基于PLC的全自動茶葉壓餅機械的設計與試驗

張應根，陳泉賓，王秀萍，王振康，陳 林，尤志明

(福建省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，福建 福安 355015)

條形茶(紅茶、綠茶)及保留了鮮葉自然形狀的白茶產(chǎn)品，存在外形松散，包裝、貯運成本高，攜帶不便等問題，并已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要技術瓶頸之一。將茶葉壓制成餅，是解決外形松散的有效途徑。除漳平水仙[1]及花香型白茶餅[2]外，茶餅的壓制一般是先將鮮葉制成干毛茶后，采用蒸汽蒸熱，使含水率增加，條索變軟，然后用模具將茶葉壓制成餅塊狀[3-5]。目前采用的茶餅壓制機械，主要模仿石模壓制的原理，在餅塊壓制工序時利用液壓機提供壓力，其他工序如稱茶、蒸茶、上料、出料等作業(yè)仍需人工操作，自動化程度低，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，人工成本高[6]。因此，通過改進和完善茶葉壓餅機械的現(xiàn)有結構，使機械能夠同時完成壓餅的所有工序，將對茶餅生產(chǎn)實現(xiàn)自動化具有巨大的推動作用。

PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)，具有能耗量低、體積小、速度快、操作簡單和控制精準等優(yōu)點，已廣泛應用于石油、化工、電力等行業(yè)[7-9]，將PLC自動控制技術應用于茶葉機械化、自動化生產(chǎn)中明顯提高了茶葉加工的自動化水平，提高了茶葉品質，增加了企業(yè)效益[10-12]。為此，本文針對茶餅壓制機械存在作業(yè)效率低，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定等問題，結合茶餅壓制工藝要求，利用PLC技術的控制優(yōu)點，設計出全自動茶葉壓餅機械樣機，并對機械運行效果進行了測試，以期為實現(xiàn)茶餅的自動化生產(chǎn)提供裝備支持。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

整機組成主要結構包括上料提升機，蒸汽蒸熱機構，壓片機構和PLC控制系統(tǒng)。上料提升機由儲料斗及提升機組成，蒸汽蒸熱機構由蒸汽發(fā)生器和蒸汽烘箱組成，壓片機構主要由進料斗、模具和液壓機構組成。整機結構與實物如圖1、2示。主要技術參數(shù)如表1。

圖1 整機結構圖Fig.1 Structure of whole machine

圖2 整機實物圖Fig.2 Physical picture of whole machine

1.2 工作原理及壓制過程

1.2.1 工作原理 茶葉(干茶)經(jīng)蒸汽蒸熱一段時間后，含水量增加(25%以上)，條索變軟，內(nèi)含物質部分溶于水并滲透至外表面，使茶葉具備一定的可塑性和粘性，在外力的擠壓下，可以壓制成一定密度的茶餅。

1.2.2 茶餅壓制的主要動作 茶餅壓制過程的主要動作包括：上料、蒸熱、進料、壓制、出料(推出成品)、送成品，工藝動作分解如圖3示。

(1)茶葉經(jīng)提升機送至蒸汽烘箱，經(jīng)蒸汽蒸熱輸送到進料斗后，進料斗向模具腔的上方推進，準備將茶葉裝入模具腔中，同時將上一輪壓制成型的茶餅推出。

(2)進料斗推進到模具腔的上方后，液壓機下沖頭下降，空出模具腔，同時進料斗在模具腔上方作前后多次的振蕩擺動，將茶葉均勻加料到模具腔中。

(3)加料結束后，進料斗后退復位，液壓機上沖頭開始下壓。

(4)液壓機上沖頭下壓，到達設定壓力值后，保壓定型一段時間。

(5)保壓時間結束后，液壓機上沖頭上升，之后下沖頭也上升，頂出壓制好的茶餅，進料斗開始下一輪進料，同時將壓好的茶餅推出。

2 主要部件設計

2.1 上料提升機

由儲料斗和提升機組成。提升機輸送傾角45°，輸送高度1.7 m，傳送電機無極調速，可根據(jù)物料特性任意調整傳送速度。儲料斗上安裝有振動電機，每隔一定時間振動一次，以確保儲料斗中的茶葉能順利進入提升機傳送帶中，每次振動時間及振動間隔時間可根據(jù)物料狀況自由設定(圖4)。

表1 主要技術參數(shù)

