中國面粉加工業智能化發展研究

張恒達 范中亞 李生龍

（布勒（無錫）商業有限公司，江蘇無錫 214242）

2020 年初，突如其來的新冠肺炎疫情席卷全球。在抗擊疫情的關鍵時期，習近平總書記多次強調糧食安全工作，他說：“這次疫情如此嚴重，但我國社會始終保持穩定，糧食和重要農副產品穩定供給功不可沒。”[1]糧食安全是關系國運民生的壓艙石，是維護國家安全的重要基礎。糧食安全不僅要在供給端關注糧食總產量，飯碗里必須主要裝我們自己生產的糧食[1]；而且還要從消費端抓起，習近平總書記強調，“要加強立法，強化監管，采取有效措施，建立長效機制，堅決制止餐飲浪費行為”[2]。除此之外，糧食安全與加工環節密不可分，根據調查數據顯示，由于產后加工不合理、加工過度而造成的損失高達75億kg[3]。糧食加工行業應該在生產加工環節補齊短板、提高工藝水平、改進生產效率、優化糧食利用率，努力實現生產環節的精細化和智能化，確保我國糧食安全。

隨著人們生活水平的提高，我國消費者對主食的需求已經從過去的溫飽型向營養型轉變。隨著“中國制造2025”的穩步推進，我國制造業與信息技術的融合得到不斷推進，提高了制造業的自動化和智能化水平。我國糧食加工行業經過幾十年的不懈努力，我國糧食加工雖在產能方面已經躍居世界前列，但是在信息化、智能化和自動化方面與世界先進水平仍有差距。“糧食行業信息化‘十三五’發展規劃”中明確提出，推進數字化研發設計工具的普及應用，推動物聯網、智能制造、大數據在生產制造、故障診斷等環節的創新應用，形成加工裝備自動化生產線、自動化倉儲與分揀系統等一批典型標志性成套裝備，實現加工裝備的數字化換代和智能化升級[4]。面粉加工業在我國糧食加工業中占有重要地位，推進面粉生產的智能化對確保我國糧食安全，促進糧食加工業的快速發展作用巨大。

1 面粉加工實施智能化生產的前提條件

智能面粉生產在歐美國家已有近30 年的發展歷史，其主要特點是能在生產過程中基本實現數據的收集、傳遞和分析自動化，加工設備和傳感器具有自我感知、自我反饋信息的能力。而我國則在近兩年才開始提出面粉生產的智能化，目前僅處于起步階段，因此只有極少數的面粉企業（如中糧集團、恒豐集團等）開始試用。

根據國內外面粉生產的經驗，實施智能化面粉生產必須具備4 個前提條件。

1.1 在線檢測設備

實現面粉生產的智能化，離不開在線檢測設備。自20 世紀八九十年代以來，近紅外技術和數碼技術日臻成熟，可以實現對谷物加工中關鍵指標（如水分、蛋白質、灰分、粒度、白度）進行實時快速的監測。

1.2 自動化的設備和傳感器

智能化面粉生產離不開自動化設備和傳感器。目前，市場上面粉加工的主機設備，如磨粉機，大多僅具備手動調節軋距功能，但瑞士布勒公司已生產出具有自動調節磨輥軋距功能的磨粉機、可以遠程控制的配麥器以及高方篩運轉控制器、粉管自動分配系統等自動化裝置。

在智能面粉生產中需要多種數據。一類是提前設定的靜態數據，包括客戶信息、供應商信息、生產工藝參數、設備校準參數等；另一類是實時采集的動態數據，包括設備運行參數、實時加工參數、品檢數據等。其中動態數據的采集是搭建智能平臺的關鍵點，而傳感器則是搭建智能化面粉生產數據采集節點的基石。傳感器的多點分布可以實現從原糧入倉、加工、配粉、打包、倉儲的全流程信息檢測、記錄和處理，從而為智能化控制系統進行自動化決策提供基礎數據。

