基于VI技術的散糧取制樣系統設計改進及應用

◎ 徐子鋒，王康興，任書杰

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

連云港東糧碼頭有限公司三期工程是東糧公司于2017年完成的散糧筒倉擴建工程，總容量10.5 萬t，進倉可達1 000 t·h-1，出倉可達600 t·h-1。作為東糧碼頭有限公司筒倉三期工程的配套設施，散糧取制樣系統的設計思路是利用機械設備模仿人的各種工作流程，目前項目已經進行到試運行狀態，但同時暴露了設計之初存在的一些問題。

1 原系統分析

1.1 原系統結構

原系統將取制樣系統分為檢驗與檢疫兩個部分，見圖1。①檢驗部分的結構相對簡單，主要構成設備為取收集器、容重儀與其他配套設備。此部分的目的是得到多段樣本以及物料的水分、溫度、容重等技術參數，并加以記錄。②檢疫部分相對檢驗部分較為復雜，由篩分機、色選儀、斗提機以及相關配套設施組成。由圖2 可知，檢疫部分的目的是將物料做進一步的分選，其中物料經過篩分機可得到篩上物、篩下物和篩中物。收集篩上物、篩下物，篩中物進入色選儀。物料經過色選儀可選出不同類型的雜質，并進行自動分類。剩下的物料通過配套設備返回筒倉內部，從而實現自動化取樣分類。

圖1 原系統結構圖

圖2 檢疫部分流程圖

1.2 原系統設備介紹

1.2.1 縮分器

縮分器可根據預先設定將糧樣分割成兩部分或更多部分，且不傷害糧食和蟲子。樣品的輸運速度取決于糧食經過一個或多個縮分器，適當地設定分割率，可使糧食階梯狀地（或網格狀）穿過多套縮分器達到所需的樣品速度。縮分器要能根據需要調節縮分比，所有縮分器的閥和輸送管道要求密封、防塵，且隨時可以拆卸，便于自行檢查、清理，縮分機實物見圖3。

圖3 縮分機圖

1.2.2 樣品傳遞管

樣品的傳遞所通過的不銹鋼鋼管材料內徑不小于150 mm，初雜樣品管內徑不小于300 mm。傳遞管最小坡度為40°，所有轉彎半徑不小于1 m。為減小高度沖撞帶來的糧食損失。可以把緩沖裝置安在糧食傳遞的路徑上，緩沖裝置間隔不超過5 m。傳遞管采用法蘭連接，連接間距不大于6 m，便于在堵塞時拆卸。樣品傳遞管路設計保證不具有殺蟲性或導致較大的糧食破損，樣品傳遞管道見圖4。

圖4 樣品傳遞管道圖

1.2.3 收集器

樣品收集器包括密封的集樣罐、防塵的柜體，以及足夠面積的門以便取出集樣罐。集樣罐被放置在一個被電機驅動的可以旋轉的圓盤上，收集實驗樣品的速度是可調的。系統中樣品收集器采用24 工位樣品收集器，單罐的容積大于8 kg，收集器應防塵、防潮，能實現多罐自動切換。圓盤傳送器不發生溢糧或產生糧塵，對位準確密封，所用材質不對糧食造成污染。

1.2.4 直線振篩

直線振篩主要由篩箱、網架、篩網、振動電機、電機臺座和減振彈簧支架組成，見圖5。采用振動電機作為振動源，篩分效率≥95%，不粘料。采用單層機械振動篩，有足夠的長度和寬度來保證篩分效率和處理能力，并采用同一安裝規格的篩網，篩網固定采用卡式結構以便于更換，安裝簡便。可以以最短的時間達到較高的篩分效率，還能避免堵料、卡料、粒度發生變化。篩分能力能滿足最小取樣間隔時的處理需求，不混樣，且具有穩定可靠、消耗少、噪音低、壽命長、振型穩、效率高等優點。

圖5 直線振篩圖

1.2.5 斗提機

采用TD160 型斗提機，見圖6。將余糧返回散糧輸送系統中。各連接處密封良好，不會出現粉塵外泄的現象。設置密封良好的檢查孔和清掃孔。斗式提升機基本組成和要求有以下5 點。①驅動裝置設計。斗式提升機底部機殼內充滿物料和提升側料斗滿斗時啟動提升機；電動機功率大于滿載運行計算功率的1.3 倍，以便在小于或等于額定電流、額定電壓條件下運轉。斗式提升機正常工作時由控制室集中控制，單機設事故開關。斗式提升機的出力大于最大樣品量的1.2 倍。②斗式提升機料斗的型式、尺寸能適應棄料輸送作業要求。料斗材料、板厚滿足強度和剛度要求，并具有足夠的耐磨損和防腐蝕性能。料斗與膠帶連接的螺釘頭不突出膠帶面，以免損傷滾筒的包膠。③斗式提升機裝有制動電機，停機時制動抱死，以防止滾筒倒轉。在取樣裝置就地控制臺設緊急停機按鈕，方便設備手動急停。④頭罩形狀采用離心式卸料方式。張緊裝置采用螺旋張緊裝置。機殼的材質、厚度充分考慮物料的磨損，機頭、機尾設檢查門。進料口的面積滿足斗式提升機通過能力的要求，進、出料口及料斗均采用圓角過渡，有效防止濕粘物料的粘結；卸料口尺寸與主皮帶機帶寬相配合，中間連接溜槽。裝有零速檢測開關，有效檢測皮帶的打滑、斷裂及可能發生的堵塞。⑤主要技術參數。高度9 m、運量1.2 t·h-1、斗容0.9 L、電壓等級380 V、電機功率4.0 kW。

