糧食裝車實時抽樣系統設計

◎ 徐子鋒，趙 征，王帥國，韓曉燁，張文瀚，王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

現有的取制樣系統重點在于整個糧食發運的前端，也就是從船舶到港口階段的檢測，保證了糧食入境的質量與安全。但在糧食發運的后端，也就是從港口通過設備經鐵路或公路發送階段，目前只有人工通過肉眼觀測的方式進行粗放的檢驗檢測，對于雜質含量、糧食濕度等信息無法進行統計[1]。

1 系統分析

1.1 系統結構介紹

當前，在裝車階段，物料先由筒倉經過刮板機、斗提機的運輸進入裝車樓，后經過翻板選擇、斗秤稱量進入車輛。當有過多的物料進入裝車樓后，又可經過返倉刮板機將多余物料經由返倉流程返回筒倉儲存，如圖1所示。

圖1 裝車樓散糧裝車流程圖

由裝車流程可得出，在物料從筒倉到待裝車輛的過程中，并沒有任何監管，只能在物料進入車輛時進行觀察檢測，難以把控糧食的質量[2]。

糧食裝車實時抽樣系統主要分為硬件與軟件2個部分。①硬件部分。由取樣機、縮分機、篩分機、電子料斗秤、容重儀、樣品輸送管道組成，如圖2所示。當糧食經過斗秤的稱量后，設置在下方的取樣機將對物料進行取樣進入系統，后經過縮分機，將物料分為2份，一份篩分色選并且對重量進行測量，另一份計算容重，最終所有樣品糧食再直接進入待裝車輛。②軟件部分。根據大豆國家標準GB 1352—2009與SN/T 4645—2016 《進口大豆品質檢驗方法》中有關大豆質量的規定，計算出本次裝車大豆的破損率、含雜量等指標并出具報告。

圖2 系統結構示意圖

1.2 系統設備介紹

1.2.1 取樣機

取樣機結構如圖3所示，取樣機安裝在物料通道的側面，利用物料下落時的勢能落入采樣頭，采樣頭經由伺服電機驅動，通過電機的正轉與反轉帶動采樣頭在物料中做周期性的往復運動，這樣的取樣方法可有效取到物料中心與邊緣的物料，取料更加均勻。取樣機的腔體側面留有觀察口，可方便后期維修維護，還可在此處查看物料情況，緊急情況下可作為手動取料口。然而，電機的選擇需要有較為強大的過載能力，大流量物料時采樣頭將會存在較大阻力。

圖3 取樣機結構圖

1.2.2 電子料斗秤

電子料斗秤結構如圖4所示，電子料斗秤在本系統被多次使用，取樣機得到的物料先需要經過電子料斗秤的稱量，確定進入系統的物料的重量，后續在篩分、色選的末端仍須添加電子料斗秤，以確定雜質重量。對于稱量得到的重量數據，將會送到后臺的裝車樓服務器中進行運算分析，以車輛或是批次為單位，得到平均雜質含量等數據。

圖4 電子料斗秤圖

電子料斗秤應當定期校驗，保證計量的準確性，校驗可使用20 kg的標準砝碼。

1.2.3 可調節縮分機

可調節縮分機結構如圖5所示，這一設備可調節縮分比例，將物料按預設好的比例分為2堆，在本設計中，縮分機的主要作用是將取樣好的物料分成2份，一份送入容重設備，另一份進入后續的雜質篩選。

圖5 可調節縮分機圖

縮分機的安裝位置在料斗秤的正下方，兩者靠法蘭與物料運輸管連接。物料運輸管道長度應當盡可能的短，以減少設備的整體體積?？s分機的側面應留有檢修觀察口，方便設備后期維護與維修。

1.2.4 篩分機

篩分機結構如圖6所示，物料經過縮分機縮分后，一部分進入篩分機，篩分機有2層不同直徑的篩網，且篩網可更換以適應不同物料的需要。物料由上端進入篩分機，篩分機本身有一定的傾斜角度，再通過震動，物料經過2層篩孔被篩選為3份，分別為篩上物、篩中物、篩下物。其中篩中物直接由管道進入待裝車輛；篩上物與篩下物經電子料斗秤稱量記錄后，進入待裝車輛[3]。

圖6 篩分機結構圖

由于篩分機在工作時有震動，需要在底座位置加裝減震裝置，以免影響同平臺其他設備（容重儀、色選儀）的工作狀態。

1.2.5 單通道色選儀

因為本系統在該環節僅需要儀器將物料與雜質分開，所以采用單通道色選儀。色選儀設置在篩分機的下方，篩中物直接進入色選儀，經過分選后，得到物料與雜質。物料直接進入待裝車輛，雜質口下方設置電子料斗秤，稱量和記錄雜質重量后進入待裝車輛。

圖7所示的色選儀僅為本設計在初期選型的一種色選機，并不代表后期的具體類型，色選儀內部應當預先集成多套色選程序，以滿足不同物料的分選需要，其中，需要的色選數據可由前端取制樣系統的數據庫提供。

圖7 單通道色選機圖

1.2.6 容重儀

容重儀的作用在于實時監控物料的容量（體積質量比）、溫度和濕度，并加以記錄（如圖8）。容重儀的設置在縮分器之后，記錄頻率與最上端的電子斗秤頻率一致。容重儀應當做防塵與抗震處理。

