張朝富，李 操，楊會賓，李志方

(1.國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430079； 2.國家糧食局谷物加工工程技術(shù)中心，湖北 武漢 430079)

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色選機(jī)在大米行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用

張朝富1,2，李 操1,2，楊會賓1,2，李志方1,2

(1.國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430079； 2.國家糧食局谷物加工工程技術(shù)中心，湖北 武漢 430079)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)水平的提高，消費(fèi)者對大米產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，而色選機(jī)則是控制大米品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。大米色選機(jī)主要是根據(jù)被選大米的光學(xué)特性的差異，將大米中的雜質(zhì)、霉變粒、病斑粒等異色雜質(zhì)剔除，對成品品質(zhì)進(jìn)行控制把關(guān)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合近年來大米色選機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，就色選機(jī)的工作原理、系統(tǒng)組成、當(dāng)前應(yīng)用做了簡單的闡述，并對未來的發(fā)展趨勢做了分析與展望。

大米色選機(jī)；異色粒；彩色選；信號處理

隨著國家對食品安全的重視程度以及消費(fèi)者日益增長的物質(zhì)要求越來越高，對大米成品的質(zhì)量要求也越來越高；我國的碾米工藝水平隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也有了顯著的提高，加工技術(shù)也日臻完善。但要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的大米，除了需要有高效的清理、礱谷、碾米設(shè)備來保證加工精度，更要有高精度的分選設(shè)備將大米中的雜質(zhì)、霉變粒、病斑粒等異色雜質(zhì)剔除，對成品品質(zhì)進(jìn)行控制把關(guān)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，而色選機(jī)就是大米加工中品質(zhì)控制的關(guān)鍵設(shè)備。本文就色選機(jī)近年在大米加工行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用做簡單的闡述。

1 工作原理、結(jié)構(gòu)

色選機(jī)一種集機(jī)械、光學(xué)、電子、氣動、控制于一體的高科技產(chǎn)品，是利用光電原理從大量散裝產(chǎn)品中將顏色不正常的或感受病蟲害的個體(球、塊或顆粒)以及外來夾雜物檢出并分離。在不合格產(chǎn)品與合格產(chǎn)品因粒度十分接近而無法使用篩選設(shè)備分離或密度基本相同無法使用比重分選設(shè)備分離時，色選機(jī)能進(jìn)行有效地分離，其獨(dú)特作用十分明顯，是分離密度基本相同、精度完全相同物料的最佳設(shè)備[1]。色選機(jī)裝有高穩(wěn)定光源，當(dāng)物料經(jīng)由振動喂料系統(tǒng)均勻地通過斜槽通道進(jìn)入選別區(qū)域時，光電傳感器測得反射光和投射的光量，并與基準(zhǔn)色板反射光量進(jìn)行比較，顏色傳感器根據(jù)比較得到的色差產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖；當(dāng)色差電壓幅值超過閾值時，驅(qū)動噴射系統(tǒng)利用壓縮空氣吹出異色粒，從而達(dá)到顏色選別的目的[2]。

2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

色選機(jī)主要由喂料系統(tǒng)(喂料器、物料通道)、光學(xué)探測系統(tǒng)(燈管、相機(jī)、濾色鏡、背景板)、信號處理系統(tǒng)(色選板等)、分離系統(tǒng)(噴射系統(tǒng)、接料斗等)、操作界面等五大部分組成。

2.1 喂料系統(tǒng)

喂料系統(tǒng)是將料斗內(nèi)的被選物料通過振動的方式均勻的輸送至通道，確保物料精確地出現(xiàn)在光學(xué)區(qū)和噴射區(qū)內(nèi)。

長窄型料斗的設(shè)計和使用確保物料處于平鋪直流狀態(tài)，該狀態(tài)能保證物料均勻、連續(xù)的進(jìn)入振動喂料器。通過調(diào)節(jié)振動喂料器振動量的大小，以達(dá)到對設(shè)備產(chǎn)量的控制。而物料通道在色選過程中起到加速物料的作用，并保證進(jìn)入分選箱的物料分布均勻，速度一致；同時為了保證物料速率的穩(wěn)定，在通道背面一般都設(shè)有加熱裝置(用于處理那些在常溫下喂料困難的物料)，通常保證通道維持在50℃左右；為了避免物料下滑時跳料，正面設(shè)置防跳裝置，根據(jù)所選物料顆粒大小選擇對應(yīng)寬度的防跳膜。目前通道普遍采用平板式，平板式較傳統(tǒng)的導(dǎo)流槽式充分利用了兩條料流之間的空隙，增大了色選機(jī)有效工作區(qū)間，提高了色選機(jī)的產(chǎn)能[3]。

2.2 光學(xué)探測系統(tǒng)

光學(xué)探測系統(tǒng)是色選機(jī)的核心部分，主要功能是采集光信號和識別物料。光信號是一段特定波段的光，是根據(jù)顏色的差異將不同的被選物料分開，即在一定的光照條件下，根據(jù)不同物體對特定波長的光的反射與透射率的差異將物體分開。

