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1、普洱茶发酵PLC自动控制与关键设备的研发 黄云战1 周红杰2* 赵永洁4 马振纲 熊同强 郝强 黄鹤3 陈帆5（1云南农业大学工程技术学院，昆明650201；2云南农业大学普洱茶学院，昆明650201；3云南农业大学农科实验中心，昆明650201；4昆明铁道职业技术学院，昆明650208；5昆明理工大学，昆明650051）摘 要: 普洱茶是云南独有的特产茶，是云南省主要的经济作物之一。由于特殊的原料、环境及加工工艺，使普洱茶具有它的独特性。然而国内外对普洱茶研究起步较晚，其规范化、产业化及自动化程度较低，尤其是对普洱茶生产过程中的环境条件，加工工序自动检测、自动控制、关键设备与品质鉴定等研究处
2、于滞后状态，严重阻碍了普洱茶产业的健康发展。论文以国家科技支撑计划项目为依托，以云南大叶种晒青毛茶为制作原料，生物技术与现代工业自动控制技术相互结合，采用PLC技术，围绕发酵加工工艺过程自动控制及关键设备开展了一系列的研究与开发，取得了很好的成绩。关键词：普洱茶发酵 ；PLC自动控制 ；关键设备；研发目前国内普洱茶的加工仍然停留在传统加工模式上，手工作坊占有较大的比重，有一定规模的生产企业加工设备简陋，生产技术工人基本承袭经验式的加工，使得普洱茶的品质稳定性差。普洱茶加工企业未形成规模化、加工自动化的生产体系，也未形成清洁化和标准化的生产管理平台。HUANG Yun-Zhan ZHOU Hon
3、g-Jie * ZHAO Yong-Jie4 MA Zhen-Gang XIONG Tong-Qiang HAO Qiang HUANG He CHEN Fan5 (1.Kunming Institute of Railway Technology College,Kunming 650208,China;2. College of Puer tea, Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;3. Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;4., Kunming Ins
4、titute of Railway Technology College,Kunming 650208,China;5.Kunming University of Science & Technology,Kunming 650051,China)基金项目：国家科技部“十一五”国家科技支撑计划项目“普洱茶加工关键技术研究与应用”(2007BAD58B02)；云南省自然科学基金“十二五”重点项目“普洱茶加工工艺与品质关系研究”(2009CC005)；云南省发改委2008年度产业重大关键技术开发项目“普洱茶发酵新技术研究与推广”20081657-20作者简介：黄云战，（1953），男，教授，云南广
5、南人，云南农业大学工程技术学院，主要从事机械设计制造及其自动化研究。E-mail:ystyh*通讯作者：周红杰,（1962），男，教授，云南普洱人，云南农业大学普洱茶学院，主要从事茶叶科学研究。 E-mail: ynzhj20031 普洱茶发酵自动化控制车间的设计与研究发酵是普洱茶加工生产环节中的关键技术，对普洱茶品质的现成有很大的影响。目前，多数茶厂采用传统小作坊式的自然发酵方式对普洱茶进行发酵，这种发酵过程中存在着卫生条件差、品质不稳定、工人劳动强度大、生产效率低等诸多问题，严重影响普洱茶产业的健康、持续、稳定、快速发展。因此，普洱茶发酵自动控制车间的构建对云南普洱茶清洁化、自动化及产业化