圖8 容重儀圖

1.3 系統算法介紹

本系統的算法部分主要集中在大豆質量指標的計算方面。當單位批次裝車完成后（以批次、車輛、日期為單位），系統將自動生成有關該批次物料質量的報告。報告內容包括裝載噸位、物料裝車時的濕度、溫度、容重、產地、船名、物料類型、雜質含量、裝車日期、抽樣重量等[4]，如圖9所示。

圖9 質量報告單圖

其中，物料類型、產地、船名可由中控室提供，抽樣檢測重量由電子料斗秤獲得為累計值。溫度、濕度、容重為容重儀獲得，取平均值。

雜質含量的計算涉及多個信息。

式中：Z為雜質含量；M為抽樣檢測重量；m1為篩上物重量；m2為篩下物重量；m3為色選雜質重量；K1為比例系數，與具體物料有關；K為人為設置的縮分比例，K的值小于1；K2為校準系數，讀取結構有誤差時，可通過調節K2的值來對系統進行校準。

大部分情況下，公式的參數可通過系統自動讀取，單機運行時，部分參數如比例系數K需要手動輸入；也可通過人工輸入部分系數，實現對最終結果的校準。

2 設備布置與工藝流程

2.1 設備布置方法

在物料管道的側面布置取樣機，利用法蘭與其連接，取樣機下放置總電子稱量斗，后連接縮分機將工序一分為二，一個口接容重儀，另一個口接篩分機。篩分機共3個出口，2個安裝電子料斗秤，后接樣品運輸管回到物料管道，1個連接色選機。色選機下的2個口一個直接回物料管道，另一個經電子料斗秤后回物料管道[5]。如圖10所示。

圖10 設備示意圖

圖11 工藝流程圖

2.2 工藝流程分析

當裝車流程開始時，物料經過物料管道，此時取料機開始工作，采樣頭由電機帶動做往復周期性運動，在物料邊緣與中間來回取料，保證采樣的均勻與客觀。取樣完成后的物料，經過重力落入下方的電子稱量斗，電子稱量斗稱量一次取樣的總重量，并加以記錄。記錄完成后物料經過樣品輸送管與變徑法蘭進入下方的縮分器，其中，縮分器的縮分比例是根據需要設計完成的，并且隨時可調。

一部分物料經過縮分器的縮分進入容重儀器，在測試完成溫度、濕度、容重等信息后，經過樣品輸送管道進入原本的物料通道。另一部分物料在經過縮分后進入篩分機，進入篩分機的物料被篩分為3份，即篩上物、篩下物、篩中物。其中，篩下物、篩上物口下方設置電子料斗秤，在電子料斗秤獲取篩上物、篩下物重量后直接進入物料管。

篩中物與色選儀連接，此時的雜質直徑與原本物料類似，形狀也類似。色選儀利用雜質與物料外觀特性的不同將其分選出來。本設計的工藝流程只會將樣品分為雜質與正常物料2部分，正常物料口直接經樣品輸送管進入物料管道，雜質口設置電子料斗秤，在稱量并記錄后，經過樣品輸送管道回到物料管道。

此時，取樣記錄工序與裝車工序是同時運行的，因此雜質含量等數據是實時變化的，如果多個取樣批次（一般取3～5個對應裝車噸位為12～20 t）的雜質含量平均值明顯高于質量要求，則啟動預警流程。

預警流程：若雜質含量低于1%，流程正常運行，裝車正常；若雜質含量在1%～3%之間，流程開始報警，要求裝車人員進行人工確認；若雜質含量大于3%，裝車流程停止，并標記對應的出倉筒倉，此時，彈出返倉流程，工作人員經過人工確認后（確認是否為系統故障），可選擇是繼續裝車流程，或是啟用返倉流程。進入返倉流程后，系統會自動選擇返回被標記的筒倉，并再次啟用新的裝車流程，新的裝車流程不會再使用被標記的筒倉。被標記的筒倉可由工作人員在確認后取消標記，被人為取消標記的筒倉在這一批次中不會再一次被標記，具體工藝流程圖如11所示。

3 系統互聯設計

本系統作為后端裝車抽樣系統，可單機運行。但是單機運行時，船名、筒倉編號等信息需要工作人員手動輸入，因此加大了人力成本和學習難度，且單機運行時，部分功能，如自動標記問題筒倉等功能將會失效。

在實際運行中，系統將與中控室控制系統相連接，對于船名等信息可直接從中控室讀取。對于前端的糧食進倉取制樣系統，本系統也可互聯。這一互聯形式主要是將物料的質量信息上傳給前端系統（前端系統創建較早，系統更為強大，數據庫更加全面）。此時，作為后端的數據信息，通過船名與物料類型、日期等信息與前端的數據相對比，生成一份完整的、從船舶靠港到入倉再到出倉的質量報告。

本系統計劃連接方式采用485通訊協議網線連接，亦可利用互聯網、路由器無線連接。然而，考慮到現場的復雜性，無線連接可能存在數據丟包的問題，使用有線連接更加穩妥，如圖12所示。

圖12 互聯系統示意圖

4 結語

本系統結合實際生產，從系統結構、設備原理、軟件算法、具體布置、工藝流程和系統互聯幾個方面論述了設計思路與可行性，有效彌補了港口散糧裝卸行業中，散糧出倉時質量沒有標準化檢測、監管的問題。

同時，本系統可與前端的糧食表層檢驗（船舶進港）、中段糧食取制樣系統（糧食進倉）相結合，構建前端、后端（糧食出倉、裝車）為一體的糧食進口取制樣自動化管理平臺，做到全流程的糧食質量監管與記錄，有效提高港口服務質量。