普洱茶发酵PLC自动控制与关键设备的研发-黄云战(主题报告)

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¹熊同强¹郝强¹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。HUANGYun-Zhan¹ZHOUHong-Jie²**ZHAOYong-Jie4MAZhen-Gang¹XIONGTong-Qiang¹HAOQiang¹HUANGHe³CHENFan5(1.KunmingInstituteofRailwayTechnologyCollege,Kunming650208,China;2.CollegeofPu'ertea,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;3.YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;4.,KunmingInstituteofRailwayTechnologyCollege,Kunming650208,China;5.KunmingUniversityofScience&Technology,Kunming650051,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”[2008]1657-20作者简介：黄云战，（1953－），男，教授，云南广南人，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:[e-mail]**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:[e-mail]21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3通风的需要；设计时考虑到潮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60m2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4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∅4mm²铜线,其它所用导线均采用∅2.5mm²铜线。2.3普洱茶发酵自动控制车间功能设计及技术路线图52-3普洱茶自动控制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。3-1PLC控制主控设备外形图63-2PLC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。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7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--30μm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2002m，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%