當(dāng)被選物料經(jīng)過檢測區(qū)時，光學(xué)系統(tǒng)通過多個鏡頭對物料進(jìn)行觀察，將所得到的物料信號準(zhǔn)確的反饋給信號處理系統(tǒng)，由信號處理系統(tǒng)分辨出成品和次品。

目前，大米色選已經(jīng)由單色選和雙色選發(fā)展到了彩色選的方式，識別精度達(dá)微米級，1 s可以實(shí)現(xiàn)對物料超過30 000次的掃描。如互補(bǔ)式彩色光學(xué)系統(tǒng)，針對微色差物料在彩色空間內(nèi)的分布特征，通過引入光譜補(bǔ)償原理，讓物料信號更加突出，使微色差識別率更高。

2.3 信號處理系統(tǒng)

信號處理系統(tǒng)的主要功能是分辨出成品和次品。

被選物料途經(jīng)光電傳感器后，色選機(jī)的信號檢測處理系統(tǒng)利用物料顆粒的光學(xué)特性，將顏色不正常、表面有缺陷或內(nèi)部變質(zhì)的疵品及雜物識別出來，并自動分選剔除[4]。由于糧食顆粒的流速快，料流寬，疵品出現(xiàn)的時間是隨機(jī)的，要記錄從發(fā)現(xiàn)疵品到執(zhí)行噴除的時間，實(shí)時性要求極高，目前多數(shù)系統(tǒng)采用高性能的FPGA型信號處理板來實(shí)現(xiàn)。在CCD相機(jī)獲取物料特征信息后，經(jīng)FPGA采集板預(yù)處理后，利用低壓差分信號技術(shù)將采集特征數(shù)據(jù)傳輸至分選處理板進(jìn)行物料分選，并給出執(zhí)行信號，具有更高的實(shí)時性和準(zhǔn)確性[5]。

2.4 分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)主要包括接料斗和噴射系統(tǒng)。

接料斗通常采用前中后3個腔，分別接收色選時的剔除物、成品物料和回彈物料。

現(xiàn)階段色選機(jī)噴射系統(tǒng)普遍采用氣動噴嘴，氣動噴嘴具有速度快、可靠性強(qiáng)、噴射精度高、使用壽命長和機(jī)械性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合高產(chǎn)量的大米加工行業(yè)。

氣動噴嘴開口極小，一般在3 mm左右，最大限度控制氣體擴(kuò)散，保證噴射精度。由于物料在離開通道時會與接觸的通道邊緣(物流后方)保持相對穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài),而物流的前方容易產(chǎn)生物料飛揚(yáng)的不穩(wěn)定狀態(tài)，因此噴嘴設(shè)在物流的后方，噴射作業(yè)時，順著物流方向從后向前吹，就可以更接近物流，吹氣時使物流自然分流，從而保證噴射的精確性，使剔除物中帶出的成品盡可能少，保持最佳的帶出比。

2.5 操作界面系統(tǒng)

主要是由電氣控制箱和觸摸屏兩大部分組成。其中全密封箱體內(nèi)的控制系統(tǒng)是機(jī)器的控制核心。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整機(jī)的啟動，包括發(fā)出驅(qū)動噴閥指令，開啟噴閥，噴出壓縮空氣，吹出剔除物，完成色選功能，達(dá)到對待選物料精選的目的。此系統(tǒng)還負(fù)責(zé)整機(jī)的色選精度調(diào)節(jié)、產(chǎn)量調(diào)節(jié)、背景調(diào)節(jié)、定時清灰等。最新推出的色選機(jī)還具有遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程報修、在線培訓(xùn)、遠(yuǎn)程商機(jī)信息推送等功能。

3 目前的應(yīng)用與發(fā)展

色選機(jī)生產(chǎn)效率、色選精度、色選帶出比是與色選的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)的,如生產(chǎn)率高、色選時間短,色選費(fèi)用就低;色選精度越高,成品質(zhì)量越好,銷售價格高,但生產(chǎn)成本也高;色選帶出比高,出米率低,浪費(fèi)大,效益就差[6]。因此在實(shí)際操作時要平衡以上因素,找到生產(chǎn)成本與效益的最佳結(jié)合點(diǎn)。其中影響色選效果因素主要有：分辨率、分辨色差能力、喂料系統(tǒng)、噴嘴工作性能、軟件等。

目前大米分選領(lǐng)域的技術(shù)革新與進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 更高的精度

(1)改進(jìn)背景設(shè)計，更好地檢測出點(diǎn)狀缺陷和異色谷粒，為用戶帶來更高的附加值。

(2)通過采用獨(dú)特的背景參考系統(tǒng)和自動校準(zhǔn)功能，使所有模塊的分選性能進(jìn)一步提高，使色選效果更穩(wěn)定，確保品質(zhì)始終如一，方便人員操作。

(3)充分利用反分選功能，如當(dāng)輸入物料的污染程度超過1個次品對1良品，則可以良品為剔除目標(biāo)，清除良品而非次品，以進(jìn)一步提高成品率。

