一種入倉(cāng)水分超標(biāo)糧食的分揀系統(tǒng)

王宏偉, 劉　培

(航天信息股份有限公司，北京　100195)

?

一種入倉(cāng)水分超標(biāo)糧食的分揀系統(tǒng)

王宏偉, 劉培

(航天信息股份有限公司，北京100195)

摘要：給出一種入倉(cāng)糧食在線自動(dòng)分揀方法及系統(tǒng)。該方法依托于水分在線檢測(cè)技術(shù)，以擋板為分揀實(shí)現(xiàn)形式，通過(guò)判斷當(dāng)前糧食的水分含量是否滿足入倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)切換擋板，不同水分含量的糧食可分別由入倉(cāng)通道或分揀通道流出，以適合入倉(cāng)水分含量標(biāo)準(zhǔn)為界，有效區(qū)分入倉(cāng)糧食的水分含量標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)能夠快速、自動(dòng)地避免水分超標(biāo)糧食入倉(cāng)，保證倉(cāng)儲(chǔ)糧食安全，同時(shí)分揀方法簡(jiǎn)單有效，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：入倉(cāng)；水分；分揀；擋板；糧食

0引言

隨著我國(guó)工業(yè)進(jìn)程的不斷發(fā)展及農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，糧食收購(gòu)進(jìn)入賣方市場(chǎng)，不少地區(qū)收購(gòu)的糧食沒(méi)有得到充分晾曬，導(dǎo)致集約化儲(chǔ)藏的糧食水分超標(biāo)[1-2]。扦樣[3]對(duì)水分的檢驗(yàn)起到了一定的把關(guān)作用，但由于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、集約化程度較低，收獲的糧食品質(zhì)一致性難以保證[4]。糧食入倉(cāng)前在線烘干[5]是杜絕水分超標(biāo)糧食入倉(cāng)的有效方法；但由于在線烘干設(shè)備構(gòu)造繁雜、體積較大、成本較高，目前國(guó)內(nèi)許多中小型糧庫(kù)不具備糧食在線烘干能力。水分超標(biāo)糧食進(jìn)入儲(chǔ)藏、流通環(huán)節(jié)將嚴(yán)重影響糧食的安全性[6]。因此，在入倉(cāng)前分揀出水分超標(biāo)糧食是保證糧食安全的重要手段。

1背景

本入倉(cāng)水分超標(biāo)糧食分揀方法及系統(tǒng)依托于國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“糧食流通數(shù)字化集成技術(shù)研究與示范”(2013BAD 17B07)，基于微波技術(shù)[7]的入倉(cāng)水分在線檢測(cè)傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)4~20mA作為分揀系統(tǒng)采集到的水分含量數(shù)據(jù)。整個(gè)分揀系統(tǒng)如圖1所示。

基于微波技術(shù)的入倉(cāng)水分在線檢測(cè)傳感器可在線、無(wú)損、快速、準(zhǔn)確檢測(cè)糧食水分含量，圖2為本系統(tǒng)采用的自研傳感器安裝模型[8]。

圖1　分揀系統(tǒng)模型(左)及實(shí)體圖(右)

1.接收天線　2.糧食　3.發(fā)射天線　4.輸送單元　5.處理單元

本文所述水分在線檢測(cè)傳感器由3部分組成：接收天線、發(fā)射天線、處理單元。發(fā)射天線安裝于輸送單元上下皮帶之間，接收天線安裝于發(fā)射天線的正上方，兩天線的輻射端口正相對(duì)。糧食流經(jīng)兩天線之間，方向?yàn)槿雮}(cāng)口。發(fā)射天線發(fā)送一定頻率、一定強(qiáng)度的微波信號(hào)(本課題采用X波段作為工作頻率[9])，通過(guò)一定厚度的糧食層后，衰減后的微波信號(hào)被接收天線接收。接收信號(hào)的衰減強(qiáng)度與相位變化與糧食的水分含量相關(guān)，通過(guò)衰減信號(hào)與水分含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得出糧食的水分含量值，并轉(zhuǎn)化為4~20mA的電流信號(hào)輸出給分揀系統(tǒng)。

分揀系統(tǒng)分析水分傳感器發(fā)送電流信號(hào)，并解析出當(dāng)前糧食水分含量，判斷此部分糧食是否需要分揀，從而確保入倉(cāng)糧食的水分含量均滿足入倉(cāng)儲(chǔ)藏需求。

