◎ 徐子鋒，王康興，任書杰

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

連云港東糧碼頭有限公司三期工程是東糧公司于2017年完成的散糧筒倉擴(kuò)建工程，總?cè)萘?0.5 萬t，進(jìn)倉可達(dá)1 000 t·h-1，出倉可達(dá)600 t·h-1。作為東糧碼頭有限公司筒倉三期工程的配套設(shè)施，散糧取制樣系統(tǒng)的設(shè)計思路是利用機(jī)械設(shè)備模仿人的各種工作流程，目前項目已經(jīng)進(jìn)行到試運(yùn)行狀態(tài)，但同時暴露了設(shè)計之初存在的一些問題。

1 原系統(tǒng)分析

1.1 原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原系統(tǒng)將取制樣系統(tǒng)分為檢驗與檢疫兩個部分，見圖1。①檢驗部分的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要構(gòu)成設(shè)備為取收集器、容重儀與其他配套設(shè)備。此部分的目的是得到多段樣本以及物料的水分、溫度、容重等技術(shù)參數(shù)，并加以記錄。②檢疫部分相對檢驗部分較為復(fù)雜，由篩分機(jī)、色選儀、斗提機(jī)以及相關(guān)配套設(shè)施組成。由圖2 可知，檢疫部分的目的是將物料做進(jìn)一步的分選，其中物料經(jīng)過篩分機(jī)可得到篩上物、篩下物和篩中物。收集篩上物、篩下物，篩中物進(jìn)入色選儀。物料經(jīng)過色選儀可選出不同類型的雜質(zhì)，并進(jìn)行自動分類。剩下的物料通過配套設(shè)備返回筒倉內(nèi)部，從而實現(xiàn)自動化取樣分類。

圖1 原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 檢疫部分流程圖

1.2 原系統(tǒng)設(shè)備介紹

1.2.1 縮分器

縮分器可根據(jù)預(yù)先設(shè)定將糧樣分割成兩部分或更多部分，且不傷害糧食和蟲子。樣品的輸運(yùn)速度取決于糧食經(jīng)過一個或多個縮分器，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定分割率，可使糧食階梯狀地（或網(wǎng)格狀）穿過多套縮分器達(dá)到所需的樣品速度?？s分器要能根據(jù)需要調(diào)節(jié)縮分比，所有縮分器的閥和輸送管道要求密封、防塵，且隨時可以拆卸，便于自行檢查、清理，縮分機(jī)實物見圖3。

圖3 縮分機(jī)圖

1.2.2 樣品傳遞管

樣品的傳遞所通過的不銹鋼鋼管材料內(nèi)徑不小于150 mm，初雜樣品管內(nèi)徑不小于300 mm。傳遞管最小坡度為40°，所有轉(zhuǎn)彎半徑不小于1 m。為減小高度沖撞帶來的糧食損失?？梢园丫彌_裝置安在糧食傳遞的路徑上，緩沖裝置間隔不超過5 m。傳遞管采用法蘭連接，連接間距不大于6 m，便于在堵塞時拆卸。樣品傳遞管路設(shè)計保證不具有殺蟲性或?qū)е螺^大的糧食破損，樣品傳遞管道見圖4。

圖4 樣品傳遞管道圖

1.2.3 收集器

樣品收集器包括密封的集樣罐、防塵的柜體，以及足夠面積的門以便取出集樣罐。集樣罐被放置在一個被電機(jī)驅(qū)動的可以旋轉(zhuǎn)的圓盤上，收集實驗樣品的速度是可調(diào)的。系統(tǒng)中樣品收集器采用24 工位樣品收集器，單罐的容積大于8 kg，收集器應(yīng)防塵、防潮，能實現(xiàn)多罐自動切換。圓盤傳送器不發(fā)生溢糧或產(chǎn)生糧塵，對位準(zhǔn)確密封，所用材質(zhì)不對糧食造成污染。

1.2.4 直線振篩

直線振篩主要由篩箱、網(wǎng)架、篩網(wǎng)、振動電機(jī)、電機(jī)臺座和減振彈簧支架組成，見圖5。采用振動電機(jī)作為振動源，篩分效率≥95%，不粘料。采用單層機(jī)械振動篩，有足夠的長度和寬度來保證篩分效率和處理能力，并采用同一安裝規(guī)格的篩網(wǎng)，篩網(wǎng)固定采用卡式結(jié)構(gòu)以便于更換，安裝簡便。可以以最短的時間達(dá)到較高的篩分效率，還能避免堵料、卡料、粒度發(fā)生變化。篩分能力能滿足最小取樣間隔時的處理需求，不混樣，且具有穩(wěn)定可靠、消耗少、噪音低、壽命長、振型穩(wěn)、效率高等優(yōu)點。

圖5 直線振篩圖

1.2.5 斗提機(jī)