6、生产具有重要的意义。1.1 传统发酵方式笔者经过大量的调查发现，一些中小茶厂多采用传统的普洱茶渥堆发酵方式如图所示，在整个过程中出将可能出现以下的问题：1.1.1发酵场地较为松散，普洱茶堆摆放随便，很多普洱茶生产厂家没有安全、卫生的意识，将普洱茶发酵堆任意放置，严重影响了普洱茶产品的安全性和信誉度，极大程度的影响了普洱茶产业的发展，普洱茶生产厂家的发酵车间如图14-4中所示；1.1.2由于普洱茶生产一般都在露天或是在很简陋的厂房中进行，所以普洱茶堆内的温度和湿度受外界环境影响很大，发酵过程中温湿度不利于控制；1.1.3在发酵过程中，普洱茶堆内的发酵很不均匀，有些茶叶已发酵完全，但有些茶叶几乎没
7、有任何变化，使普洱茶产品的稳定性不高，影响普洱茶的口感和品质；1.1.4在普洱茶发酵过程中，会出现堆内通气量不足的情况，在一定程度上限制了有益微生物的生长和繁殖，影响发酵的速度和质量；1.1.5按照普洱茶发酵的经验，一次渥堆生产普洱茶的量很大（达到十几吨甚至二十几吨），这样不仅不利于各种工序的操作，而且更不利于根据环境及市场的变化做出相应的生产调整；1.1.6普洱茶发酵过程中有一些工序需要人工操作，如翻堆、潮水等，这些工序的工作强度大，而且工作的环境比较差，在翻堆过程中会出现大量的粉尘污染，对操作工人的健康有一定的影响。 因此 ，改进传统的发酵工艺对普洱茶品质的提升将具极大的经济利益及有很强的
8、社会意义。2 普洱茶发酵自动控制车间的设计2.1 年产百吨普洱茶发酵自动控制车间结构及内外参数通过对茶厂的整体构建要求及普洱茶发酵车间进行分析，分析车间各工序流程关系，确定功能车间外观造型和总体结构，确定设计参数及制约条件。对普洱茶发酵车间实际有效面积进行详细的规划，绘制相应的模型图和工程图，要求对过程控制系统建立各要素的数学模型，进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，选出综合性能指标最优的设计方案。普洱茶发酵车间用木板铺设底面，所铺设木板上有均匀的小孔，下方用高30mm-40mm的木条支撑，架空下部空间以使靠近底部的茶叶所处的环境和室内温湿度基本一样，并满足通风的需要；设计时考虑到潮
9、水和翻堆设备两个工序的完成。设计方案主要是将发酵茶堆用木板或者钢板隔离地面，在一个干净的环境中发酵，可以使发酵后的普洱茶增加清洁度和安全性。根据标准化车间的发酵量及雾化加湿设备布局来确定车间的空间尺寸，首先十吨茶叶按平铺厚度为1-1.3m计算则需要的占地面积60m2，除去分割出去的控制间30m2，由此可以得出标准化车间的所需的面积为90m2，为了保证车间发酵的清洁化，茶叶发酵所需的60 m2面积全部采用厚度3cm的木板架在离地30cm的高度，下面设有排水沟和循环通风道，可以使多余的水分或霉气能及时排出，雾化喷水口的高度设置为2m，为了保证顶部不会聚集雾化的水分，车间顶部设计为120的人字形，人
