一種入倉水分超標糧食的分揀系統(tǒng)

王宏偉, 劉　培

(航天信息股份有限公司，北京　100195)

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一種入倉水分超標糧食的分揀系統(tǒng)

王宏偉, 劉培

(航天信息股份有限公司，北京100195)

摘要：給出一種入倉糧食在線自動分揀方法及系統(tǒng)。該方法依托于水分在線檢測技術(shù)，以擋板為分揀實現(xiàn)形式，通過判斷當前糧食的水分含量是否滿足入倉標準，自動切換擋板，不同水分含量的糧食可分別由入倉通道或分揀通道流出，以適合入倉水分含量標準為界，有效區(qū)分入倉糧食的水分含量標準。該系統(tǒng)能夠快速、自動地避免水分超標糧食入倉，保證倉儲糧食安全，同時分揀方法簡單有效，并通過實踐驗證。

關(guān)鍵詞：入倉；水分；分揀；擋板；糧食

0引言

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

1背景

本入倉水分超標糧食分揀方法及系統(tǒng)依托于國家科技支撐計劃項目“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]的入倉水分在線檢測傳感器提供標準4~20mA作為分揀系統(tǒng)采集到的水分含量數(shù)據(jù)。整個分揀系統(tǒng)如圖1所示。

基于微波技術(shù)的入倉水分在線檢測傳感器可在線、無損、快速、準確檢測糧食水分含量，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。糧食流經(jīng)兩天線之間，方向為入倉口。發(fā)射天線發(fā)送一定頻率、一定強度的微波信號(本課題采用X波段作為工作頻率[9])，通過一定厚度的糧食層后，衰減后的微波信號被接收天線接收。接收信號的衰減強度與相位變化與糧食的水分含量相關(guān)，通過衰減信號與水分含量的對應關(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，并解析出當前糧食水分含量，判斷此部分糧食是否需要分揀，從而確保入倉糧食的水分含量均滿足入倉儲藏需求。

2分揀系統(tǒng)架構(gòu)

針對上述問題，本文提出一種基于擋板的自動分揀方法及系統(tǒng)。

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

如圖3所示，該自動分揀系統(tǒng)主要由控制單元、輸送單元、分揀單元及兩個通道(入倉通道、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，并與內(nèi)部設定信號比較，判斷糧食是否可以入倉；②控制輸送單元運行速度，匹配入倉糧食吞吐量需求；③控制分揀單元器件開合時間點與時間段，分揀水分超標糧食。

圖4　控制單元核心結(jié)構(gòu)圖

本項目采用西門子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糧食的載體，輸送皮帶的運行速度受控于控制單元。

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

輸送單元的運行速度受控于電機，控制單元通過控制變頻器的輸出頻率，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，從而有效選擇輸送單元的運行速率。

(a)　模型

(b)　實體

2.3　分揀單元

分揀單元是水分超標糧食分揀系統(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。如圖8所示，矩形擋板中軸固定，兩端可開合，電機驅(qū)動擋板，類似于單刀雙擲開關(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)切換為開放狀態(tài)。此過程由電機驅(qū)動，擋板2狀態(tài)位置位于1狀態(tài)下方。

假定檢測到的當前糧食水分含量為m1，設定入倉標準為m0，當m1>m0時，擋板打開為2狀態(tài)，分揀通道暢通，入倉通道被阻斷；相反，m1≤m0時則擋板關(guān)閉，保持為1狀態(tài)，入倉通道暢通，分揀通道被阻斷。擋板技術(shù)指標包括：①切換速度，受控于電機；②擋板部分與入倉通道結(jié)構(gòu)的切合度，亦即當糧食入倉通道時，無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

2.4兩個通道

本項目涉及兩個通道，即入倉通道與分揀通道，如圖10所示。當糧食無需分揀時，擋板狀態(tài)1，糧食經(jīng)由圖10上側(cè)所示入倉通道入倉；當糧食需要分揀時，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流程。

(a)　分揀通道

(b)　模型

圖10中箭頭方向為糧食沿通道流動方向。

其中，分揀通道流出的糧食可集中烘干處理，直至達到可入倉標準。小批量的糧食集中烘干或轉(zhuǎn)為他用，有利于為糧庫節(jié)源，減少設備投入。

2.5　操作界面

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

圖11　控制界面

點擊參數(shù)設置可以切換到參數(shù)設置界面。

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

界面中還包含其他功能選項，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

入倉水分超標糧食分揀系統(tǒng)工作流程如圖13所示。

1)系統(tǒng)參數(shù)設定。此步驟包括輸送速度、水分在線檢測范圍、入倉標準等參數(shù)設定。

2)系統(tǒng)啟動，預判輸送單元運行速度是否滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)設定幾檔運行速度，用戶可以根據(jù)當前入倉作業(yè)量選擇合適的運行速度；另外，系統(tǒng)也可以添加前置檢測單元，在線檢測當前作業(yè)量，且系統(tǒng)可自動選擇速度。

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

4)自動分揀。自動分揀環(huán)節(jié)，通常需要確定是否需要分揀、何時分揀及分揀持續(xù)時間。系統(tǒng)設定擋板初始狀態(tài)為關(guān)閉，亦即系統(tǒng)初始默認入倉糧食合格。

圖13　分揀流程圖

4結(jié)論

基于擋板方式的入倉水分超標糧食分揀系統(tǒng)，經(jīng)過實驗室模擬入倉現(xiàn)場環(huán)境驗證，可有效地根據(jù)當前糧食水分含量，快速、自動分揀出水分超標糧食。當前水分在線檢測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)糧庫的入倉作業(yè)需求。該系統(tǒng)的應用，可有效阻止水分超標糧食入倉倉儲。本系統(tǒng)可作為單獨設備現(xiàn)場采用，不影響現(xiàn)有入倉作業(yè)流程。該方法所涉及的分揀方式簡便、有效，成本較低，有利于設備在中等規(guī)模儲備糧庫推廣。除此之外，由于糧食水分在線檢測，可實時掌控當前糧食的水分含量值，通過劃分不同水分區(qū)間段，可分揀出水分韓來那個不同區(qū)間內(nèi)的糧食，專糧專用。下階段，該系統(tǒng)將在江蘇某儲備糧庫試點運行，保障秋收倉儲糧食安全。

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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：S237

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0078-05

作者簡介：王宏偉(1980-),男，河北故城人，高級工程師，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。

基金項目："十二五"國家科技支撐計劃項目(2013BAD 17B07)

收稿日期：2015-08-14