采用TD160 型斗提機(jī)，見圖6。將余糧返回散糧輸送系統(tǒng)中。各連接處密封良好，不會出現(xiàn)粉塵外泄的現(xiàn)象。設(shè)置密封良好的檢查孔和清掃孔。斗式提升機(jī)基本組成和要求有以下5 點。①驅(qū)動裝置設(shè)計。斗式提升機(jī)底部機(jī)殼內(nèi)充滿物料和提升側(cè)料斗滿斗時啟動提升機(jī)；電動機(jī)功率大于滿載運(yùn)行計算功率的1.3 倍，以便在小于或等于額定電流、額定電壓條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。斗式提升機(jī)正常工作時由控制室集中控制，單機(jī)設(shè)事故開關(guān)。斗式提升機(jī)的出力大于最大樣品量的1.2 倍。②斗式提升機(jī)料斗的型式、尺寸能適應(yīng)棄料輸送作業(yè)要求。料斗材料、板厚滿足強(qiáng)度和剛度要求，并具有足夠的耐磨損和防腐蝕性能。料斗與膠帶連接的螺釘頭不突出膠帶面，以免損傷滾筒的包膠。③斗式提升機(jī)裝有制動電機(jī)，停機(jī)時制動抱死，以防止?jié)L筒倒轉(zhuǎn)。在取樣裝置就地控制臺設(shè)緊急停機(jī)按鈕，方便設(shè)備手動急停。④頭罩形狀采用離心式卸料方式。張緊裝置采用螺旋張緊裝置。機(jī)殼的材質(zhì)、厚度充分考慮物料的磨損，機(jī)頭、機(jī)尾設(shè)檢查門。進(jìn)料口的面積滿足斗式提升機(jī)通過能力的要求，進(jìn)、出料口及料斗均采用圓角過渡，有效防止?jié)裾澄锪系恼辰Y(jié)；卸料口尺寸與主皮帶機(jī)帶寬相配合，中間連接溜槽。裝有零速檢測開關(guān)，有效檢測皮帶的打滑、斷裂及可能發(fā)生的堵塞。⑤主要技術(shù)參數(shù)。高度9 m、運(yùn)量1.2 t·h-1、斗容0.9 L、電壓等級380 V、電機(jī)功率4.0 kW。

圖6 斗提機(jī)圖

1.2.6 篩分稱量儀

為減少篩分、稱量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中出現(xiàn)的偏差對系統(tǒng)雜質(zhì)含量結(jié)果造成影響，提高系統(tǒng)雜質(zhì)含量檢測準(zhǔn)確度。新型篩分稱量儀將喂料皮帶機(jī)上被測樣品經(jīng)氣動三通分成4 次每次1 kg 送入篩分風(fēng)選機(jī)（工藝要求喂料皮帶機(jī)上被測樣品重量5 kg，防止被檢測樣品分成4 次后連續(xù)偏差造成第4 次被測樣品重量不夠影響檢測精度的情況），當(dāng)?shù)? 次被測樣品檢測結(jié)束，氣動三通自動換向至棄料位置，喂料皮帶機(jī)再次運(yùn)行，將剩余的1 kg 樣品經(jīng)氣動三通送棄料皮帶機(jī)，確保一個副樣處理結(jié)束后系統(tǒng)處于清空狀態(tài)。

1.2.7 色選儀

色選儀采用視覺識別技術(shù)（VI），通過對比物料的RGB 值、灰度、圖像邊緣將物料進(jìn)行分選。色選儀的主要功能是在完整粒、損傷粒中獲取顏色與正常大豆存在較大差異的種衣劑大豆和各種異色的檢驗檢疫目標(biāo)樣品。設(shè)備結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料制作，每組可以獨立完成不同顏色的分離工作。照明系統(tǒng)采用LED 白光無影光源，智能彩色CCD 多功能色選儀適應(yīng)所有糧谷的檢測，該設(shè)備可以識別任何糧食缺陷和細(xì)微的顏色差異，識別度高達(dá)0.04 mm，處理量為0.6 ～1.0 t·h-1、選凈率為90%，可以同時獨立完成不同顏色的分類工作。根據(jù)顏色差異，從正常大豆中分離出不同顏色的雜質(zhì)，尤其是用于安全衛(wèi)生檢測的各種顏色的種衣劑大豆，還可用于分離有害生物檢測鑒定的小型土塊、病粒、中小型雜草籽（刺蒼耳、三裂葉豚草、刺蒺藜草、長刺蒺藜草等）、昆蟲（象甲、小金龜子）等。