10、字形顶部距喷雾口1m，则车间的总高度为3m，车间墙体1.5m以下需贴有瓷砖，达到卫生标准；1.2m以上用钢化玻璃封闭；地面四周装有排水沟，以便排水需要。车间地面铺有地板砖；在地板转上铺设横梁支架，搭建3cm厚的木板使普洱茶发酵离地，离地高度约在30cm；墙壁装有进、排风机（车间底部装有进风机，顶部装有排风机），以达到良好的对流通风效果，车间顶部采用人字形不锈钢顶结构且装有一定数量紫外灯，起到杀菌的作用。2009.7月完成了车间的建设并进行了现场发酵。 图2-1 发酵车间内外结构图片2.2 普洱茶发酵自动控制车间布线图在普洱茶发酵控制专用设备控制的发酵车间里有四路控制回路，其中加温控制回路中有加
11、热设备六台，每台小型加热设备的功率是3千瓦，六台加热设备的加热功率为18千瓦，普洱茶发酵控制专用设备加热控制回路选择了32A的热继电器，总控制回路选择了125A的熔断器 。因为发酵车间的发酵容量设计比实际生产的要大，本论文在普洱茶发酵控制专用设备控制的发酵车间中每一边设计了六个供电点，加温设备可以根据发酵的实际茶叶量（茶叶发酵堆高有浮动空间，决定了每次即使发酵茶叶数量一样，实际渥堆的面积却不一样）自由调整到离茶叶发酵茶堆比较近的位置，增加加温效果。加湿控制回路，杀菌控制回路及排风控制回路的电气布线如下图2-2所示；为后期的维护与检修提供了方便，本论文根据普洱茶发酵的生产现场情况，设计了强电线路
12、的线号，所有导线均套号码管,插座火线号码依次为 101,102,103.112,风扇火线号码均为 131,紫外灯火线号码均为 141,所有零线号码均为 0,所有地线号码均为1；所有插座火线均独立取自控制柜,所有插座零线共用,所有插座地线共用；所有插座导线均采用 4mm铜线,其它所用导线均采用 2.5mm铜线。2.3 普洱茶发酵自动控制车间功能设计及技术路线普洱茶优化车间设计精确潮水PH值检测外温湿度堆内温湿度杀菌装置加湿装置排风装置加温装置配置完善主控设备PLC传感器数据记录数据传输数据分析数据处理数据采集HIM实时显示优质普洱茶品质形成控制参数控制过程可视化含水率检测图2-3 普洱茶自动控制
13、车间设计技术路线图3 普洱茶发酵主控系统设计与开发（专利号：CN201464887U）普洱茶发酵数据传输采用PLC主控设备和计算机处理系统结合设计研制，在普洱茶发酵过程中，利用现代检测及控制技术、相关仪器设备，对清洁化车间及箱体内普洱茶发酵变化过程时时监控，采集数据传输给PLC主控设备和计算机处理系统，由计算机进行处理，实现普洱茶发酵的数字化控制。主要由PLC主控设备、传感器（温湿度传感器）、变送器、计算机处理系统 （人机界面显示）、智能化加温和加湿设备等构成,如图所示。3-1 PLC控制主控设备外形图3-2 PLC控制主控设备安装图4 自动控制发酵车间的现场发酵调试PLC、传感器部分可监测车
14、间环境温度、车间环境湿度、茶叶温度和茶叶含水率。考虑调节设备会使得环境的温湿度不均匀，则车间温湿度各取四个采集点，分置于车间四角，茶堆在发酵过程中，由于微生物的作用，会使得茶堆内层和表层的温度的不一致，由于表层在排风蒸发过程中其水分损失较大，在加湿过程中，表层又得水较多，故在茶堆内温度和含水率传感器分上中下三层分层放置，车间环境温度、湿传感器分别布置在渥堆茶叶上方，均匀分在布四周及中间，距离渥堆茶叶表面大约1米左右。加热设备放置于过道两侧。4-1清洁化自动控制车间发酵现场图5 自动雾化加湿对品质形成的影响及分析5.1 雾化加湿及自动控制自动雾化加湿是普洱茶发酵过程中影响品质形成的一个重要环节。