傳感器的連接主要分為無線連接和有線連接。目前，在面粉生產中主要采用有線連接，控制系統多采用RS-485 標準，但這種信號易造成干擾，問題較多。少數自動化方案提供商可提供profinet 標準的傳輸，這種信號更加穩定，不易被干擾。從高水平智能工廠的角度來看，由于有線連接方式不能兼容面粉生產線的移動終端設備，因此在智能制造領域更加偏向于無線連接方式[5]。

1.3 高性能的控制系統

目前，我國大部分面粉企業已經配備PLC 生產控制系統、ERP 商業決策系統、MES 生產運營管理系統和PCS 過程控制系統等，但仍未達到智能化生產運營的要求。生產中的自動化控制僅停留在自動啟停設備、顯示生產數據的階段，沒有實現真正意義上的系統間的互聯互通，導致數據無法在系統間實現無縫對接，形成信息孤島。智能化生產運營需要將上述各系統有機連接在一起，形成一個包括生產、計劃、銷售等全流程的閉環。

1.4 專業的設計團隊

實施智能化面粉生產離不開專業化的設計團隊。從本質上來說，智能化就是用設備和控制系統模擬人的經驗，提高系統的控制水平和效率，進而降低對人的依賴。目前，大多數面粉企業在生產中的參數設定和調整仍需靠粉師進行人工設定和調整，其效果會受不同粉師的經驗差異影響。隨著人口老齡化和產業結構的調整，粉師從業人員的數量和質量都將無法滿足市場需求。因此將粉師的實踐經驗整合到面粉生產的MES 系統中，必須依靠一支設計經驗豐富、對面粉生產運營和自動化設計都精通的團隊。只有在充分了解面粉生產運營和工藝設置的基礎上，將人的經驗進行編碼、翻譯成機器語言，輔以控制系統，才能實現面粉生產過程的“數控制粉”[6]。

目前，國內4 條智能面粉生產線都是由布勒公司牽頭設計新建的。布勒公司具有設備生產、項目設計、自動化實施的完整架構和全方位人才，在面粉生產方面積累了豐富的經驗，致力于利用技術和創新讓全世界的面粉品質更具價值；除此之外，其在食品制造（如巧克力生產）的智能生產方面也積累了豐富的經驗。同時，布勒公司還能根據市場反饋，研發設計生產出與之相匹配的設備。相較于國內其他面粉生產設計單位，盡管在工藝流程、廠房布局等方面，他們也積累了很多成功經驗，但與布勒公司相比，在智能化技術應用方面卻稍有欠缺。面粉生產設計單位可在智能化方面積極消化吸收國外先進理念與技術，并結合中國國情大膽創新，以提升我國面粉加工行業的整體水平。

2 智能化面粉生產的創新

智能面粉生產除了能實現傳統面粉生產的全部功能之外，還能在精益化生產、實時監測等方面實現技術上的突破。

2.1 蛋白質在線監測系統

智能面粉生產利用安裝在一清階段的在線蛋白質檢測儀，實時監測小麥蛋白質含量并傳遞給控制系統。系統通過計算后，自動優化高低蛋白質含量小麥的搭配比例，見圖1。這樣可以優化原糧配比、節約采購成本、提高面粉生產盈利能力，以精益化生產提高小麥的利用率，同時保證面粉的品質。

圖1 蛋白質在線監測系統

2.2 實時剝刮率和取粉率控制系統

智能面粉生產可以通過粒度檢測儀和自動調節軋距磨粉機的配合，從而實現根據面粉粒度大小自動調節軋距、控制剝刮率和取粉率。具體來說，當粒度檢測儀檢測到面粉粒度過小時，發出信號給中央控制系統，控制系統按要求自動增大磨粉機的磨輥軋距，見圖2。