圖3 壓片原理與動作過程Fig.3 Compressing principle and action process

圖4 上料提升機Fig.4 Feeding hoister

2.2 蒸汽蒸熱機構

2.2.1 機構組成 主要包括蒸汽發(fā)生器和蒸汽烘箱。蒸汽發(fā)生器為電加熱式，加熱功率12 kw、自動加熱，蒸汽壓力自動控制、壓力恒定，產(chǎn)生連續(xù)蒸汽，自動補水。蒸汽烘箱長2.3 m，寬23 cm，高29 cm，包括箱體、蒸汽腔和傳送帶。傳送帶表面至烘箱頂端距離3.5 cm，即烘箱傳送帶上攤葉厚度最多為3.5 cm，傳送帶無極調速(圖5)。

2.2.2 蒸熱原理 如圖6示，蒸汽烘箱主要由烘箱外殼、蒸汽腔、傳送帶組成。蒸汽腔為內(nèi)空的長方體，腔體的頂端面上設有蒸汽出孔，孔上方為具有細密網(wǎng)孔的傳送帶，在一個側面中部設有蒸汽入口，底部設有水出孔。蒸汽經(jīng)由入口進入蒸汽腔，在壓力作用下，蒸汽經(jīng)由蒸汽腔的頂面出孔到達傳送帶，穿過傳送帶網(wǎng)孔，對傳送帶上的茶葉進行蒸熱，蒸熱的同時也使茶葉增濕、變軟，可通過調節(jié)傳送帶的速度來調節(jié)蒸熱的時間。蒸熱后多余蒸汽從烘箱兩端出口流走，蒸汽冷凝形成的水由蒸汽腔的出水口流至烘箱出水口流走。

圖5 蒸汽烘箱Fig.5 Steam oven

圖6 蒸汽蒸熱原理Fig.6 Steaming principle

2.3 壓片機構

2.3.1 機構組成 壓片機構主要包括進料斗、液壓機、模具等。液壓機為柱塞缸四柱式液壓機，最大工作壓力60噸，壓力可在0～60噸范圍內(nèi)任意調節(jié)，上、下雙壓沖頭設計，上沖頭最大行程250 mm，每分鐘能完成4～6行程。模具為多腔模具設計，1模9腔，每腔為直徑4.5 cm圓形，可配備模具最大尺寸為250 mm。

2.3.2 進料動作 主要包括：①進料斗向右推進至模具腔上方位置(圖7虛線位置)；②進料斗在模具腔上方作振蕩運動，將茶葉加入到模具腔內(nèi)，振蕩幅度及振蕩次數(shù)可根據(jù)加料情況調整；③加料完后，進料斗回復到初始位置，待壓餅行程結束后，進行下一輪加料循環(huán)，并推出壓好的茶餅。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

2.5.1 PLC控制程序設計 PLC控制程序設計手動作業(yè)、自動作業(yè)和調試作業(yè)三種模式。調試模式主要用于設備的調試和維修，自動作業(yè)主要用于生產(chǎn)，手動作業(yè)主要用于工藝試驗與少量生產(chǎn)。根據(jù)茶餅壓制所需要完成的動作，各作業(yè)模式設計控制系統(tǒng)作業(yè)流程如圖8和圖9。

圖7 進料裝置Fig.7 Feeding device

圖8 控制程序流程圖Fig.8 Flow chart of control program

當啟動自動作業(yè)模式后，儲料斗中的茶葉由提升機送至蒸汽烘箱，經(jīng)蒸熱后到達進料斗，待進料斗中的缺料檢測感應器檢測到有茶葉時，進料斗開始送料至模具腔中，進行循環(huán)壓餅作業(yè)。在手動作業(yè)模式下，當選擇自動進料時，程序啟動后，將按自動模式的流程完成一次壓餅循環(huán)；當選擇手動進料時，則需先進行手動加料后，再啟動程序，完成一次壓餅動作(圖8)。調式模式可以對油泵、提升機、蒸汽烘箱、抖動電機、液壓機油缸升降、加料器進退等設備進行單點測試。

圖 9 調試作業(yè)控制流程圖Fig.9 Flow chart of debugging operation

2.5.2 參數(shù)設置 運行參數(shù)的設置主要針對壓餅工序各過程的時間及壓力參數(shù)進行設定。詳細參數(shù)設定說明見表2。

表2 運行參數(shù)設置

2.6 反饋控制

2.6.1 缺料反饋 上料提升機的儲料斗，壓片機構的進料斗均設有缺料感應器。機器開啟后，感應器開始工作，若2個感應器均檢測到缺料，則除蒸汽烘箱傳送帶外，其余動作均不啟動；若儲料斗中有料，而進料斗缺料，提升機工作，壓片機構處于等待狀態(tài)；若運行過程中，儲料斗缺料而進料斗有料，則提升機停止運行，壓片機繼續(xù)運行至進料斗檢測到缺料后并繼續(xù)運行停機延時時間，然后系統(tǒng)停機。