15、根据发酵流程，茶叶经过25%-30%的潮水搅拌均匀后渥堆发酵。在45天的发酵工程中，需要对发酵车间环境进行75%-90%的湿度控制。经多次实验研究分析，环境湿度的大小将直接影响堆内茶叶有益菌的生长繁殖，传统发酵的环境湿度是随天气的变化而变化的。 通过实验研究，本设计采用了TTU-A-12超声波加湿机，超声波换能器在超高频电磁振荡源地作用下，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成10-30m的微小颗粒。由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波头飞散，使水雾化，同时产生大量的负离子，变成具有一定压力的水雾喷出，与空气融合，达到较大空间环
16、境加湿的目的。且加湿效率高，能耗极小。加湿机功率为2.7KW，额定加湿量为3Kg/h，有效加湿体积200 ，喷头设置与雾化关系，根据喷头高度及车间的面积分析，轴向视图上每个喷雾点应设置左右交错两个喷头，每个喷头相对于水平线各转过450喷口向下倾斜，根据试验测得，在此倾斜角下雾化颗粒沉降过程能够覆盖的面积是最大的。 5-1 自动控制发酵车间渥堆发酵雾化加湿效果图5.2 发酵车间湿度自动控制系统分析普洱茶发酵车间采用现代的检测控制技术及设备，由PLC主控设备、传感器（湿度传感器）、变送器、计算机处理系统 （人机界面显示）、自动报警系统、智能化加湿设备等构成。其工作原理是：通过湿度传感器实时检测采集
17、普洱茶发酵车间环境湿度变化数据，当环境湿度低于设定的湿度值时雾化加湿设备自动开启，当环境湿度高于设定的湿度值时雾化加湿设备自动停止并且开启风扇。自动雾化加湿有手动和自动两种方式，手动方式是通过设备自带的传感器及控制系统来设定其工作的湿度范围，包括上、下限湿度值的设定。自动控制则是通过与主控设备的PLC系统现场分析，对实时采集到的不同点湿度数据经过分析。车间的湿度小于75%的时候，PLC输出信号给控制柜，加湿机得到启动信号开始工作，当PLC收到的湿度信号大于90%的时候，PLC输出信号给控制柜，加湿设备停止工作如图所示。5-1环境湿度变化规律 5-2环境温度变化规律6 双层不锈钢自动发酵罐研制与
18、开发(专利号：ZL 2009 2 01116889)6.1 双层不锈钢自动发酵罐研制的意义普洱茶加工过程中，发酵翻堆是劳动强度最大的工序，目前多为人工完成。传统的翻堆是人工采用铁锹和钉耙，将发酵了一段时间的茶叶翻动，并将团状的茶叶解块、打碎，并从茶叶堆的一端翻动到另一端。整个翻堆的过程不仅劳动强度大，而且卫生程度差，极大程度上影响了茶叶的品质。在大规模生产中采用行车式装置的翻堆过程机械化，达到快速便捷，节省人力物力，并能使茶叶在翻堆过程中减少污染，实现清洁化生产，将是今后发展的方向。为了研究普洱茶加工过程中，发酵过程与品质的形成及各因子间的关系，课题组研制出不锈钢双层保湿自动湿水、旋转式发酵罐
19、装置如图所示。该机械将是集潮水、渥堆、翻堆于一体的多功能普洱茶发酵机械。发酵罐根据普洱茶发酵的时间，通过主控设备PLC同时对三组发酵罐进行控制，经变频技术设定与普洱茶周期相对应的高、中、低的发酵罐转速，获得6-1双层不锈钢自动发酵罐图最佳的翻堆速度，产生普洱茶发酵过程中的最佳翻堆效果，实现精确定量雾化潮水科学化、规范化 。实现发酵罐最佳转速与最佳湿水量及发酵速度间的关系曲线。实验表明在双层不锈钢发酵罐内发酵普洱茶时间周期短，升温快、保湿好的特点，较准确得出各因子之间与品质的变化规律。实现普洱茶多品种、小批量、精品茶加工发酵自动化。不锈钢双层自动湿水、旋转式发酵设备也为大规模生产提供发酵过程的一
