粮食装车实时抽样系统设计

2023-11-29徐子锋王帅国韩晓烨张文瀚王康兴

现代食品 2023年18期

◎ 徐子锋，赵征，王帅国，韩晓烨，张文瀚，王康兴

（连云港东粮码头有限公司，江苏连云港 222000）

现有的取制样系统重点在于整个粮食发运的前端，也就是从船舶到港口阶段的检测，保证了粮食入境的质量与安全。但在粮食发运的后端，也就是从港口通过设备经铁路或公路发送阶段，目前只有人工通过肉眼观测的方式进行粗放的检验检测，对于杂质含量、粮食湿度等信息无法进行统计[1]。

1 系统分析

1.1 系统结构介绍

当前，在装车阶段，物料先由筒仓经过刮板机、斗提机的运输进入装车楼，后经过翻板选择、斗秤称量进入车辆。当有过多的物料进入装车楼后，又可经过返仓刮板机将多余物料经由返仓流程返回筒仓储存，如图1所示。

图1 装车楼散粮装车流程图

由装车流程可得出，在物料从筒仓到待装车辆的过程中，并没有任何监管，只能在物料进入车辆时进行观察检测，难以把控粮食的质量[2]。

粮食装车实时抽样系统主要分为硬件与软件2个部分。①硬件部分。由取样机、缩分机、筛分机、电子料斗秤、容重仪、样品输送管道组成，如图2所示。当粮食经过斗秤的称量后，设置在下方的取样机将对物料进行取样进入系统，后经过缩分机，将物料分为2份，一份筛分色选并且对重量进行测量，另一份计算容重，最终所有样品粮食再直接进入待装车辆。②软件部分。根据大豆国家标准GB 1352—2009与SN/T 4645—2016 《进口大豆品质检验方法》中有关大豆质量的规定，计算出本次装车大豆的破损率、含杂量等指标并出具报告。

图2 系统结构示意图

1.2 系统设备介绍

1.2.1 取样机

取样机结构如图3所示，取样机安装在物料通道的侧面，利用物料下落时的势能落入采样头，采样头经由伺服电机驱动，通过电机的正转与反转带动采样头在物料中做周期性的往复运动，这样的取样方法可有效取到物料中心与边缘的物料，取料更加均匀。取样机的腔体侧面留有观察口，可方便后期维修维护，还可在此处查看物料情况，紧急情况下可作为手动取料口。然而，电机的选择需要有较为强大的过载能力，大流量物料时采样头将会存在较大阻力。

图3 取样机结构图

1.2.2 电子料斗秤

电子料斗秤结构如图4所示，电子料斗秤在本系统被多次使用，取样机得到的物料先需要经过电子料斗秤的称量，确定进入系统的物料的重量，后续在筛分、色选的末端仍须添加电子料斗秤，以确定杂质重量。对于称量得到的重量数据，将会送到后台的装车楼服务器中进行运算分析，以车辆或是批次为单位，得到平均杂质含量等数据。

图4 电子料斗秤图

电子料斗秤应当定期校验，保证计量的准确性，校验可使用20 kg的标准砝码。

1.2.3 可调节缩分机

可调节缩分机结构如图5所示，这一设备可调节缩分比例，将物料按预设好的比例分为2堆，在本设计中，缩分机的主要作用是将取样好的物料分成2份，一份送入容重设备，另一份进入后续的杂质筛选。

图5 可调节缩分机图

缩分机的安装位置在料斗秤的正下方，两者靠法兰与物料运输管连接。物料运输管道长度应当尽可能的短，以减少设备的整体体积。缩分机的侧面应留有检修观察口，方便设备后期维护与维修。

1.2.4 筛分机

筛分机结构如图6所示，物料经过缩分机缩分后，一部分进入筛分机，筛分机有2层不同直径的筛网，且筛网可更换以适应不同物料的需要。物料由上端进入筛分机，筛分机本身有一定的倾斜角度，再通过震动，物料经过2层筛孔被筛选为3份，分别为筛上物、筛中物、筛下物。其中筛中物直接由管道进入待装车辆；筛上物与筛下物经电子料斗秤称量记录后，进入待装车辆[3]。

图6 筛分机结构图

由于筛分机在工作时有震动，需要在底座位置加装减震装置，以免影响同平台其他设备（容重仪、色选仪）的工作状态。

1.2.5 单通道色选仪

因为本系统在该环节仅需要仪器将物料与杂质分开，所以采用单通道色选仪。色选仪设置在筛分机的下方，筛中物直接进入色选仪，经过分选后，得到物料与杂质。物料直接进入待装车辆，杂质口下方设置电子料斗秤，称量和记录杂质重量后进入待装车辆。

图7所示的色选仪仅为本设计在初期选型的一种色选机，并不代表后期的具体类型，色选仪内部应当预先集成多套色选程序，以满足不同物料的分选需要，其中，需要的色选数据可由前端取制样系统的数据库提供。

