近紅外線在線監(jiān)測糖廠入榨甘蔗質(zhì)量應用初探

張彩霞，唐新陽，關(guān)榮遠，覃文雄，農(nóng)葵艷

(南寧糖業(yè)股份有限公司明陽糖廠，廣西南寧530227)

0 前言

60年代初，Norris和Buller將近紅外的反射光譜技術(shù)用于分析谷物類農(nóng)產(chǎn)品的濕度研究，揭示了這一技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品及其加工領(lǐng)域、食品工業(yè)領(lǐng)域應用研究新的篇章[1-3]。從而近紅外技術(shù)在食品和農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用實例及方法被不斷的提出，主要應用在工程中的食品成分分析、品質(zhì)檢測以及在線的品質(zhì)監(jiān)測與控制[4-6]。近紅外技術(shù)具有以下特點：①無前處理、無污染、方便快捷：近紅外光線具有很強的穿透能力，在檢測樣品時，不需要進行任何前處理，可以穿透玻璃和塑料包裝進行直接檢測，也不需要任何化學試劑，既不會對環(huán)境造成污染，又可以節(jié)約大量的試劑費用。近紅外儀器的測定時間短，幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試，并打印出結(jié)果；②無破壞性：無破壞性是近紅外技術(shù)一大優(yōu)點，根據(jù)這一優(yōu)點，近紅外技術(shù)可以用于果蔬原料及成品的無損檢測，在果品貯藏庫中安裝近紅外裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)果蔬的自動檢測，節(jié)省大量的人力和物力；③在線檢測：由于近紅外技術(shù)能夠及時快捷的對樣品進行檢測，在生產(chǎn)中，可以在生產(chǎn)流水線上配置近紅外裝置，對原料和成品及半成品進行連續(xù)再現(xiàn)檢測，有利于及時地發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，便于及時調(diào)控，維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。光纖導管和光纖探頭的開發(fā)應用使遠距離檢測成為現(xiàn)實。并且遠距離檢測技術(shù)特別適用于污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環(huán)境應用，為近紅外網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；④多組分同時檢測：多組分同時測定是近紅外技術(shù)得以大力推廣的主要原因。在同一模式下，可以同時測定多種組分，比如在測小麥的模式中，可以同時測定其蛋白質(zhì)含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標，這樣大大簡化了測定操作[1,3,7]。

糖廠對進廠甘蔗質(zhì)量特別是含糖分指標的監(jiān)測是一個難題，由于傳統(tǒng)的測量方法耗時長，一般從采樣到分析結(jié)果需要連續(xù)工作5～6 h。另外相對于入榨蔗量與樣本量非常微小，樣本代表性不足，即便后來一些糖廠在蔗帶采蔗絲代替在蔗場采整條甘蔗，樣本的代表性有了較大的提高，但是因為數(shù)據(jù)少，每個月只做3～4個樣本，未能全面準確評價入榨甘蔗質(zhì)量，對甘蔗砍運監(jiān)督管理、促進提升砍運管理、提高入榨甘蔗質(zhì)量的力度還十分有限。任何一家制糖生產(chǎn)廠，全面準確掌握所有入榨甘蔗的質(zhì)量對糖廠的生產(chǎn)管理、促進提升砍運管理，不斷提高甘蔗質(zhì)量，可實現(xiàn)高糖分、高產(chǎn)糖率，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，還可以為下一步改變甘蔗收購方法方式，實施進廠甘蔗按質(zhì)論價的目標打下基礎(chǔ)。

本文對在線紅外線系統(tǒng)進行了簡介，對在線紅外線系統(tǒng)檢測入榨甘蔗的效果進行了分析，以期為今后其在糖廠的應用提供參考。

1 在線紅外線快速測量儀

1.1 在線紅外線快速測量儀原理

瑞典波通儀器公司出品的DA7440在線近紅外分析系統(tǒng)外形尺寸-主機尺寸：195 mm(H)×461 mm(W)×210 mm(D)；主機凈重：11 kg。光學特性：波長范圍：900～1700 nm(通常使用950～1650 nm)；波長準確性：＜0.05 nm；波長穩(wěn)定性：＜0.2 nm/年；分光系統(tǒng)：鍍金全息固定光柵；光譜采集速度：約30次全光譜/s；噪音：＜0.00003 AU，在3 s測量時間內(nèi)；光源壽命：12000 h，用戶可更換；樣品呈現(xiàn)方式：非接觸式；光斑有效面積：直徑大于10 cm。該系統(tǒng)利用蔗絲中不同成分及不同含量對近紅外線吸光、反光、折光有不同規(guī)律的性質(zhì)，采用高速二極管陣列技術(shù)和全光譜掃描技術(shù)相結(jié)合的檢測方法，通過對蔗絲發(fā)射和接收在線近紅外線，能夠在1 min之內(nèi)檢測出蔗絲的纖維和蔗糖分及蔗絲中蔗汁的轉(zhuǎn)光度、蔗糖分、錘度、重力純度、還原糖分等甘蔗質(zhì)量指標。

