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(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技術(shù)，以擋板為分揀實(shí)現(xiàn)形式，通過判斷當(dāng)前糧食的水分含量是否滿足入倉標(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通道或分揀通道流出，以適合入倉水分含量標(biāo)準(zhǔn)為界，有效區(qū)分入倉糧食的水分含量標(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，保證倉儲糧食安全，同時(shí)分揀方法簡單有效，并通過實(shí)踐驗(yàn)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(jìn)程的不斷發(fā)展及農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，糧食收購進(jìn)入賣方市場，不少地區(qū)收購的糧食沒有得到充分晾曬，導(dǎo)致集約化儲藏的糧食水分超標(biāo)[1-2]。扦樣[3]對水分的檢驗(yàn)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(biāo)糧食入倉的有效方法；但由于在線烘干設(shè)備構(gòu)造繁雜、體積較大、成本較高，目前國內(nèi)許多中小型糧庫不具備糧食在線烘干能力。水分超標(biāo)糧食進(jìn)入儲藏、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

本入倉水分超標(biāo)糧食分揀方法及系統(tǒng)依托于國家科技支撐計(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]的入倉水分在線檢測傳感器提供標(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)的入倉水分在線檢測傳感器可在線、無損、快速、準(zhǔn)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(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?yàn)槿雮}口。發(fā)射天線發(fā)送一定頻率、一定強(qiáng)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(qiáng)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(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(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(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(shè)定信號比較，判斷糧食是否可以入倉；②控制輸送單元運(yùn)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(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(yùn)行速度受控于電機(jī)，控制單元通過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，兩端可開合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)，擋板2狀態(tài)位置位于1狀態(tài)下方。

假定檢測到的當(dāng)前糧食水分含量為m1，設(shè)定入倉標(biāo)準(zhǔn)為m0，當(dāng)m1>m0時(shí)，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(shí)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(biāo)包括：①切換速度，受控于電機(jī)；②擋板部分與入倉通道結(jié)構(gòu)的切合度，亦即當(dāng)糧食入倉通道時(shí)，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(gè)通道

本項(xiàng)目涉及兩個(gè)通道，即入倉通道與分揀通道，如圖10所示。當(dāng)糧食無需分揀時(shí)，擋板狀態(tài)1，糧食經(jīng)由圖10上側(cè)所示入倉通道入倉；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，有利于為糧庫節(jié)源，減少設(shè)備投入。

2.5　操作界面

本系統(tǒng)通過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、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(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)前檢測到的糧食進(jìn)入分揀通道或者入倉通道。

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、水分在線檢測范圍、入倉標(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單元，在線檢測當(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。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(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(biāo)糧食分揀系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬入倉現(xiàn)場環(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(yīng)用，可有效阻止水分超標(biāo)糧食入倉倉儲。本系統(tǒng)可作為單獨(dú)設(shè)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(shè)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(shí)時(shí)掌控當(dāng)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(gè)不同區(qū)間內(nèi)的糧食，專糧專用。下階段，該系統(tǒng)將在江蘇某儲備糧庫試點(diǎn)運(yùn)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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目："十二五"國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD 17B07)

收稿日期：2015-08-14