散糧全自動制樣系統(tǒng)

◎ 陳智偉，林錦暉，王 健，陳 萍

（廣州港股份有限公司南沙糧食通用碼頭分公司，廣東 廣州 511462）

糧食質(zhì)量安全是關(guān)系民生的國家大事，當(dāng)前，我國糧食每年進(jìn)口量過億噸，糧食質(zhì)量問題復(fù)雜，嚴(yán)守糧食質(zhì)量安全和快速通關(guān)是海關(guān)監(jiān)管部門最為關(guān)注的問題。目前國內(nèi)糧食碼頭自動化建設(shè)情況良莠不齊，一些開港時(shí)間較長的碼頭，沒有自動取樣系統(tǒng)，采取人工抽樣方式，耗時(shí)費(fèi)力，無法滿足巨大進(jìn)口量糧食的快速通關(guān)；安裝自動取樣系統(tǒng)的糧食碼頭多數(shù)采取“門機(jī)抓斗接卸+自動化取樣”[1]作業(yè)模式，自動化取樣系統(tǒng)主要采用全斷面切割、旋轉(zhuǎn)式縮分樣品的方式進(jìn)行，取樣系統(tǒng)一般安裝在傳送帶上按要求設(shè)置實(shí)施抽樣，但只能獲取原始樣品。當(dāng)取樣設(shè)備獲取原始樣品后，制樣過程需依賴工人全程值守，按時(shí)打包，后續(xù)還要進(jìn)行搬運(yùn)、分樣、勻料、余料分裝回收等步驟，整個(gè)過程不僅耗費(fèi)大量的人力資源，而且由于取樣過程缺少相互獨(dú)立的接料裝置，樣品間交叉污染嚴(yán)重，影響后續(xù)檢驗(yàn)檢疫結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)這也成為了傳統(tǒng)取制樣工藝面臨的一大難題[2]。因此，有必要研發(fā)一種全自動化的新型制樣系統(tǒng)，在散糧卸船作業(yè)過程中，配合取樣設(shè)備，自動完成制樣過程，全程無需人力參與。

1 傳統(tǒng)取制樣工藝簡介

取樣設(shè)備一般安裝在糧流沿著導(dǎo)料溜管下落的部位，在散貨糧船接卸作業(yè)過程中，其內(nèi)部的定量料斗（可裝糧食約8 kg）周期性的伸入正在流下的糧流中，在糧流中停留30 s裝載糧食，然后收回得到初級子樣。初級子樣流入分樣罐，分樣罐主要實(shí)現(xiàn)分流作用，小部分初級子樣作為標(biāo)準(zhǔn)樣品流出落入暫存容器內(nèi)，其余初級子樣沿著分樣罐的回流溜管回流至生產(chǎn)線。暫存容器內(nèi)的糧食由工人進(jìn)行打包封裝、收集存放，并在卸船作業(yè)結(jié)束后統(tǒng)一搬運(yùn)至專門的制樣房。在制樣房內(nèi)工人按標(biāo)準(zhǔn)步驟完成分樣、勻料、余料分裝等操作，至此才算完成了完整的取制樣過程。為了控制每1 000 t糧食的取樣量在8 kg左右，取樣周期一般控制在7.5 min，計(jì)劃每次取樣1 kg，1 h共取樣8次，理論上一共可以獲得標(biāo)準(zhǔn)樣品8 kg。以70 000 t糧食船的卸船作業(yè)為例，假設(shè)期間作業(yè)效率為1 000 t·h-1，在整艘船的接卸工作完成后，所有樣品總重量可達(dá)560 kg，人力搬運(yùn)至制樣房的過程極其不方便。由于分樣罐的分流作用穩(wěn)定性欠佳，在實(shí)際使用過程中，標(biāo)準(zhǔn)樣品重量的控制效果十分不理想，難以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)每次取樣1 kg。此外，由于暫存容器內(nèi)的樣品混合存放，樣品間交叉污染嚴(yán)重。