2.3 實時灰分自動檢測系統

圖2 研磨效果監測系統

智能面粉生產在粉收集系統后部安裝了近紅外分析儀自動檢測面粉灰分。將測出的數據傳輸給中央控制系統后，系統會根據設定的參數及時自動調整撥斗控制粉管走向，見圖3、圖4，從而實現面粉灰分的穩定。智能面粉生產可將灰分波動范圍設定更小，當面粉品質較好、灰分較低時，會有更多符合要求的面粉進入優質粉。相同條件下，智能面粉生產可提高優質粉出率5%～10%。

圖3 自動粉管撥斗調節裝置

圖4 灰分波浪示意圖

2.4 自動配粉系統

隨著人們對面粉的需求從通用粉轉變為專用粉，配粉已成為面粉生產中實現產品升級必不可少的技術。生產時通過自動配粉系統，可實現專用粉的精確配比。在自動配粉系統設定目標參數，系統會自動實現面粉出倉、稱量、混合等流程。而智能化系統可以快速根據不同批次面粉同品質的目標要求進行精確配比，進而穩定不同批次間的產品質量[7]。但是，由于專用粉的品質受到諸多因素（加工精度、粉質特性、操作性等復雜指標）影響，而現有在線檢測設備的檢測能力較弱，因此目前智能配粉仍處于探索階段。

3 實施智能面粉生產的意義

智能化面粉生產能夠通過提升小麥的綜合利用率，保障我國的糧食安全，幫助面粉企業應對人才不足的挑戰；除此之外，智能面粉生產還具有其他方面的重要意義。

3.1 更易實現產品品質的可追溯性

隨著消費者對食品安全的重視，食品的可追溯性已成為行業亟須突破的重點之一。食品追溯管理系統是實現“從農田到餐桌”全程記錄和追蹤的基礎平臺，借助RFID（無線射頻）技術、數據采集和識別裝置，配合控制系統可以實現從種植、采購、加工到包裝和運輸全價值鏈的記錄和追溯，從而將面粉加工過程中分散的數據形成數完整的數據鏈，建立起面粉的可追溯體系[8]。

3.2 可提高面粉企業的盈利能力

我國面粉加工企業普遍存在利潤低的問題，在面粉同質化競爭日趨激烈的情況下，通過精益化生產實現降本增效是解決問題的好辦法。智能面粉生產通過提高優質麥的利用率來實現降本增效，利用智能化生產可全面提升面粉生產管理水平和生產效率；同時，智能面粉生產可以隨時了解整條生產線的運營狀態、出粉率、電耗等指標，有利于面粉企業管理者及時了解生產運營水平，為后續在采購、生產等環節降本增效提供真實的信息。目前，電費已占到生產成本的25%以上[9]，智能面粉生產可通過MES 控制系統及時感知設備的負荷，通過自動檢測將設備調整到最優狀態，減少空閑系統的耗電，從而降低面粉生產的電耗。

3.3 可穩定面粉的品質

保證面粉品質穩定是面粉生產追求的目標之一，只有穩定的面粉品質，才能保證擁有穩定的客戶。通過人工檢測和手動配麥生產的面粉會因檢測和調節滯后造成質量的波動。依靠智能檢測和控制系統，生產能夠根據小麥的品質快速優化搭配比例、縮短調整周期，降低質量波動幅度，從而達到穩定面粉品質的目的。

4 結語

在糧食行業深化供給側改革、推進“兩化”融合的大背景下，如何利用智能化技術提升我國面粉業的整體管理水平和工藝水平，是未來一段時期內擺在我國糧食行業面前的重要課題。智能化在微觀上可改善面粉企業運營水平、降本增效、提高企業競爭力；在宏觀上通過提高糧食利用率、補齊糧食加工環節的短板，從而保障我國糧食安全。我們也應該清醒地認識到，智能化是多技術綜合應用的產物，目前智能化面粉生產還存在投資高、市場接受度低等問題。隨著智能化技術的快速發展，生產設備的費用會下降。