1.2.8 容重儀

容重儀集檢測水分、容重、溫度為一體，可同時測量糧食的水分含量、容重和溫度，其測量速度快，精確度高，符合國際計量組織OIML59 標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)中具備以下功能。①支持遠(yuǎn)程開機(jī)和關(guān)機(jī)，可以在中控室把現(xiàn)場儀器打開和關(guān)閉。②支持中控室給出工作模式控制輸出，控制現(xiàn)場自動轉(zhuǎn)換模式（水分含量、容重和溫度）。③在中控室可以通過電腦遠(yuǎn)程控制調(diào)整參數(shù)。④啟動停止由中控室控制，由于容重儀需要20 min 穩(wěn)定時間，因此系統(tǒng)在自檢程序階段需啟動設(shè)備。⑤容重儀進(jìn)入正常工作模式后對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，確保處于最佳工作狀態(tài)。發(fā)生故障以后需要反饋信號給主系統(tǒng)控制計算機(jī)，主系統(tǒng)自動切換工藝流程并發(fā)出故障報警；檢測數(shù)據(jù)電子化處理在中控室可直接顯示統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)。

1.3 存在的問題

1.3.1 檢驗部分

對容重儀進(jìn)行選型時低估了實際運(yùn)行環(huán)境的惡劣性，使用的設(shè)備是實驗室設(shè)備，雖然進(jìn)行了一些改造但仍然不能滿足實際工作環(huán)境中存在的高溫、高粉塵、高振動、高噪聲的情況。短時間內(nèi)可以運(yùn)行，但長時間就會出現(xiàn)主板、機(jī)殼、上下進(jìn)料卸料馬達(dá)的損壞，維修昂貴且難度較大。容重儀的問題也暴露了整個系統(tǒng)在集塵、通風(fēng)方面存在的問題，在設(shè)計之初低估了物料中的粉塵含量，也低估了高粉塵和高溫對設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備壽命的影響。

1.3.2 檢疫部分

（1）篩分機(jī)采用雙層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。以大豆為例，在設(shè)計上可以過濾較大的物料，如豆萁、豆莢、土塊等大體積物質(zhì)，同時也可篩分如豆皮、碎豆、部分粉塵等小顆粒物質(zhì)，留下正常大豆。在實際使用過程中，成功取得了篩上物和篩下物，但篩中物的潔凈程度并不高，后續(xù)步驟（色選儀）的分選過程中，發(fā)現(xiàn)依舊存在本不該有的豆萁、豆稈、豆皮的成分。

（2）色選儀在實際使用存在的問題。①跳料問題。以大豆為例，大豆本身成熟后，質(zhì)地較硬彈性較好，在下落過程中與其他物料碰撞使得下落軌跡并不是正常的拋物線。這使得分選的物料中存在了超出預(yù)期的正常大豆（被分選出的應(yīng)當(dāng)是各種雜質(zhì)），加大了后續(xù)的工作量，且影響分選結(jié)果。②程序設(shè)計問題。原設(shè)計中色選儀第一步選雜，管道的安排為一次通道將物料分為兩部分，其中雜質(zhì)進(jìn)入提升機(jī)等待下一步色選，沒被選到的正常大豆則進(jìn)入棄料。第二步選紅，將第一步的雜質(zhì)中非紅色雜質(zhì)選出進(jìn)入提升機(jī)下一步色選，留下紅色進(jìn)入樣本罐。第三步選黑，類似的黑色留下，雜質(zhì)被選出進(jìn)入下一步色選。最后一部留下綠色，剩下的進(jìn)入雜色罐。這一設(shè)計在理論層面是可行的。但在實際運(yùn)行中，由于色選儀適合從大量物料中選出少量瑕疵的技術(shù)特性，此設(shè)計理論就存在瑕疵。色選儀的一次帶出比為1∶1，原程序中只有一道選雜，導(dǎo)致帶出比過高。③管道設(shè)計問題。管道設(shè)計與色選儀的程序相適應(yīng)，程序存在問題，則管道必然存在問題，需要進(jìn)行改造[1]。

2 原系統(tǒng)問題的解決方案

針對存在的問題進(jìn)行分析，并提出解決方法。①容重儀問題。在選型方面應(yīng)更加嚴(yán)格，實驗室設(shè)備并不能滿足需求，應(yīng)針對環(huán)境的問題再次設(shè)計相關(guān)設(shè)備，并且對維護(hù)人員進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，使其能夠勝任日常維護(hù)、操作、簡單維修等。②篩分機(jī)問題。因為篩上物和篩下物是重要的檢疫標(biāo)本，在結(jié)構(gòu)方面并不能做大的改動，可在雙重篩分機(jī)與下端流程之間添加比重篩，提高物料的潔凈程度。提高下一步流程（色選儀）的分選效果，減少跳料問題。③色選儀及其管道問題。管道在設(shè)計時沒有考慮色選儀的實際技術(shù)指標(biāo)，導(dǎo)致分選不理想。并且沒有考慮后續(xù)的實驗情況，對人為手動投料實驗很不友好。需要針對物料特性、色選儀的技術(shù)特性、定制化的編程，設(shè)計與之相配套的管道，以解決原系統(tǒng)存在的分選效果不理想的問題。