2 總體方案設(shè)計(jì)

全自動過程制樣系統(tǒng)包含了分段制樣、總體制樣、余料回流3種工藝。分段制樣所得樣品要求能真實(shí)準(zhǔn)確地反映接卸過程中各個(gè)階段的糧食質(zhì)量。總體制樣所得樣品要求能反映整船糧食的總體質(zhì)量。余料回流指在分段制樣與總體制樣兩個(gè)步驟分別完成后，剩余物料回流至生產(chǎn)線的過程。方案計(jì)劃保留原有取樣設(shè)備的取樣機(jī)構(gòu)（定量料斗），并將分樣罐拆除，取樣機(jī)構(gòu)所獲取的初級子樣將直接進(jìn)入全自動制樣系統(tǒng)。應(yīng)用定量縮分技術(shù)，按縮分比例穩(wěn)定保留小部分的初級子樣進(jìn)行制樣，其余初級子樣均回流至生產(chǎn)線。

制樣工藝流程[3]可簡要概況為：①初級子樣經(jīng)過一次縮分，得到二級子樣，其余初級子樣作為余料回流至生產(chǎn)線。②二級子樣經(jīng)過二次縮分，得到三級子樣，其余二級子樣以混合的方式集中存儲。③利用三級子樣進(jìn)行制樣，得到分段標(biāo)準(zhǔn)樣品，完成分段制樣過程。④對所有集中存儲的二級子樣進(jìn)行攪拌混合后，經(jīng)過三次縮分后制樣，得到總體標(biāo)準(zhǔn)樣品，完成總體制樣過程。⑤三次縮分后剩余的二級子樣進(jìn)行余料回流。制樣工藝流程見圖1。

圖1 制樣工藝流程圖

3 系統(tǒng)說明

3.1 工藝說明

整個(gè)系統(tǒng)主要由2套氣力輸送系統(tǒng)、3套定量縮分器、1個(gè)勻料儲料器、1套80工位制樣轉(zhuǎn)盤以及多個(gè)用于控制糧流的氣動蝶閥組成。3套定量縮分器的縮分比均為1/8，縮分管可存糧食約1 kg。制樣系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

由圖2可知，利用傳統(tǒng)取樣裝置，從上游糧流中裝載得到初級子樣，初級子樣直接流入本制樣系統(tǒng)[4]。受取樣設(shè)備的定量料斗容積限制，每份初級子樣的重量均約為8 kg，首先流入的是取樣接料罐LG1，后經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)Q1提升至高處，初級子樣利用自身重力經(jīng)溜管流入定量縮分器SF1。定量縮分器SF1留存初級子樣的1/8，對初級子樣完成一次縮分采樣，得到二級子樣，重量為1 kg，其余7 kg經(jīng)溜管流入回收接料罐LG2，后經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)Q2提升至下游糧流中，完成一次余料回收。二級子樣流入定量縮分器SF2，定量縮分器SF2留存其中的1/8，完成二次縮分采樣，得到三級子樣，重量為0.125 kg，其余0.875 kg流入勻料儲料器暫存。

圖2 制樣系統(tǒng)示意圖

循環(huán)執(zhí)行8次以上步驟后，定量縮分器SF2內(nèi)一共收集并留存了8份來自連續(xù)且不同時(shí)間段的三級子樣的集合，總重0.125×8=1 kg。該集合流入80工位制樣轉(zhuǎn)盤的對應(yīng)工位，得到一份分段標(biāo)準(zhǔn)樣品，同時(shí)80工位制樣轉(zhuǎn)盤向前滾動一位，至此完成一次完整的分段制樣過程。綜上所述，分段制樣工藝是以連續(xù)的8個(gè)采樣單元作為樣品來源，所得樣品是這8個(gè)采樣單元的樣品混合物，總重量為1 kg，其質(zhì)量綜合代表了這8個(gè)采樣單元的物料質(zhì)量。以7.5 min的料流為1個(gè)采樣單元，連續(xù)的8個(gè)采樣單元?dú)v時(shí)1 h，分段制樣所得樣品對這連續(xù)1 h作業(yè)過程的物料具有優(yōu)秀的代表性。