1.2 在線紅外線快速測量儀安裝

2018年 12月份本廠在壓榨車間一線的二級蔗帶使用瑞典波通公司生產(chǎn)的 DA7440近紅外線分析儀，具體安裝位置為：甘蔗破碎工序之后，初榨工序之前的蔗料鏈式傳送帶。該位置的甘蔗絲，已經(jīng)完成了破碎工序，混合比較均勻。安裝位置如圖 1所示：

(1)根據(jù)實際生產(chǎn)情況安裝支架可以調(diào)節(jié)高度。

(2)安裝支架設(shè)計有防塵網(wǎng)，既可以防止蔗絲污染在線近紅外系統(tǒng)，又可以通風散熱。

(3)上蓋有鎖扣，可以起到防盜作用。

(4)支架下端設(shè)計成具有一定角度的斜面，可以防止蔗絲的高度較大時，污染在線近紅外系統(tǒng)鏡頭。

圖1 在線近紅外系統(tǒng)安裝示意圖

1.3 在線近紅外線系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫簡介

在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲品質(zhì)，供應商已經(jīng)開發(fā)了成熟的近紅外模型。評價近紅外模型的2個指標：決定系數(shù)R2(R2的范圍：0～1，越接近1，越好)，R2越大(即越接近1)，說明模型的相關(guān)性越高，即近紅外模型能很好地區(qū)分出蔗絲成分的高低變化。預測標準偏差 SEP反映近紅外模型的預測準確度，SEP越小越好，SEP越小，說明在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲的準確度越高。由表 1蔗絲各成分的近紅外模型效果可以看出，蔗絲各成分指標：轉(zhuǎn)光度、錘度、重力純度、纖維和蔗糖分的近紅外模型效果均很好，尤其是轉(zhuǎn)光度、錘度和蔗糖分的近紅外模型效果最好。

1.4 在線近紅外線系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)應用校準

表1 蔗絲近紅外模型效果

錘度 11.7%～20.5% 0.89 0.38重力純度 64%～86% 0.77 1.73纖維分 9.5%～13.5% 0.39 0.56蔗糖分 7.2%～13.5% 0.86 0.36

在線近紅外系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，需要對儀器進行校正。采集具有代表性的蔗絲樣品22份，對比蔗絲樣品的化驗值(LAB)和在線近紅外系統(tǒng)的預測值，發(fā)現(xiàn)存在系統(tǒng)差(截距)。在線近紅外系統(tǒng)的系統(tǒng)差(截距)校準后，檢測準確度與模型本身的精確度一致，滿足要求(表2)。

1.5 數(shù)據(jù)通迅方案和顯示

在線近紅外系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)傳輸方式，將連續(xù)檢測數(shù)據(jù)整合到客戶的控制系統(tǒng)，如OPC DA、Profibus DP、Modbus-TCP、以太網(wǎng)TCP/IP、模擬信號輸出等。此外，在線近紅外系統(tǒng)采用網(wǎng)頁版的操作軟件和使用界面，支持每隔5 s更新數(shù)據(jù)，在線近紅外系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)顯示如圖2所示。將儀器控制電腦接入客戶局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)的任何計算機只需要安裝一個瀏覽器，并輸入在線近紅外系統(tǒng)控制電腦的IP地址，便可以登錄儀器操作界面。

表2 在線近紅外系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)應用校準結(jié)果

圖2 在線近紅外系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)顯示

在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件可以幫助客戶實現(xiàn)任何時間段內(nèi)數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計，設(shè)計查詢統(tǒng)計間隔：0.5～24 h，以及根據(jù)需要設(shè)定不同時段和日期，班次、日、月、季度和榨季的統(tǒng)計報告查詢和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示和導出報表見 圖3和圖4。

圖3 在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示(2018年12月16～26日)

圖4 在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計導出報表(2018年12月1～26日)

2 在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲的試用效果總結(jié)

2.1 隨機抽樣 2天蔗絲樣本驗證在線近紅外系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)準確性

在線近紅外系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)應用校準后，用于連續(xù)檢測蔗絲品質(zhì)。為了進一步驗證評估儀器的檢測準確度，分別于2018年12月19日和2018年12月21日隨機抽樣分析8組數(shù)據(jù)，驗證在線近紅外系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)與化驗分析的數(shù)據(jù)準確性，結(jié)果如表 3所示。