圖6 斗提機圖

1.2.6 篩分稱量儀

為減少篩分、稱量、數據統計過程中出現的偏差對系統雜質含量結果造成影響，提高系統雜質含量檢測準確度。新型篩分稱量儀將喂料皮帶機上被測樣品經氣動三通分成4 次每次1 kg 送入篩分風選機（工藝要求喂料皮帶機上被測樣品重量5 kg，防止被檢測樣品分成4 次后連續偏差造成第4 次被測樣品重量不夠影響檢測精度的情況），當第4 次被測樣品檢測結束，氣動三通自動換向至棄料位置，喂料皮帶機再次運行，將剩余的1 kg 樣品經氣動三通送棄料皮帶機，確保一個副樣處理結束后系統處于清空狀態。

1.2.7 色選儀

色選儀采用視覺識別技術（VI），通過對比物料的RGB 值、灰度、圖像邊緣將物料進行分選。色選儀的主要功能是在完整粒、損傷粒中獲取顏色與正常大豆存在較大差異的種衣劑大豆和各種異色的檢驗檢疫目標樣品。設備結構采用鋁合金材料制作，每組可以獨立完成不同顏色的分離工作。照明系統采用LED 白光無影光源，智能彩色CCD 多功能色選儀適應所有糧谷的檢測，該設備可以識別任何糧食缺陷和細微的顏色差異，識別度高達0.04 mm，處理量為0.6 ～1.0 t·h-1、選凈率為90%，可以同時獨立完成不同顏色的分類工作。根據顏色差異，從正常大豆中分離出不同顏色的雜質，尤其是用于安全衛生檢測的各種顏色的種衣劑大豆，還可用于分離有害生物檢測鑒定的小型土塊、病粒、中小型雜草籽（刺蒼耳、三裂葉豚草、刺蒺藜草、長刺蒺藜草等）、昆蟲（象甲、小金龜子）等。

1.2.8 容重儀

容重儀集檢測水分、容重、溫度為一體，可同時測量糧食的水分含量、容重和溫度，其測量速度快，精確度高，符合國際計量組織OIML59 標準，在系統中具備以下功能。①支持遠程開機和關機，可以在中控室把現場儀器打開和關閉。②支持中控室給出工作模式控制輸出，控制現場自動轉換模式（水分含量、容重和溫度）。③在中控室可以通過電腦遠程控制調整參數。④啟動停止由中控室控制，由于容重儀需要20 min 穩定時間，因此系統在自檢程序階段需啟動設備。⑤容重儀進入正常工作模式后對檢測數據進行微調，確保處于最佳工作狀態。發生故障以后需要反饋信號給主系統控制計算機，主系統自動切換工藝流程并發出故障報警；檢測數據電子化處理在中控室可直接顯示統計測量數據。

1.3 存在的問題

1.3.1 檢驗部分

對容重儀進行選型時低估了實際運行環境的惡劣性，使用的設備是實驗室設備，雖然進行了一些改造但仍然不能滿足實際工作環境中存在的高溫、高粉塵、高振動、高噪聲的情況。短時間內可以運行，但長時間就會出現主板、機殼、上下進料卸料馬達的損壞，維修昂貴且難度較大。容重儀的問題也暴露了整個系統在集塵、通風方面存在的問題，在設計之初低估了物料中的粉塵含量，也低估了高粉塵和高溫對設備運行、設備壽命的影響。

1.3.2 檢疫部分

（1）篩分機采用雙層篩網結構。以大豆為例，在設計上可以過濾較大的物料，如豆萁、豆莢、土塊等大體積物質，同時也可篩分如豆皮、碎豆、部分粉塵等小顆粒物質，留下正常大豆。在實際使用過程中，成功取得了篩上物和篩下物，但篩中物的潔凈程度并不高，后續步驟（色選儀）的分選過程中，發現依舊存在本不該有的豆萁、豆稈、豆皮的成分。

