王純賢，桑 佳，朱彥飛，張祖德，何六福

猴魁茶是中國綠茶中的高檔茶品，傳統(tǒng)制作工藝極為考究，工序大致可分為茶葉采摘－殺青－理條－鋪放－整形－烘干［1］。理條是指茶工把出鍋的殺青葉一根一根地用手捋直，然后均勻整齊地鋪放在特制的木制鐵砂網盒上，即茶農俗稱的牽茶工序。捋直時，要用手指將2葉包裹住嫩芽，形成“2葉抱1芽”的茶條，鋪放時要求茶葉不相互折疊、不彎曲、不黏連。整形是指將木制鐵砂網盒上理直的茶葉上面扣一個空砂網盒，將上下砂網夾好，固定住茶條后在上面鋪上棉布，再用木制滾輪輕輕滾壓，一般滾壓一次，使葉片平伏挺直即可，這個操作實際上改變了茶葉表皮細胞組織結構，促進了茶多酚等內含物質成分的轉化，從而減輕了茶葉的苦澀味，使口感更加柔和滋潤。滾壓后的茶葉更加符合“兩頭尖，不散不翹不卷邊”的外形要求。由于傳統(tǒng)手工制作勞動強度大、效率低，一些茶葉加工企業(yè)采用了茶葉壓扁機，雖然提高了加工效率，但由于施壓過重，壓破了茶葉的嫩莖和芽葉，造成茶汁流失，影響了茶葉的品質［2］。

猴魁茶傳統(tǒng)制作工藝中，人手與茶葉過多接觸，不僅生產效率低，而且難以做到清潔化生產。茶葉壓扁機雖然提高了壓扁工序的自動化程度，但與其他工序之間聯(lián)系不緊密，造成整個生產過程自動化程度低，勞動強度大，生產效率低。為此，本研究借鑒傳統(tǒng)制作工藝，設計開發(fā)了基于PLC控制的理條、整形、印字、鋪放連續(xù)自動化設備，提高了生產效率、降低了勞動強度，同時有利于猴魁茶的清潔化、標準化生產［3，4］。 利用猴魁茶葉片尺寸大的特點，增加了整形過程中在茶葉葉片表面印字或商標的功能，有利于對傳統(tǒng)猴魁茶原產地和品牌的保護［5］。

1　總體結構設計

如圖1所示，連續(xù)自動化設備包括送料、理條、整形印字、自動鋪放和控制系統(tǒng)5個部分。在操作臺面上，安裝有左側進料盒和右側進料盒，操作人員將殺青后的猴魁葉片放入進料盒中，利用氣流，通過輸料管將葉片送到理條部分，之后通過整形和印字部分對猴魁葉片進行輕壓整形，并在葉片表面印出商標或文字等標記。整形印字后的猴魁葉片通過自動鋪放裝置，均勻整齊地排列在木制鐵砂網盒上。通過操作臺上的觸摸屏，可以對設備的運行參數(shù)進行設置和調整，利用PLC控制各個部分實現(xiàn)連續(xù)自動化生產。

圖1　設備總體結構

2　送料、理條、整形、印字、鋪放各部分結構設計

2.1　送料裝置設計

進料盒結構如圖2所示。操作人員將猴魁葉片逐根放入進料盒料槽塊的料槽中，進料盒蓋板小氣缸推動進料盒蓋板遮蓋住進料盒料槽塊。之后氣流通過節(jié)氣閥進入進料盒進氣塊中，吹動猴魁葉片進入進料盒出料塊。進料盒出料塊的出料口為圓錐形，保證猴魁葉片從大口被順暢吹入，進入與進料盒出料塊相連的透明塑料輸料管中。安全檢測反射式光電傳感器用于檢測操作人員放置猴魁葉片時，手是否離開進料盒蓋板，防止夾傷手。茶葉檢測反射式光電傳感器用于檢測操作人員由遠到近放置猴魁葉片時，最后一個料槽中是否放置了猴魁葉片。