2分揀系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于擋板的自動(dòng)分揀方法及系統(tǒng)。

擋板作為分揀功能實(shí)現(xiàn)的部件，在本系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。通過(guò)控制擋板的狀態(tài)，搭建兩條不同的通道，使得當(dāng)前糧食可根據(jù)水分含量的不同，路徑發(fā)生改變。

如圖3所示，該自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要由控制單元、輸送單元、分揀單元及兩個(gè)通道(入倉(cāng)通道、分揀通道)構(gòu)成。擋板作為關(guān)鍵部件，分屬于分揀單元。

圖3　分揀系統(tǒng)架構(gòu)圖

以下將對(duì)該分揀系統(tǒng)組成及原理分別描述。

2.1　控制單元

控制單元是本核心的中樞部分。該單元主要完成分析、判斷、控制等功能，如圖4所示。

控制單元作用為：①接收水分傳感信號(hào)，并與內(nèi)部設(shè)定信號(hào)比較，判斷糧食是否可以入倉(cāng)；②控制輸送單元運(yùn)行速度，匹配入倉(cāng)糧食吞吐量需求；③控制分揀單元器件開(kāi)合時(shí)間點(diǎn)與時(shí)間段，分揀水分超標(biāo)糧食。

圖4　控制單元核心結(jié)構(gòu)圖

本項(xiàng)目采用西門子S7-300作為主控器件[11]，如圖5所示。圖6為系統(tǒng)實(shí)際采用的控制柜體內(nèi)器件布局。

圖5　主控器件

圖6　控制柜體

2.2　輸送單元

輸送單元作為待入倉(cāng)糧食的載體，輸送皮帶的運(yùn)行速度受控于控制單元。

如圖7所示，輸送單元的規(guī)格、型號(hào)直接影響到分揀系統(tǒng)的吞吐量大小，合適的輸送皮帶運(yùn)行速度和皮帶寬度應(yīng)匹配實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)入倉(cāng)作業(yè)量的需求確立。本文所述分揀系統(tǒng)選用140cm寬度的皮帶，運(yùn)行速度可在0.2~1.5m/s范圍內(nèi)自由選擇。經(jīng)試驗(yàn)，該分揀系統(tǒng)可滿足60~80t/h的入倉(cāng)工作量，有效地滿足大多數(shù)糧食倉(cāng)儲(chǔ)單位入倉(cāng)作業(yè)需求[13]。

輸送單元的運(yùn)行速度受控于電機(jī)，控制單元通過(guò)控制變頻器的輸出頻率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而有效選擇輸送單元的運(yùn)行速率。

(a)　模型

(b)　實(shí)體

2.3　分揀單元

分揀單元是水分超標(biāo)糧食分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

本系統(tǒng)采用擋板作為分揀部件，擋板受作用于電機(jī)。如圖8所示，矩形擋板中軸固定，兩端可開(kāi)合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)擋板，類似于單刀雙擲開(kāi)關(guān)。

圖8　分揀單元示意圖

圖8所示分揀部件(擋板)的兩種狀態(tài)：圖8中1為擋板閉合狀態(tài)，2為由閉合狀態(tài)切換為開(kāi)放狀態(tài)。此過(guò)程由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擋板2狀態(tài)位置位于1狀態(tài)下方。

假定檢測(cè)到的當(dāng)前糧食水分含量為m1，設(shè)定入倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)為m0，當(dāng)m1>m0時(shí)，擋板打開(kāi)為2狀態(tài)，分揀通道暢通，入倉(cāng)通道被阻斷；相反，m1≤m0時(shí)則擋板關(guān)閉，保持為1狀態(tài)，入倉(cāng)通道暢通，分揀通道被阻斷。擋板技術(shù)指標(biāo)包括：①切換速度，受控于電機(jī)；②擋板部分與入倉(cāng)通道結(jié)構(gòu)的切合度，亦即當(dāng)糧食入倉(cāng)通道時(shí)，無(wú)顆粒散落至分揀通道。