20、系列理论技术参数，是值得大力开发和推广的理想设备。6.2双层不锈钢自动发酵罐设计原理双层不锈钢自动旋转发酵罐,主体是一个双层发酵罐，外层和内层均为不锈钢。动力装置通过动力传动装置将动力传送到发酵罐上，发酵罐旋转运动，轴管和搅拌管不动。进而轴管和搅拌管相对运动，对发酵罐内的茶叶进行搅拌发酵。潮水装置提供发酵过程中的进水。整个装置都要有支架和其他装置很好的配合使用。该设备是一种多功能的普洱茶发酵机械。设计的最终目的是要给出一个经济合理，可靠的设计方案，使发酵罐达到运转时强度可靠，控制系统功能合理。据查阅及调查发现，各类茶叶加工机械比比皆是，但是自动发酵罐还未见到，中小厂家对普洱茶加工均采用传统工艺
21、，发酵方式一般都是自然渥堆，没有大型的专门机械。 本次设计针对现阶段普洱茶加工中发酵机械化的不足进行研究与设计。 通过新设备和新技术的使用，可缩短普洱茶生产周期（发酵周期由原来的55天缩短为30天，从而提高生产效率35%），降低生产成本。发酵过程中的损耗由原来的18%降低到12%。6.3 自动发酵罐结构设计6.3.1发酵罐材料的选取与应用 首先，既要符合食品加工卫生标准还要实现材料质量轻便及耐用；由于普洱茶发酵过程中会产生酸碱性变化，所以罐体材料的选取必须符合在发酵过程中不发生化学变化，从经济适用和食品安全的角度考虑，目前可选材料有木质和不锈钢。就木质材料发酵罐而言在发酵过程中由于在运转过程中
22、产生较大的离心力，从强度发面考虑不适合选用木质材料，故本研究选用不锈钢材料不锈钢0Cr19Ni9N作为发酵罐的罐体材料。6.3.2 潮水、解块装置的设计普洱茶在发酵过程中会出现结块现象，在发酵开始至结束的搅拌过程均采用发酵罐转动，轴管不转动的工作方式，及时地将结块的茶叶进行解块。潮水、解块装置由主轴管、搅拌管构成，主轴管长度为2030mm,直径70 mm，主轴和搅拌棒内部均为空心结构且互相连通，考虑到轴管的刚度与强度及发酵过程中茶叶不能掉进轴管内，故在直径上钻6mm的通气、通水小孔。设计并焊接上间距相等方向不同的搅拌棒，搅拌管上所开小孔的直径为4mm。以便能够使水、空气通过主轴和搅拌管进入到发
23、酵罐的内部，达到潮水和换气的效果。初期起到使其潮水均匀，后期能起到解块的作用。为了实现自动潮水，在发酵罐的主轴上采用一端封闭，一端开口，在开口端连接进水管及其相应的精确定量潮水装置，潮水后，将一端的盖打开，进行通风。本设计轴管采用无缝不锈钢管，如图所示。6.4 保湿、保温的结构的设计 本发酵罐在罐体结构上采用双层不锈钢结构，内层罐体上均匀开有直径为3mm，孔距离为80 mm的小孔，起到渗水和通气的作用。外层罐体为全封闭式的不锈钢材料，考虑到发酵时茶叶的保湿性，所以在内外层罐体之间有40mm的夹层，夹层形成一个环流的保温、保湿层。在罐体的最大直径处开有放水和进气伐门。在发酵潮水初期，盖上伐门，潮
24、水后的发酵过程中打开阀门，起到对流通气的作用。 6.4 发酵罐自动控制系统本控制系统采用PLC控制作为主控，PLC与变频器连接，使变频装置、精确定量潮水装置、温湿度传感器及PH传感器等构成了自动发酵罐系统， 利用PLC和变频器进行速度同步控制，可同时完成普洱茶在发酵过程中的精确定量潮水、通风、控温、控湿、数据采集、数据存储、数据分析以及每个阶段的解块、补水等功能。采用这种离地发酵式的发酵设备，使普洱茶在发酵过程中的环境稳定，并在这种环境下进行了生产试验，得到试验的相关数据并进行处理，从试验数据中找出普洱茶发酵湿度对普洱茶品质形成影响的一些规律，为普洱茶的规模化发酵生产提供相应的科学依据和实际发