每個(gè)采樣單元，均有0.875 kg的二級子樣流入勻料儲料器暫存。以7.5 min的料流為1個(gè)采樣單元，假設(shè)作業(yè)過程持續(xù)時(shí)長為70 h，在整船的分段制樣工藝完成后，勻料儲料器內(nèi)共存有糧食的重量為0.875×70×60/7.5=490 kg。

勻料儲料器對所有二級子樣進(jìn)行充分混合攪拌后，通過定量縮分器SF3，每次縮分采樣1 kg，流入80工位制樣轉(zhuǎn)盤的對應(yīng)工位，得到總體標(biāo)準(zhǔn)樣品，同時(shí)80工位制樣轉(zhuǎn)盤向前滾動一位，至此完成一次總體制樣過程。縮分采樣后剩余的二級子樣經(jīng)溜管流入回收接料罐LG2，后經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)Q2提升至下游糧流中，完成二次余料回收。

3.2 核心部件說明

3.2.1 定量縮分器

定量縮分器主要由進(jìn)料口、縮分管、錐形斗、出料口組成。縮分管按1/8的縮分比例設(shè)計(jì)，當(dāng)物料從進(jìn)料口進(jìn)入后，縮分管將截流1/8的物料流向下一級，剩余7/8只能通過錐形斗流向出料口。為保證糧食不會在錐形斗內(nèi)堆積，錐形斗最小傾角按45°設(shè)計(jì)。定量縮分器圖如圖3所示。

圖3 定量縮分器圖

3.2.2 勻料儲料器

勻料儲料器主要由罐體、攪拌電機(jī)、攪拌軸、氣動蝶閥組成。攪拌電機(jī)安裝于罐體上方，設(shè)計(jì)功率5.5 kW，驅(qū)動帶有螺旋攪拌頁輪的攪拌軸對罐體內(nèi)的糧食進(jìn)行攪拌，攪拌軸轉(zhuǎn)速可調(diào)。攪拌前，罐體內(nèi)的糧食分層明顯，每層糧食分別來自不同的采樣階段，攪拌頁輪的螺旋形設(shè)計(jì)有助于對上下分層的糧食進(jìn)行充分混合，保證了最終所制得的總體標(biāo)準(zhǔn)樣品對整船糧食具有優(yōu)秀的代表性。勻料儲料器圖如圖4所示。

圖4 勻料儲料器圖

3.2.3 80工位制樣轉(zhuǎn)盤

80工位制樣轉(zhuǎn)盤由上下兩層、每層各40工位的轉(zhuǎn)盤組成。各個(gè)接料工位由底部的鏈條牽引，受變頻電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤整體向前依次切換工位。標(biāo)準(zhǔn)樣品優(yōu)先裝滿上層的40個(gè)工位，然后控制三通閥門QV動作，樣品順著下轉(zhuǎn)盤進(jìn)料口流向下層的40個(gè)工位。封裝打包時(shí)，卸料氣缸動作，將對應(yīng)工位的樣品傾倒卸下，樣品順著出料口流出。80工位制樣轉(zhuǎn)盤圖如圖5所示。

圖5 80工位制樣轉(zhuǎn)盤圖

3.3 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要的電氣動作機(jī)構(gòu)如表1所示。

表1 電氣動作機(jī)構(gòu)表

為滿足調(diào)速的需求，勻料儲料器的攪拌電機(jī)與80工位制樣轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)盤電機(jī)均采用變頻器驅(qū)動，通過現(xiàn)場總線與PLC實(shí)現(xiàn)通訊。考慮各種附屬設(shè)備的控制以及到位信號反饋，經(jīng)計(jì)算確認(rèn)該控制系統(tǒng)至少應(yīng)含有26個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。計(jì)劃預(yù)留12個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。因此，控制系統(tǒng)總共規(guī)劃了38個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，26個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。