3 新系統(tǒng)設(shè)計

3.1 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖7 知，物料由取樣機(jī)抽取，經(jīng)斗提機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶，送入縮分機(jī)，縮分機(jī)將物料分為一定比例的兩份物料（具體比例可由需求調(diào)節(jié)），經(jīng)由縮分機(jī)將物料分到檢驗與檢疫兩個部分。檢驗部分經(jīng)過一級、二級縮分進(jìn)入容重儀和分析收集器，取樣機(jī)設(shè)置在進(jìn)倉主皮帶機(jī)的頭部，進(jìn)倉主皮帶機(jī)每小時的運(yùn)載量為1 000 t，取樣機(jī)從主皮帶上截取的份樣重量為35 kg，系統(tǒng)采用副樣組合制樣方法，由5 個份樣組成一個175 kg 的副樣，經(jīng)過制樣流程后送樣品收集器的重量為0.8 kg，按照“1 500 t 為一個取樣批，每批次取樣份數(shù)為25 個”的規(guī)定，本系統(tǒng)采用5 個副樣組合一個批次樣品的方法（5 個份樣×5 個副樣），一個批次共計截取25 個份樣。由5 個副樣組成一個批的大樣樣品重量為4 kg。檢疫部分物料首先經(jīng)過直線雙層震動式篩分機(jī)，后篩中物經(jīng)由管道進(jìn)入比重機(jī)提純，最終物料進(jìn)入色選儀。多余物料經(jīng)由棄料流程返回筒倉[2-3]。

圖7 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 新設(shè)備介紹

由于是對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，大部分設(shè)備可采用與原系統(tǒng)相同的型號。比重篩作為本系統(tǒng)的創(chuàng)新之一，利用了不同物料密度不同的特點，讓物料經(jīng)過振動、風(fēng)吹、篩孔等步驟，使得不同密度的物料分開。最終保證成品中沒有例如“豆稈、豆萁、豆皮”等物質(zhì)的干擾，有效減少跳料問題的發(fā)生。此處選型并沒有測試，相關(guān)技術(shù)參數(shù)參考了直線震動篩的相關(guān)參數(shù)，單位小時處理能力不低于色選儀極限能力，同時需要全機(jī)器封閉，運(yùn)行中粉塵少，分選效果好，可保證物料中沒有篩上物、篩下物同種物料。此外，可考慮與直線篩分機(jī)集成，同時加裝集塵設(shè)備，減少設(shè)備整體體積。同時考慮震動問題，做好減震可延長系統(tǒng)整體壽命。

3.3 設(shè)計思路與細(xì)節(jié)

系統(tǒng)的設(shè)計思路主要是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行新設(shè)計。其中主要在于對檢疫系統(tǒng)的改造。系統(tǒng)在原本直線雙層篩的基礎(chǔ)上加入比重機(jī)，進(jìn)一步減少了后續(xù)環(huán)節(jié)中雜質(zhì)的量，使得進(jìn)入色選儀的大豆更加均勻（沒有豆稈、豆萁、豆皮等雜質(zhì)），色選儀頭部的震動式送料器送料更加均勻，大豆的下落軌跡更加可控，減少跳料問題[4-5]。

新設(shè)計保留原設(shè)計的第一步選雜，將第二步選紅重新編程，改為提純，第一步選出的初選雜質(zhì)進(jìn)一步提純。經(jīng)過提純，初選雜質(zhì)被分為純化雜質(zhì)與待分選物料。將待分選物料送至比重機(jī)與色選儀連接的出口，等待與下一次物料一起進(jìn)入色選儀進(jìn)行分選。第三步變?yōu)檫x黑，與原設(shè)計不同之處在于需修改管道，將雜質(zhì)中的黑色雜質(zhì)選出，進(jìn)入收集罐，未被色選儀選中的雜質(zhì)進(jìn)入斗提機(jī)進(jìn)入第四步色選。第四步與第三步類似，選出紅色雜質(zhì)，未被選出的進(jìn)入雜色罐。其原控制系統(tǒng)采用西門子S-200 型PLC，可保留，亦可升級為性能更強(qiáng)的PLC。

4 結(jié)語

本文簡要闡述了一種新型的自動化采樣系統(tǒng)的設(shè)計。與原系統(tǒng)相比，解決了許多如跳料、帶出比等問題，性能方面會有一定提升。目前原自動化采樣系統(tǒng)已經(jīng)可以投產(chǎn)運(yùn)行，新系統(tǒng)主要優(yōu)化了散糧取制樣系統(tǒng)，進(jìn)一步提升色選儀的效果。一次帶出比可達(dá)1 ∶1，二次帶出比可達(dá)20 ∶1，滿足散糧取制樣的要求。