圖2　送料盒結構

2.2　理條部分結構設計

理條部分結構如圖3所示。理條固定塊將輸料管和彈性理條錐管連接在一起。在氣流的吹動下，猴魁葉片從輸料管通過彈性理條錐管大端進入錐體和小圓柱端，之后猴魁葉片柄部進入壓扁部分的主動壓輥與從動壓輥之間，將猴魁葉片柄部夾住，主動壓輥和從動壓輥轉動時，對猴魁葉片產生拖動作用，理條原理結構如圖3a所示。彈性理條錐管用彈簧片制成，上下兩端為圓柱管，中間部分為圓錐管，小圓柱管軸向均勻的開出4個槽，彈性理條錐管結構如圖3b所示。在氣流吹動和壓輥拖動的雙重作用下，猴魁葉片通過彈性理條錐管的小圓柱端，彈性理條錐管在軸向被分割成的4片彈簧片模仿人的4個手指頭，抱住猴魁葉片，完成理條動作，即右手拉住猴魁葉片柄部向前拖動，左手4指完成對猴魁茶葉片部分的抱緊捋直，使猴魁茶成條索狀。

圖3　理條原理結構（a）和彈性理條錐管結構（b）

2.3　整形和印字結構設計

整形和印字部分結構如圖4所示。壓扁整形由主動壓輥和從動壓輥完成。主動壓輥和從動壓輥上沿軸向均勻設置6個相同的壓扁整形槽，一次可以完成6根猴魁葉片的壓扁整形。猴魁葉片通過彈性理條錐管理條后，首先猴魁葉片葉柄部分進入主動壓輥和從動壓輥上的壓扁整形槽之中，步進電機通過聯(lián)軸器驅動主動壓輥轉動，主動壓輥和從動壓輥轉向相反，相互擠壓，通過摩擦力帶動猴魁葉片完成從葉柄到葉尖的壓扁整形。擰動從動壓輥壓力調整滾花螺釘，通過安裝在左擋板和右擋板頂部的從動壓輥壓力調整固定塊，實現(xiàn)從動壓輥壓力調整塊的壓緊和放松，從而實現(xiàn)對猴魁葉片壓扁力的調整。海綿吸濕塊模仿傳統(tǒng)猴魁茶制作中壓扁工序中棉布的作用，把海綿吸濕塊分別壓在主動和從動壓輥表面，用于吸附壓輥表面的茶汁。在整形落料擋板的兩側安裝有落料檢測傳感器的發(fā)射端和接收端，用以檢測整形印字后的茶葉是否落下。

圖4　整形和印字部分結構

印字部分結構如圖5所示。印字塊鑲嵌在主動壓輥上，與壓扁整形槽相對應。在壓扁整形的過程中，通過印字塊上凸起的文字或商標，完成猴魁葉片的印字。每個印字塊用固定螺釘固定在主動壓輥上。

圖5　印字部分結構

2.4　鋪放部分設計

自動鋪放部分結構如圖6所示。鋪放網板托盤上的3個固定框邊用于定位鋪放網板。鋪放網板托盤固定在鋪放網板托盤托板上，橫向移動裝置固定在縱向移動裝置的托板上。移動裝置由步進電機驅動同步帶主動輪帶動同步帶傳動，同步帶固定板與托板連接，同步帶運動時，帶動托板沿兩側的直線光軸移動。在兩端的直線光軸支架旁安裝有接近開關，用于托板原點位置的確定和極限位置的保護。橫向移動裝置和縱向移動裝置的結構相同，這樣就構成了自動鋪放機構，在程序的控制下使猴魁葉片整齊落入到網板上。