3.2 更高的產(chǎn)量

(1)通過增加模塊，增加色選機(jī)的分選能力，一次分選、二次分選和三次分選的配置更加多樣化。

(2)優(yōu)化設(shè)備配置，提高容量和最終分選能力。

3.3 分選性能更穩(wěn)定

(1)具有自動校準(zhǔn)功能的新背景使模塊間的剔除速度更均勻，使設(shè)備性能保持穩(wěn)定可靠。

(2)通過振動器采用新型低壓數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，從而使模塊間的處理量更加穩(wěn)定，不隨時間變化，無需操作人員介入即可優(yōu)化色選機(jī)性能。

(3)密封的光電盒可使各組件和鏡頭內(nèi)側(cè)遠(yuǎn)離灰塵。

3.4 操作更簡單

(1)通過光電盒一端的門可接近鏡頭和刮片。

(2)系統(tǒng)界面和軟件允許來自客戶料斗中的稱重傳感器的直接輸入，這樣可使色選機(jī)處理能力與工廠產(chǎn)能匹配并保證色選效果的始終如一。

3.5 更高的可靠性

(1)開發(fā)用于大米分選領(lǐng)域的高精度噴嘴。

(2)通過優(yōu)化控制箱的設(shè)計，給每個組件周圍留出更多空間，并改善空氣循環(huán)，特別是電源周圍的空氣循環(huán)，從而提高可靠性。

(3)通過光源和振動器控制系統(tǒng)的低壓電源供電，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。

3.6 其他方面

(1)通過溫和輸送物料，使物料減少破碎。

(2)通過新型喂料系統(tǒng)內(nèi)置“翼板”等裝置，降低喂料轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生外溢的可能性。

(3)通過碎米監(jiān)控裝置，可根據(jù)成品中碎粒的百分比趨勢提供反饋。

4 發(fā)展展望

4.1 發(fā)展方向

設(shè)備未來的發(fā)展方向預(yù)計在以下方面：

(1)設(shè)備更智能化，更少的占地，更高的效率，能為客戶帶來更高的附加值。

(2)色選效果更穩(wěn)定，確保品質(zhì)始終如一，方便人員操作。

(3)更低的故障率，更可靠的穩(wěn)定性。

(4)進(jìn)一步確保產(chǎn)品的高品質(zhì)，滿足更苛刻的品質(zhì)要求。

4.2 功能延伸

基于計算機(jī)圖像處理技術(shù)的形狀選別功能拓展開發(fā)，實(shí)現(xiàn)碎米率的在線測定，也許是未來色選機(jī)功能進(jìn)一步延伸發(fā)展的趨勢。

[1] 郭禎祥，溫紀(jì)平，朱永義.色選機(jī)工藝效果的評定[J].糧食與飼料工業(yè)，2003(7)：11-12.

[2] 楊 磊，張作永，杜紅光.色選機(jī)在小麥清理工藝中的布置[J].糧食加工，2010，35(5)：40-41.

[3] 牛占文，陳東亮，賀麗紅.基于TRIZ的色選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)化分析及創(chuàng)新設(shè)計[J].糧油加工，2007(3)：65-67.

[4] 黎小花，徐園園，鄭力新，等.光電色選機(jī)色差信號處理算法單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].糧食與飼料工業(yè)，2012(6)：4-6.

[5] 余淑華，劉艷麗，王世璞，等.基于FPGA的脫絨棉種色選機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015,46(8)：20-26.

[6] 孟凡友,徐桂芬,張和國.精米加工中色選機(jī)的配置及使用操作[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2003(6)：44-45.

(責(zé)任編輯:俞蘭苓)

國家糧食局通告(2017年第3號)

國糧通〔2017〕3號

現(xiàn)發(fā)布2項(xiàng)推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其編號和名稱如下：

LS/T 3246—2017《碎米》

LS/T 6116—2017《大米粒型分類判定》

以上行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布之日起實(shí)施。

特此通告。

國家糧食局

2017年6月14日

Development and application of color sorter in rice

ZHANG Chao-fu1,2，LI Cao1,2，YANG Hui-bin1,2，LI Zhi-fang1,2

(1.China Grain Wuhan Science Research and Design Institute Co. ,Ltd. ,Wuhan 430079,China;2. Grain Processing Engineering Technology Center,State Grain Administration,Wuhan 430079,China)

With the development of economy and improvement of consumption, the consumer demand of rice quality become higher and higher. Color sorter is key equipment of control rice quality. Color sorter could remove the impurity, moldy rice and spotted rice， according to the difference of optical properties of the selected rice, which could ensure the quality of rice product. According to the development and improvement of color sorter, we discussed the principle of operation, system composition and application, and gave analysis and prospect of development trend of the color sorter.

rice color sorter；chromatic rice；color sorter；signal processing

2017-03-31；

2017-06-20

受糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201513003)。

張朝富(1981-)，男，工程師，研究方向?yàn)榧Z食、食品科學(xué)與工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.07.001

TS212.3

A

1003-6202(2017)07-0001-03