蔗汁錘度測量對比：人工測量與紅外線測量 2天平均相差值分別為-0.05%、0.12%；重力純度測量對比：人工測量與紅外線測量平均相差值為0.12%、-3.06%；甘蔗糖分測量對比：人工測量與紅外線測量平均相差值為-0.13%、-0.33%；蔗汁還原糖分測量對比：人工測量與紅外線測量平均相差值為0.08%、0.06%；甘蔗纖維分測量對比：人工測量與紅外線測量平均相差值為0.27%、0.06%；以上人工檢測及近紅外檢測結(jié)果，兩數(shù)據(jù)誤差率均小于5%。

表3 蔗絲化驗分析和在線近紅外系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)對比

2.2 連續(xù) 5天抽樣蔗絲驗證在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲的準確性

2.2.1 驗證方案

在成功驗證了2天隨機抽樣在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲準確性的基礎(chǔ)上，驗收組組織了更全面細致的驗收方案：化驗室按照正常品控和生產(chǎn)的標準，按時每天取樣和化驗，然后對比化驗分析和在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)的差異。其目的為驗證在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲的準確性和穩(wěn)定性，考察在線近紅外系統(tǒng)代替化驗分析檢測蔗絲的可行性。

2.2.2 方案實施

各部門配合在2018年12月24～28日5天連續(xù)抽樣25批次的蔗絲，驗證在線近紅外系統(tǒng)檢測蔗絲 與化驗分析的數(shù)據(jù)準確性，結(jié)果如表4所示。

表4 蔗絲化驗分析和在線近紅外系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)對比(2018年12月24～28日)

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表4化驗室分析和近紅外系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)匯總得出表 5，其中錘度的誤差絕對值范圍 0.02～0.92、誤差率為 1.17%；重力純度誤差絕對值范圍0.00～4.26、誤差率為-0.98%；蔗糖分誤差絕對值范圍 0.02～0.75、誤差率為-0.30%；還原糖分誤差絕對值范圍0.02～0.30、誤差率為2.08%；纖維分誤差絕對值范圍0.00～0.92、誤差率為0.84%；轉(zhuǎn)光度誤差絕對值范圍0.01～0.86、誤差率為0.51%。

表5 化驗室分析數(shù)據(jù)和近紅外線檢驗儀數(shù)據(jù)對比匯總表(2018年12月24～28日)

依據(jù)在線近紅外系統(tǒng)試用的技術(shù)要求：①實現(xiàn)1 min內(nèi)在線檢測出蔗絲的纖維和蔗糖分及蔗絲中蔗汁的轉(zhuǎn)光度、錘度、重力純度等功能；②主要指標(錘度、重力純度、蔗糖分、還原糖分、纖維分)檢測的誤差≤5%，按GB/T 10499-2014《糖料甘蔗試驗方法》，說明在線近紅外系統(tǒng)實時在線檢測蔗絲的準確度高，檢測誤差達到化驗分析的誤差要求，可以用來代替化驗分析的方法(因數(shù)據(jù)采集時間和量有限，此結(jié)論只能適用于本論文數(shù)據(jù)采集階段)，用于生產(chǎn)過程檢測蔗絲(即入榨甘蔗)的質(zhì)量。

3 日常使用過程的維護和數(shù)據(jù)分析比對修正偏差

(1)蔗層表面保持平整并使蔗層表面與紅外線的鏡頭保持在有效的測量距離內(nèi)可使設(shè)備測量過程更穩(wěn)定；選擇蔗層較平整位置上方安裝，還可在測量前對蔗層進行理平。

(2)保持紅外線鏡頭的干凈，是確保測量數(shù)據(jù)準確的前提條件之一，每天可用 75%的酒精擦拭鏡頭保護層。

(3)日常數(shù)據(jù)修正：在線近紅外系統(tǒng)每5 s測得一組數(shù)據(jù)并自動記錄在系統(tǒng)里，為確保數(shù)據(jù)真實可靠，化驗室制定出日常驗證方案，每半個月采集一組蔗絲(大約5～6個樣本)以人工分析結(jié)果數(shù)據(jù)與紅外線數(shù)據(jù)對比，修正紅外線偏差；除了定期的驗證外，發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)異常情況時，可采集壓榨初汁測轉(zhuǎn)光度、錘度、重力純度數(shù)據(jù)作快速的修正。