圖6　自動鋪放部分結構

3　基于PLC的控制系統(tǒng)設計

3.1　控制系統(tǒng)功能分析和硬件結構

控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、觸摸屏、步進電機、步進電機驅動器、光電傳感器［5］。由于步進電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，能將脈沖信號變換為相應的位移，其位移量與脈沖數(shù)成正比，移動速度和脈沖頻率成正比，所以，用步進電機帶動整形印字機構、自動鋪放機構，不僅能實現(xiàn)精確定位，還能調節(jié)運行的速度。設定的進給脈沖數(shù)、頻率和方向經過步進驅動器到達步進電機，轉化為主動壓輥的轉速和鋪放網板的位移量、前進速度和進給方向［6－10］。 通過控制電磁閥的通斷，實現(xiàn)進料盒蓋板的閉合和打開、進料盒吹料動作。控制系統(tǒng)以PLC為中心，觸摸屏和PLC進行雙向通信。在觸摸屏上設定主動壓輥電機的轉速、鋪放裝置的移動速度、移動距離和次數(shù)等。加工的總盤數(shù)可以在觸摸屏主界面上顯示出來。在機組運行的中若遇到緊急情況，可以通過外部的急停按鈕來切斷電源。

3.2　控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

PLC輸入點包括啟動、停止、復位，橫向和縱向鋪放裝置的原點開關、左極限開關、右極限開關等14個數(shù)字量輸入信號。輸出點包括整形印字步進電機、橫向和縱向移動步進電機的脈沖信號、方向信號，進料盒蓋板電磁閥、進料盒吹料電磁閥等9個數(shù)字量輸出信號。從I／O點數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，最終選用臺達DVP14SS211T和一個擴展模塊DVP16SP11T。該自動化設備控制系統(tǒng)組成如圖7所示。

3.3　控制系統(tǒng)的軟件和人機界面設計

控制系統(tǒng)的軟件包括PLC控制程序和人機交互界面，控制流程如圖8所示。根據程序模塊化的設計思想，PLC程序分為系統(tǒng)初始化（參數(shù)清零、電機回原點）、系統(tǒng)參數(shù)設置、手動操作（電磁閥控制、自動鋪放機構控制）、自動操作4個子程序。觸摸屏程序包括手動運行、自動運行、參數(shù)設置和報警顯示4個功能模塊［10－15］。下面簡要介紹觸摸屏各個功能模塊的開發(fā)。

圖7　猴魁茶理條整形印字鋪放自動化設備控制系統(tǒng)組成

圖8　控制流程

1）手動運行模式可對每一部分機構進行單獨操作。通過進料盒蓋板電磁閥按鈕實現(xiàn)蓋板的閉合，進料盒吹料電磁閥按鈕實現(xiàn)單獨送料，橫向移動和縱向移動實現(xiàn)自動鋪放機構的進給運動。手動運行模式還可用于調試設備，故障診斷等。

2）自動運行模式供一般工作狀態(tài)下使用。在該模式下按下啟動按鈕，系統(tǒng)便開始進入連續(xù)循環(huán)的工作狀態(tài)，直到按下停止按鈕。

3）參數(shù)設置模塊用于設定系統(tǒng)運行參數(shù)，觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)設置界面如圖9所示。

4）報警顯示模塊中，當自動鋪放機構在移動的過程中超過安全位置，觸碰到極限開關時，蜂鳴器會立即報警，觸摸屏上會顯示報警信息。

圖9　觸摸屏參數(shù)設置界面

4　小結

在分析猴魁茶制作工藝基礎上，模擬傳統(tǒng)手工制作工藝，設計和開發(fā)了猴魁茶送料、理條、整形、印字、鋪放連續(xù)自動化生產設備，結合猴魁葉片大的特點，在整形過程中增加了猴魁茶葉片表面印字或商標的功能，同時討論了送料、理條、整形、印字、鋪放部分的結構設計。通過采用觸摸屏和PLC相結合的控制方式，在觸摸屏人機界面上設置相關運行參數(shù)，實現(xiàn)了猴魁茶殺青后到烘干前各工序的連續(xù)自動化生產，解決了傳統(tǒng)猴魁茶加工中勞動強度大、自動化程度低、難以實現(xiàn)清潔化生產等缺點，大大提高了生產效率和產品質量。猴魁茶理條整形印字鋪放自動化設備的研制，對于其他扁形茶葉的加工也具有一定的參考意義。目前，該自動化設備已投入市場，具有廣闊的應用前景。

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