图7 单通道色选机图

1.2.6 容重仪

容重仪的作用在于实时监控物料的容量（体积质量比）、温度和湿度，并加以记录（如图8）。容重仪的设置在缩分器之后，记录频率与最上端的电子斗秤频率一致。容重仪应当做防尘与抗震处理。

图8 容重仪图

1.3 系统算法介绍

本系统的算法部分主要集中在大豆质量指标的计算方面。当单位批次装车完成后（以批次、车辆、日期为单位），系统将自动生成有关该批次物料质量的报告。报告内容包括装载吨位、物料装车时的湿度、温度、容重、产地、船名、物料类型、杂质含量、装车日期、抽样重量等[4]，如图9所示。

图9 质量报告单图

其中，物料类型、产地、船名可由中控室提供，抽样检测重量由电子料斗秤获得为累计值。温度、湿度、容重为容重仪获得，取平均值。

杂质含量的计算涉及多个信息。

式中：Z为杂质含量；M为抽样检测重量；m1为筛上物重量；m2为筛下物重量；m3为色选杂质重量；K1为比例系数，与具体物料有关；K为人为设置的缩分比例，K的值小于1；K2为校准系数，读取结构有误差时，可通过调节K2的值来对系统进行校准。

大部分情况下，公式的参数可通过系统自动读取，单机运行时，部分参数如比例系数K需要手动输入；也可通过人工输入部分系数，实现对最终结果的校准。

2 设备布置与工艺流程

2.1 设备布置方法

在物料管道的侧面布置取样机，利用法兰与其连接，取样机下放置总电子称量斗，后连接缩分机将工序一分为二，一个口接容重仪，另一个口接筛分机。筛分机共3个出口，2个安装电子料斗秤，后接样品运输管回到物料管道，1个连接色选机。色选机下的2个口一个直接回物料管道，另一个经电子料斗秤后回物料管道[5]。如图10所示。

图10 设备示意图

图11 工艺流程图

2.2 工艺流程分析

当装车流程开始时，物料经过物料管道，此时取料机开始工作，采样头由电机带动做往复周期性运动，在物料边缘与中间来回取料，保证采样的均匀与客观。取样完成后的物料，经过重力落入下方的电子称量斗，电子称量斗称量一次取样的总重量，并加以记录。记录完成后物料经过样品输送管与变径法兰进入下方的缩分器，其中，缩分器的缩分比例是根据需要设计完成的，并且随时可调。

一部分物料经过缩分器的缩分进入容重仪器，在测试完成温度、湿度、容重等信息后，经过样品输送管道进入原本的物料通道。另一部分物料在经过缩分后进入筛分机，进入筛分机的物料被筛分为3份，即筛上物、筛下物、筛中物。其中，筛下物、筛上物口下方设置电子料斗秤，在电子料斗秤获取筛上物、筛下物重量后直接进入物料管。

筛中物与色选仪连接，此时的杂质直径与原本物料类似，形状也类似。色选仪利用杂质与物料外观特性的不同将其分选出来。本设计的工艺流程只会将样品分为杂质与正常物料2部分，正常物料口直接经样品输送管进入物料管道，杂质口设置电子料斗秤，在称量并记录后，经过样品输送管道回到物料管道。

此时，取样记录工序与装车工序是同时运行的，因此杂质含量等数据是实时变化的，如果多个取样批次（一般取3～5个对应装车吨位为12～20 t）的杂质含量平均值明显高于质量要求，则启动预警流程。

预警流程：若杂质含量低于1%，流程正常运行，装车正常；若杂质含量在1%～3%之间，流程开始报警，要求装车人员进行人工确认；若杂质含量大于3%，装车流程停止，并标记对应的出仓筒仓，此时，弹出返仓流程，工作人员经过人工确认后（确认是否为系统故障），可选择是继续装车流程，或是启用返仓流程。进入返仓流程后，系统会自动选择返回被标记的筒仓，并再次启用新的装车流程，新的装车流程不会再使用被标记的筒仓。被标记的筒仓可由工作人员在确认后取消标记，被人为取消标记的筒仓在这一批次中不会再一次被标记，具体工艺流程图如11所示。

3 系统互联设计

本系统作为后端装车抽样系统，可单机运行。但是单机运行时，船名、筒仓编号等信息需要工作人员手动输入，因此加大了人力成本和学习难度，且单机运行时，部分功能，如自动标记问题筒仓等功能将会失效。

在实际运行中，系统将与中控室控制系统相连接，对于船名等信息可直接从中控室读取。对于前端的粮食进仓取制样系统，本系统也可互联。这一互联形式主要是将物料的质量信息上传给前端系统（前端系统创建较早，系统更为强大，数据库更加全面）。此时，作为后端的数据信息，通过船名与物料类型、日期等信息与前端的数据相对比，生成一份完整的、从船舶靠港到入仓再到出仓的质量报告。

本系统计划连接方式采用485通讯协议网线连接，亦可利用互联网、路由器无线连接。然而，考虑到现场的复杂性，无线连接可能存在数据丢包的问题，使用有线连接更加稳妥，如图12所示。