25、酵参数。 6.5 精确定量自动潮水系统自动控制条件下环境温度、湿度、空气质量转换对内部温度、湿度等条件下对普洱茶品质形成有较大的影响， 精确定量潮水与发酵温度、品质变化有很大的关系，是关键的工序之一。本设计所采用的精确定量潮水系统是由定量控制仪、涡轮流量计（流量传感器）及电磁阀组成，流量计采用两线制4-20mA电流脉冲输入给定量控制仪，定量控制仪（采用继电器输出）检测累积流量达到设定值时，输出一个闭合信号使电磁阀与电源形成一个回路进而关闭电磁阀，此处电磁阀采用的是常开状态，定量控制过程框图如图。7 普洱茶自动发酵罐的应用效果分析7.1 普洱茶自动发酵罐现场发酵设计离地式的发酵罐，打破了传统的地
26、面发酵方式，改善了普洱茶发酵的卫生状况，搅拌机构为普洱茶的均匀潮水提供了保证，自动控制装置不仅实现了发酵过程的自动化，而且大大的降低了工作强度，茶叶入罐以后，整个发酵过程都实现自动控制。通过本次实验研究，我们认为采用自动化发酵设备进行普洱茶发酵，能够为普洱茶的品质提升提供可靠的理论数据。8.2 普洱茶自动发酵罐发酵实验效果分析8-1 现场实验图普洱茶发酵自动控制与监测研究与分析，以普洱茶原料为试验对象，对车间外部环境条件（温度、湿度）进行监测、数据采集，按25%-30%渥堆前潮水比例、自动控制精确定量潮水，接入不同发酵剂进行普洱茶加工试验。普洱茶原料入罐后，三天进行一次自动控制翻转，到第5天温
27、度不断上升39度，11天时温度稳定在52度，18天时温度最高58度，此时特征成分、风味成分及品质变化已经形成，色泽、香气 等已经有明显的变化，到第24天温度稳定在52度，27天温度在40度，及时调控与普洱茶品质形成有关的参数。此次实验周期为29天就完成了发酵。每天详细记录实验数据，包括发酵室的温湿度、渥堆内温度、发酵叶相变化、感官审评色、香、味变化等都非常理想。第二罐的发酵按30%渥堆前潮水比例，48小时温度已经达到51度，现在第4天温度不断上升，已经到53度，可望20朵天就可以出罐。结论：采用自动发酵罐发酵普洱茶，罐内环境条件（温度、湿度、空气质量交换）对有益菌的大量繁殖创造最佳的生存条件。
28、湿水量得到严格控制且均匀，每2天内，对茶叶内部发酵变化程度所对应进行自动检测，为茶叶再次均匀潮水、茶叶翻动 ，提供相应的理论依据。罐内每层都在自动控制及检测的情况下具有透气、通氧，保温、保湿、厚度均匀等，避免因堆放过厚、温度过高、水分过重无法监测等导致烧心、霉变品质下降的不良后果。 发酵罐发酵改变传统普洱茶发酵人工湿水、翻堆的不均匀性，避免人工翻送致使茶叶碎化、清洁卫生条件差等的劣势。发酵过程中实现自动控制对生产的普洱茶进行科学鉴定，确保生产最佳品质的普洱茶。参考文献 1 陈忠华编著可编程序控制器与工业自动化系统M北京：机械工业出版社，2008：33-382 刘锴，周海，杨光等深入浅出西门子S7-300PLCM北京：北京航空航天大学出版社，2008：175-1773 崔坚编著可编程序控制器与工业自动化系统M北京：机械工业出版社，2008：33-384 周红杰，李家华，甘月明等.普洱茶渥堆过程化学成分变化与品质形成的关系J.茶苑，2004（1）：6-85周红杰，秘鸣，韩俊，李家华，艾田.普洱茶的功效及品质形成机理研究进展J. 茶叶，2003，29（2）：75-776龚加顺，周红杰，张新富，宋姗，安文杰.云南晒青绿毛茶的微生物固态发酵及成分变化研究. J茶叶科学，2005，25(4)：300-306