分揀擋板的外形及安裝方式如圖9所示。

(a)　外形

(b)　安裝

2.4兩個(gè)通道

本項(xiàng)目涉及兩個(gè)通道，即入倉(cāng)通道與分揀通道，如圖10所示。當(dāng)糧食無(wú)需分揀時(shí)，擋板狀態(tài)1，糧食經(jīng)由圖10上側(cè)所示入倉(cāng)通道入倉(cāng)；當(dāng)糧食需要分揀時(shí)，擋板狀態(tài)2，糧食經(jīng)由圖10下側(cè)所示分揀通道退出入倉(cāng)流程。

(a)　分揀通道

(b)　模型

圖10中箭頭方向?yàn)榧Z食沿通道流動(dòng)方向。

其中，分揀通道流出的糧食可集中烘干處理，直至達(dá)到可入倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)。小批量的糧食集中烘干或轉(zhuǎn)為他用，有利于為糧庫(kù)節(jié)源，減少設(shè)備投入。

2.5　操作界面

本系統(tǒng)通過(guò)HMI控制設(shè)備和配置參數(shù)[12]，可以手動(dòng)控制設(shè)備的啟動(dòng)、停止及擋板的閉合；另外，也可選擇輸送單元的運(yùn)行速度。手動(dòng)模式主要用于設(shè)備的調(diào)試。將手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕撥到自動(dòng)位置，可通過(guò)圖11中右上部分總啟動(dòng)和總停止按鈕控制整個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)停止運(yùn)行。該模式為分揀系統(tǒng)的正常工作模式，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水分檢測(cè)、自動(dòng)分揀等功能。

圖11　控制界面

點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置可以切換到參數(shù)設(shè)置界面。

如圖12所示：濕度上下限指水分在線檢測(cè)傳感器可檢測(cè)的糧食水分含量的上下限；采樣濕度數(shù)據(jù)是當(dāng)前的糧食水分含量；設(shè)置濕度數(shù)據(jù)指允許糧食入倉(cāng)的水分含量閾值，即2.3節(jié)所述參數(shù)m0，該數(shù)值將決定當(dāng)前檢測(cè)到的糧食進(jìn)入分揀通道或者入倉(cāng)通道。

界面中還包含其他功能選項(xiàng)，由于與本文主旨不符，在此不予贅述。

圖12　配置界面

3分揀流程

入倉(cāng)水分超標(biāo)糧食分揀系統(tǒng)工作流程如圖13所示。

1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。此步驟包括輸送速度、水分在線檢測(cè)范圍、入倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)設(shè)定。

2)系統(tǒng)啟動(dòng)，預(yù)判輸送單元運(yùn)行速度是否滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)設(shè)定幾檔運(yùn)行速度，用戶可以根據(jù)當(dāng)前入倉(cāng)作業(yè)量選擇合適的運(yùn)行速度；另外，系統(tǒng)也可以添加前置檢測(cè)單元，在線檢測(cè)當(dāng)前作業(yè)量，且系統(tǒng)可自動(dòng)選擇速度。

3)水分在線檢測(cè)。分揀系統(tǒng)集成水分在線檢測(cè)傳感器，在線檢測(cè)糧食水分含量，并可將水分含量數(shù)據(jù)發(fā)送到分揀系統(tǒng)。

4)自動(dòng)分揀。自動(dòng)分揀環(huán)節(jié)，通常需要確定是否需要分揀、何時(shí)分揀及分揀持續(xù)時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)定擋板初始狀態(tài)為關(guān)閉，亦即系統(tǒng)初始默認(rèn)入倉(cāng)糧食合格。