（2）色選儀在實際使用存在的問題。①跳料問題。以大豆為例，大豆本身成熟后，質地較硬彈性較好，在下落過程中與其他物料碰撞使得下落軌跡并不是正常的拋物線。這使得分選的物料中存在了超出預期的正常大豆（被分選出的應當是各種雜質），加大了后續的工作量，且影響分選結果。②程序設計問題。原設計中色選儀第一步選雜，管道的安排為一次通道將物料分為兩部分，其中雜質進入提升機等待下一步色選，沒被選到的正常大豆則進入棄料。第二步選紅，將第一步的雜質中非紅色雜質選出進入提升機下一步色選，留下紅色進入樣本罐。第三步選黑，類似的黑色留下，雜質被選出進入下一步色選。最后一部留下綠色，剩下的進入雜色罐。這一設計在理論層面是可行的。但在實際運行中，由于色選儀適合從大量物料中選出少量瑕疵的技術特性，此設計理論就存在瑕疵。色選儀的一次帶出比為1∶1，原程序中只有一道選雜，導致帶出比過高。③管道設計問題。管道設計與色選儀的程序相適應，程序存在問題，則管道必然存在問題，需要進行改造[1]。

2 原系統問題的解決方案

針對存在的問題進行分析，并提出解決方法。①容重儀問題。在選型方面應更加嚴格，實驗室設備并不能滿足需求，應針對環境的問題再次設計相關設備，并且對維護人員進行相關培訓，使其能夠勝任日常維護、操作、簡單維修等。②篩分機問題。因為篩上物和篩下物是重要的檢疫標本，在結構方面并不能做大的改動，可在雙重篩分機與下端流程之間添加比重篩，提高物料的潔凈程度。提高下一步流程（色選儀）的分選效果，減少跳料問題。③色選儀及其管道問題。管道在設計時沒有考慮色選儀的實際技術指標，導致分選不理想。并且沒有考慮后續的實驗情況，對人為手動投料實驗很不友好。需要針對物料特性、色選儀的技術特性、定制化的編程，設計與之相配套的管道，以解決原系統存在的分選效果不理想的問題。

3 新系統設計

3.1 新系統結構

由圖7 知，物料由取樣機抽取，經斗提機進入轉運皮帶，送入縮分機，縮分機將物料分為一定比例的兩份物料（具體比例可由需求調節），經由縮分機將物料分到檢驗與檢疫兩個部分。檢驗部分經過一級、二級縮分進入容重儀和分析收集器，取樣機設置在進倉主皮帶機的頭部，進倉主皮帶機每小時的運載量為1 000 t，取樣機從主皮帶上截取的份樣重量為35 kg，系統采用副樣組合制樣方法，由5 個份樣組成一個175 kg 的副樣，經過制樣流程后送樣品收集器的重量為0.8 kg，按照“1 500 t 為一個取樣批，每批次取樣份數為25 個”的規定，本系統采用5 個副樣組合一個批次樣品的方法（5 個份樣×5 個副樣），一個批次共計截取25 個份樣。由5 個副樣組成一個批的大樣樣品重量為4 kg。檢疫部分物料首先經過直線雙層震動式篩分機，后篩中物經由管道進入比重機提純，最終物料進入色選儀。多余物料經由棄料流程返回筒倉[2-3]。

圖7 新系統結構圖

3.2 新設備介紹

由于是對系統進行改進，大部分設備可采用與原系統相同的型號。比重篩作為本系統的創新之一，利用了不同物料密度不同的特點，讓物料經過振動、風吹、篩孔等步驟，使得不同密度的物料分開。最終保證成品中沒有例如“豆稈、豆萁、豆皮”等物質的干擾，有效減少跳料問題的發生。此處選型并沒有測試，相關技術參數參考了直線震動篩的相關參數，單位小時處理能力不低于色選儀極限能力，同時需要全機器封閉，運行中粉塵少，分選效果好，可保證物料中沒有篩上物、篩下物同種物料。此外，可考慮與直線篩分機集成，同時加裝集塵設備，減少設備整體體積。同時考慮震動問題，做好減震可延長系統整體壽命。

3.3 設計思路與細節

系統的設計思路主要是在原有的基礎上進行新設計。其中主要在于對檢疫系統的改造。系統在原本直線雙層篩的基礎上加入比重機，進一步減少了后續環節中雜質的量，使得進入色選儀的大豆更加均勻（沒有豆稈、豆萁、豆皮等雜質），色選儀頭部的震動式送料器送料更加均勻，大豆的下落軌跡更加可控，減少跳料問題[4-5]。

新設計保留原設計的第一步選雜，將第二步選紅重新編程，改為提純，第一步選出的初選雜質進一步提純。經過提純，初選雜質被分為純化雜質與待分選物料。將待分選物料送至比重機與色選儀連接的出口，等待與下一次物料一起進入色選儀進行分選。第三步變為選黑，與原設計不同之處在于需修改管道，將雜質中的黑色雜質選出，進入收集罐，未被色選儀選中的雜質進入斗提機進入第四步色選。第四步與第三步類似，選出紅色雜質，未被選出的進入雜色罐。其原控制系統采用西門子S-200 型PLC，可保留，亦可升級為性能更強的PLC。

4 結語

本文簡要闡述了一種新型的自動化采樣系統的設計。與原系統相比，解決了許多如跳料、帶出比等問題，性能方面會有一定提升。目前原自動化采樣系統已經可以投產運行，新系統主要優化了散糧取制樣系統，進一步提升色選儀的效果。一次帶出比可達1 ∶1，二次帶出比可達20 ∶1，滿足散糧取制樣的要求。