分段制樣的主要控制思路。①觸摸屏設(shè)置取樣周期時(shí)間t1與制樣周期時(shí)間t2，以原有取樣設(shè)備的取樣周期時(shí)間為參考，t1=7.5 min，根據(jù)本系統(tǒng)的定量縮分器的配合原理，默認(rèn)情況下t2=8×t1=60 min。②控制氣力輸送系統(tǒng)Q1的負(fù)壓電機(jī)以7.5 min的周期進(jìn)行循環(huán)工作，每次持續(xù)工作1 min；然后關(guān)閉負(fù)壓電機(jī)，同時(shí)控制打開關(guān)風(fēng)器，物料流入定量縮分器SF1。③以7.5 min的周期控制打開氣動蝶閥QDF1，SF1縮分管的物料流入定量縮分器SF2。④以60 min的周期控制打開氣動蝶閥QDF2，SF2縮分管的物料流入80工位制樣轉(zhuǎn)盤的上轉(zhuǎn)盤工位。⑤延時(shí)10 s后控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)動作，轉(zhuǎn)盤整體移動一位，同時(shí)計(jì)數(shù)器加一。⑥以上步驟不斷循環(huán)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到40時(shí)，控制三通閥門QV打開，物料將流向80工位制樣轉(zhuǎn)盤的下轉(zhuǎn)盤工位。

總體制樣的主要控制思路：手動選擇總體制樣份數(shù)n，控制勻料儲料器的攪拌電機(jī)持續(xù)工作5 min，然后按份數(shù)要求依次控制卸料蝶閥QDF3、QDF4先后循環(huán)動作，完成制樣。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 3545—2017[5]要求，對定量縮分器的穩(wěn)定性與分樣誤差進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算。試驗(yàn)方式：連續(xù)取10份定量縮分后的物料進(jìn)行計(jì)量稱重，按要求計(jì)算穩(wěn)定性與分樣誤差。連續(xù)進(jìn)行4次試驗(yàn)，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。由表2可知，定量縮分器的以上兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了行業(yè)要求。

表2 定量縮分器試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)國標(biāo)GB/T 5494—2019[6]要求，對經(jīng)勻料儲料器攪拌后的糧食進(jìn)行破碎率試驗(yàn)計(jì)算。試驗(yàn)方式：將500 kg的玉米隨機(jī)倒進(jìn)勻料儲料器，攪拌5 min，再將全部糧食進(jìn)行篩選（篩子的格子為5 mm×5 mm），計(jì)算破碎率。連續(xù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，得到如表3所示的數(shù)據(jù)。分析可知：勻料儲料器的糧食破碎率≤4%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GB 1353—2018[8]、GB 1351—2008[8]的要求，且可以通過適當(dāng)降低攪拌轉(zhuǎn)速的方式來進(jìn)一步降低破碎率。

表3 勻料儲料器試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)散糧的制樣工藝自動化程度偏低的問題，研制一套適用于散糧的全自動過程制樣系統(tǒng)，應(yīng)用在糧食專業(yè)碼頭的糧船接卸作業(yè)過程中，可實(shí)現(xiàn)全過程全自動制樣。以7萬t糧食船的卸船作業(yè)為例，假設(shè)期間作業(yè)效率為1 000 t·h-1，在整艘船的接卸工作完成后，共制得90份樣品，其中包括了70份分段標(biāo)準(zhǔn)樣品和20份總體標(biāo)準(zhǔn)樣品，總重量僅為90 kg，樣品總重量相對于傳統(tǒng)制樣工藝有了大幅下降。

總的來說，該制樣系統(tǒng)一改傳統(tǒng)制樣工藝落后低效的弊端，而且在空間上實(shí)現(xiàn)了各份樣品間的隔離，提升了樣品的清潔度，確保了后續(xù)檢驗(yàn)檢疫工作的準(zhǔn)確性。