等邏輯,模塊之間的連接方式與電路的連接方式也基本 相同,熟悉電路工作的編程人員習慣使用這種語言。S7-300 PLC的用于存放工作數據的數據空間稱為數據存儲器,它包括變量存儲器 (V、輸入映像寄存器 (I、輸出映像寄存器 (Q、內部標志位存儲器 (M、特殊標志位存 儲器 (SM。所有數據存儲器均能以位、字節 (B、字 (W,雙字 (DW存取。PLC 中變量存儲器分為兩個部分,分別為 HMI 參數存儲區、程序變量存儲區。 1. 揉捻

49、工藝設定參數 頁揉捻工藝設定參數主要包括三個揉捻過程的工藝設定參數, 包括揉捻壓力、 揉 捻時間以及電機轉速。該部分的變量由上位機傳輸給 PLC 或由 HMI 設定。具體參數如圖 4.4所示: 頁 圖 4.4 HMI中工藝參數變量表 頁茶葉揉捻控制系統對 2路壓力信號進行實時監控,并對步進電機、變頻電機進 行控制,以及各種限位信號的輸入。茶葉揉捻控制 PLC 系統是整個控制系統的核心,其 應用程序由主程序、中斷服務程序和一些功能模塊子程序組成。程序設計過程:1. 創建項目打開 SIMATIC Manager 新建項目 rounianji, 向項目中添加一個 S7程序添加完成后 STEP7會自動

50、建立一個空的 OB1和符號表。2. 編輯符號表將表 3.2分配好的絕對地址用全局符號命名如下圖: 頁 頁 圖 4.5編輯符號表3. 插入程序塊根據對任務的規劃,需要向用戶程序中添加的程序塊有如圖 4.4所示: 頁 圖 4.6 插入程序塊在 Blocks 目錄下的空白區域單擊右鍵插入上圖中所示各個程序塊,然后選中各個數據 塊右擊選中其屬性項設置其各個屬性,一下圖 0B1,FC1屬性設置為例: 頁 圖 4.7 0B1,FC1屬性設置 4. 用 LAD 編寫 FC在這里由于篇幅限制只介紹 FC1的編寫在 Blocks 目錄下打開 FC1然后進行編輯1. 定義 FC1變量如圖: 頁 圖 4.8定義 F

51、C1變量 2. 添加 FC1標題和注釋如下圖 圖 4.9添加 FC1標題和注釋 3. 編寫程序代碼 : 頁 圖 4.10編寫程序代碼由于篇幅限制這里只介紹前面四個階段的代碼編寫過程4. 編輯背景,共享模塊 DB由于背景模塊必須和 FB 模塊相關聯而本程序中沒有使用 FB 模塊, 所以這里介紹共享模 塊 DB下面以 DB1為例,雙擊打開 DB1在 DB 編輯其中編輯 DB1如下圖: 圖 4.11編輯共享模塊 DB5. 用 LAD 編寫 OB1在本設計中由于沒有使用 FB 模塊所以這里只介紹 FC 的調用。在 OB1中,通過調用已經完成的各個 FC 模塊實現整個系統的控制。 頁在 OB1中調用 F

52、C 各個模塊的方法如圖: 頁 圖 4.12 OB1中調用 FC 各個模塊的方法在這里由于篇幅限制只介紹 FC 模塊手動程序塊的程序說明,系統的具體說明見附 件。OB1調用 FC 模塊的全部手動模塊代碼及說明:由圖 4.12所示模塊 FC2為手動控制模塊,主要通過各個子程序的調用實現揉捻機的手 動控制。其 T 形圖如下圖所示: 頁 圖 4.13 FC2T形圖其中 FC3模塊主動機手動模塊其主要作用是通過梯形圖設計實現主電機的手動操 作控制,梯形圖如下圖 : 頁 頁 圖 4.14 FC3主動機手動模塊梯形圖另外 FC4步進電機手動控制模塊 其主要作用是 通過梯形圖的設計實現步進電 機的手動控制 ,梯形圖如下圖 : 頁 頁 頁 圖 4.15 FC4步進電機手動控制模塊 T 形圖 頁第五章 結束語畢業設計是大學的最后一門課程,是一個理論和實踐相結合的機會,通過本次設計 的鍛煉,我學到了許多知識 ,