2.6.2 滿料反饋 進料斗設有滿料檢測感應器。當檢測到滿料后，上料提升機停止上料，直至感應器未檢測到滿料為止。

2.6.3 安全控制 安全光柵：在圖10示的操作位置左右兩側的液壓機立柱上設有安全光柵，當有異物進入模具腔位置上、下沖頭運動區(qū)域時，機器的所有運動部分將暫停，直到異物排出后，才繼續(xù)運行。

緊急停止：在機器的手動操作位置和PLC控制屏兩處設有急停按鈕，按下該按鈕則機器完全靜止。

3 壓餅試驗

3.1 試驗材料

條形紅茶(工夫紅茶)，條索長度小于3 cm。

3.2 試驗方法

3.2.1 主要參數(shù)設置 作業(yè)模式為全自動壓餅模式。蒸汽壓力0.4 MP，蒸熱時間60 s，一次加料時間3 s，多次加料間隔時間0.6 s，加料次數(shù)4次，工作壓力10噸，保壓時間3 s。

3.2.2 成品率與產(chǎn)能計算 如圖10示對機器的9個模具腔的位置進行標記，茶餅壓制過程中，隨機抽取12模(108片)為測試對象，將樣品按不同孔位分開，統(tǒng)計每個孔位茶餅的成品和損壞的數(shù)量，計算成品率。茶餅壓制完成被進料斗推出后，表面均整光滑、不松散的為成品，被進料斗推出后，出現(xiàn)缺角、松散的為損壞品(圖11)。以單位時間(1 h)內(nèi)所能壓制完成的干茶數(shù)量表示機器產(chǎn)能，計算公式如下：

產(chǎn)能(kg/h)=[單位時間完成的模數(shù)×9×茶餅質量(g)]÷1000×成品率

3.2.3 茶餅質量差異分析 在成品茶餅中隨機取樣三組，每組取樣20片，對每塊茶餅稱重，記錄餅塊的質量，分析茶餅的質量誤差。

圖10 模具孔位置圖Fig.10 Mold Cavity Location diagram

3.3 試驗結果

3.3.1 成品率與產(chǎn)能 表3結果表明，在9個模腔孔中，僅靠近出料端一列(圖10示位置)的樣品出現(xiàn)損壞，另外兩列未出現(xiàn)樣品損壞現(xiàn)象。計算得總成品率為86.1%。

圖11 壓制的茶餅Fig.11 Compressed tea cakes

表3 成品率

在試驗設定參數(shù)條件下，平均每小時能完成270次壓餅循環(huán)，獲得2430片茶餅，成品茶餅的平均質量為8.35 g，計算產(chǎn)能為17.47 kg·h-1。

3.3.2 質量差異分析與產(chǎn)能計算 隨機取樣三組，樣品質量數(shù)據(jù)如表4。經(jīng)計算得總體均值為8.35 g，標準差為0.26，變異系數(shù)3.11%。

表4 取樣結果

方差分析結果表明，在0.05水平下，茶餅重量總體均值并非顯著性地不同(P=0.23699>0.05)，即總體均值差異不顯著(表5)；LSD多重比較結果表明，三組樣品組間差異也不顯著(圖12)。

表5 方差分析結果

圖12 茶餅質量均值比較(LSD)結果Fig.12 Means comparison of weight of tea tablets by LSD

4 結論

采用PLC程序控制設計的茶葉壓餅機械，實現(xiàn)了茶餅壓制的全自動機械化，在本文試驗條件下，所壓制的茶餅平均重量為8.35 g，標準差為0.26，變異系數(shù)3.11%，成品率為86.1%，能滿足茶餅生產(chǎn)要求。

在本試驗條件下，機械產(chǎn)能達17.47 kg·h-1，機器操作簡單，僅需1人即可完成所有壓餅作業(yè)，較現(xiàn)有壓餅作業(yè)需要6人完成相比[6]，顯著提高了生產(chǎn)效率及茶餅壓制的自動化程度，減少了人工成本。