4 在線近紅外系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應用

(1)近紅外線系統(tǒng)正常使用后，每5 s測量一組數(shù)據(jù)實現(xiàn)了甘蔗質(zhì)量大數(shù)據(jù)，我們從其數(shù)據(jù)庫中設(shè)定1 h、每班(8 h)、每日(24 h)計算甘蔗的平均蔗糖分、還原糖、重力純度、纖維分數(shù)據(jù)形成報表；農(nóng)務(wù)使用數(shù)據(jù)查詢平臺，可讀取任何時段的數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；虿▌?，對照農(nóng)務(wù)系統(tǒng)進廠甘蔗信息可迅速查出異常甘蔗來自具體村坡、蔗農(nóng)品種、砍蔗時長等信息進而確定責任人，及時發(fā)現(xiàn)及時查明砍、運工作存在的問題及原因，進而采取措施、跟蹤措施實施效果；以紅外線數(shù)據(jù)作為輔助管理，問題發(fā)現(xiàn)及時準確，針對性強，解決效率高，效果顯著。通過以上方法，實現(xiàn)農(nóng)務(wù)砍運精細管理，取得了顯著成效，2018/19年榨季全區(qū)各糖廠蔗糖分普遍低于上年，但本廠甘蔗糖分不降反升，實現(xiàn)入榨甘蔗糖分、產(chǎn)糖率名列前茅。實踐證明使用近紅外在線快速檢測，可監(jiān)督農(nóng)務(wù)進廠甘蔗質(zhì)量，督促和指導農(nóng)務(wù)進一步完善甘蔗砍運工作，提高進廠甘蔗質(zhì)量、提高產(chǎn)糖率。

(2)由于紅外線數(shù)據(jù)量大，較于傳統(tǒng)的采樣分析，近紅外線檢測數(shù)據(jù)的變化能夠更真實全面反映進廠甘蔗的質(zhì)量狀況：

自2019年1月份起，本廠的生產(chǎn)班報、日報表中的甘蔗蔗糖分基本按紅外線檢測數(shù)據(jù)取數(shù)，通過中間制品分析數(shù)據(jù)以及產(chǎn)糖的計算，甘蔗糖分與產(chǎn)糖率以及蔗渣、濾泥、廢糖蜜的糖分損失及無形損失之間物料是平衡的。

2月和 3月因洄溶寄倉赤砂和白砂，生產(chǎn)報表甘蔗蔗糖分比紅外線檢測數(shù)據(jù)高0.2%，檢測數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)基本符合。

經(jīng)過一個榨季的運行，證明生產(chǎn)報表的甘蔗糖分可直接使用近紅外線所測得的入榨甘蔗糖分數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論與展望

(1)在線近紅外系統(tǒng)用于日常檢測蔗絲的質(zhì)量，實時在線檢測蔗絲的準確度高，可以用來代替常規(guī)化驗分析的方法，取消初汁壓汁采樣分析，用近紅外數(shù)據(jù)代替。

(2)采用在線近紅外系統(tǒng)，提高了檢測頻率，實現(xiàn)了實時檢測入榨甘蔗糖分等指標，評價某個時段的產(chǎn)糖率水平時可識別是原料甘蔗還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)原因，快速實現(xiàn)明確責任部門，在錯綜復雜制糖生產(chǎn)環(huán)節(jié)快速找出問題的關(guān)鍵、迅速解決問題。

(3)在線近紅外檢測入榨甘蔗糖分，可為下一步收購原料甘蔗實施按質(zhì)論價打下基礎(chǔ)，促進蔗農(nóng)選擇種植高糖品種，改變長久以來只追求產(chǎn)量的單一思維，實現(xiàn)蔗農(nóng)及糖廠雙贏，初步方案如下：①利用當前安裝使用的在線近紅外系統(tǒng)，配套相應的蔗帶運行監(jiān)控及記錄系統(tǒng)，準確識別每車進入生產(chǎn)線甘蔗，在甘蔗倒入蔗槽時建立開始進入標志位及結(jié)束進入的標志位。②通過運動控制統(tǒng)計方法，統(tǒng)計初始標志位與結(jié)束標志位，統(tǒng)計該車甘蔗通過近紅外糖分分析儀的運動軌跡過程(計量通過翻板機的一級帶、勻速除泥帶、翻板機的二級帶；車間一級帶、車間二級帶到檢測儀部分的過程)。儀表識別整個過程后，采用該車甘蔗的中間分析部分(如：20%～80%可設(shè)定)的平均值糖分含量作為該車甘蔗含糖分。③采用計算翻板機蔗帶及蔗帶的實際長度建立真實的運動軌跡計量?？梢哉嬲龑崟r反映并追蹤在蔗帶上的甘蔗的位移軌跡直到甘蔗位移到近紅外糖分檢測設(shè)備。進而確定每車甘蔗的測量范圍，最后經(jīng)過對該車甘蔗所有數(shù)據(jù)計算平均值，即得出每車進廠入榨甘蔗糖分。④甘蔗糖分數(shù)據(jù)與農(nóng)務(wù)甘蔗款結(jié)算系統(tǒng)中的按質(zhì)論價計算公式關(guān)聯(lián)并計算出每車入榨甘蔗的蔗款。