圖13　分揀流程圖

4結(jié)論

基于擋板方式的入倉(cāng)水分超標(biāo)糧食分揀系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬入倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境驗(yàn)證，可有效地根據(jù)當(dāng)前糧食水分含量，快速、自動(dòng)分揀出水分超標(biāo)糧食。當(dāng)前水分在線檢測(cè)傳感器精度可控制在0.5%，擋板切換速度為2次/s，可滿足常規(guī)糧庫(kù)的入倉(cāng)作業(yè)需求。該系統(tǒng)的應(yīng)用，可有效阻止水分超標(biāo)糧食入倉(cāng)倉(cāng)儲(chǔ)。本系統(tǒng)可作為單獨(dú)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采用，不影響現(xiàn)有入倉(cāng)作業(yè)流程。該方法所涉及的分揀方式簡(jiǎn)便、有效，成本較低，有利于設(shè)備在中等規(guī)模儲(chǔ)備糧庫(kù)推廣。除此之外，由于糧食水分在線檢測(cè)，可實(shí)時(shí)掌控當(dāng)前糧食的水分含量值，通過(guò)劃分不同水分區(qū)間段，可分揀出水分韓來(lái)那個(gè)不同區(qū)間內(nèi)的糧食，專糧專用。下階段，該系統(tǒng)將在江蘇某儲(chǔ)備糧庫(kù)試點(diǎn)運(yùn)行，保障秋收倉(cāng)儲(chǔ)糧食安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]程衛(wèi)東,柏雪源,王相友,等.干燥過(guò)程中谷物水分在線測(cè)量系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2000,31(2):54-55.

[2]張永林,張勝全,劉文生.糧食水分在線測(cè)量技術(shù)評(píng)述[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22(4):36-40.

[3]袁傳光,廖江明,王大枚,等.淺圓倉(cāng)儲(chǔ)存小麥谷冷水后水分變化情況分析報(bào)告[J].糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2004(6):27-30.

[4]金梅,劉洋,張華昌,等.糧食安全與糧食儲(chǔ)備制度的發(fā)展演變[J].糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊,2015,31(1):1-8.

[5]朱雅賓.水分對(duì)糧食品質(zhì)測(cè)定的影響[J].糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2015,31(1):47-48.

[6]蘇林,呂國(guó)存.高水分糧安全儲(chǔ)藏探討[J].齊魯糧食，2015(3):45-46.

[7]蔣玉英，張?jiān)鸷榱x．微波檢測(cè)糧倉(cāng)儲(chǔ)糧水分技術(shù)的研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010,46(9):239-241．

[8]Deepak K G, Wan Mahmood B，W A Majid,et al.Accurate Measurement of Dielectric Constants and Loss Tangents for Nondestructive Evaluation of Malaysian Timber at Microwave Frequencies[C]//International Conference on Timber Engineering,PTEC 99, Rotorua, New Zealand,1999:87-92.

[9]Thostenson E T, Chou T W.Microwave processing: fundamentals and applications.Composites A,1999 (30):1055-1071.

[10]Venkatesh M S,Raghavan G S V. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agri-food Materials[J].Biosystems Engineering,2004,88(1):1-18.

[11]王若蘭.糧食倉(cāng)儲(chǔ)工藝與設(shè)備[M].北京：中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社,2002.

[12]楊海濤,林鎮(zhèn)清,王丹,等.高大平房倉(cāng)糧食出入倉(cāng)機(jī)械設(shè)備優(yōu)化使用和維護(hù)的生產(chǎn)性探討[J].糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2014(3):47-49.

[13]王忠飛,謝毅,王亞良.水果無(wú)損分揀技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2004(11)：79-81.

Shuntting System for Moisture Super-standarded Grain before Warehousing

Wang Hongwei, Liu Pei

(Aisino Corporation, Beijing 100195,China)

Abstract：In order to guarantee the security of grain in storage, the moisture content from the grain should be controlled under some level. Once the moisture content is above the limit level, there are risks for the grain to go mouldy in due time. It’s necessary to shunt the high moisture grain out of the warehousing. The shuntting system provided in this paper acts as such role. This system will be supported by the technology of moisture on-line detecting, such as the technology based on microwave.By analyzing the current results from the moisture detector, this system judge that if it’s necessary to shunt this part of grain. If so, the system will operate the implementation automatically by means of baffle.The suitable part of grain to the warehousing standard with those super-standarded goes in different passages inside of the system. Thus, grain with high moisture is blocked off the barn path. This system has been applied in actual applications. And the verification has reached that this system provided is effective, high-efficient and at the meantime, the simple shuntting structure is easy to operate, low-cost as well.

Key words：warehousing; moisture; shunt; baffle; grain

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0078-05

作者簡(jiǎn)介：王宏偉(1980-),男，河北故城人，高級(jí)工程師，博士，(E-mail) wanghongwei@aisino.com。通訊作者：劉培(1987-)，女，山東淄博人，工程師，碩士，(E-mail) liupei@aisino.com。

基金項(xiàng)目："十二五"國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD 17B07)

收稿日期：2015-08-14