糧食裝車實(shí)時(shí)抽樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎ 徐子鋒，趙 征，王帥國，韓曉燁，張文瀚，王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

現(xiàn)有的取制樣系統(tǒng)重點(diǎn)在于整個(gè)糧食發(fā)運(yùn)的前端，也就是從船舶到港口階段的檢測，保證了糧食入境的質(zhì)量與安全。但在糧食發(fā)運(yùn)的后端，也就是從港口通過設(shè)備經(jīng)鐵路或公路發(fā)送階段，目前只有人工通過肉眼觀測的方式進(jìn)行粗放的檢驗(yàn)檢測，對(duì)于雜質(zhì)含量、糧食濕度等信息無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[1]。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

當(dāng)前，在裝車階段，物料先由筒倉經(jīng)過刮板機(jī)、斗提機(jī)的運(yùn)輸進(jìn)入裝車樓，后經(jīng)過翻板選擇、斗秤稱量進(jìn)入車輛。當(dāng)有過多的物料進(jìn)入裝車樓后，又可經(jīng)過返倉刮板機(jī)將多余物料經(jīng)由返倉流程返回筒倉儲(chǔ)存，如圖1所示。

圖1 裝車樓散糧裝車流程圖

由裝車流程可得出，在物料從筒倉到待裝車輛的過程中，并沒有任何監(jiān)管，只能在物料進(jìn)入車輛時(shí)進(jìn)行觀察檢測，難以把控糧食的質(zhì)量[2]。

糧食裝車實(shí)時(shí)抽樣系統(tǒng)主要分為硬件與軟件2個(gè)部分。①硬件部分。由取樣機(jī)、縮分機(jī)、篩分機(jī)、電子料斗秤、容重儀、樣品輸送管道組成，如圖2所示。當(dāng)糧食經(jīng)過斗秤的稱量后，設(shè)置在下方的取樣機(jī)將對(duì)物料進(jìn)行取樣進(jìn)入系統(tǒng)，后經(jīng)過縮分機(jī)，將物料分為2份，一份篩分色選并且對(duì)重量進(jìn)行測量，另一份計(jì)算容重，最終所有樣品糧食再直接進(jìn)入待裝車輛。②軟件部分。根據(jù)大豆國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1352—2009與SN/T 4645—2016 《進(jìn)口大豆品質(zhì)檢驗(yàn)方法》中有關(guān)大豆質(zhì)量的規(guī)定，計(jì)算出本次裝車大豆的破損率、含雜量等指標(biāo)并出具報(bào)告。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)備介紹

1.2.1 取樣機(jī)

取樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，取樣機(jī)安裝在物料通道的側(cè)面，利用物料下落時(shí)的勢(shì)能落入采樣頭，采樣頭經(jīng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)帶動(dòng)采樣頭在物料中做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣的取樣方法可有效取到物料中心與邊緣的物料，取料更加均勻。取樣機(jī)的腔體側(cè)面留有觀察口，可方便后期維修維護(hù)，還可在此處查看物料情況，緊急情況下可作為手動(dòng)取料口。然而，電機(jī)的選擇需要有較為強(qiáng)大的過載能力，大流量物料時(shí)采樣頭將會(huì)存在較大阻力。

圖3 取樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 電子料斗秤

電子料斗秤結(jié)構(gòu)如圖4所示，電子料斗秤在本系統(tǒng)被多次使用，取樣機(jī)得到的物料先需要經(jīng)過電子料斗秤的稱量，確定進(jìn)入系統(tǒng)的物料的重量，后續(xù)在篩分、色選的末端仍須添加電子料斗秤，以確定雜質(zhì)重量。對(duì)于稱量得到的重量數(shù)據(jù)，將會(huì)送到后臺(tái)的裝車樓服務(wù)器中進(jìn)行運(yùn)算分析，以車輛或是批次為單位，得到平均雜質(zhì)含量等數(shù)據(jù)。

圖4 電子料斗秤圖

電子料斗秤應(yīng)當(dāng)定期校驗(yàn)，保證計(jì)量的準(zhǔn)確性，校驗(yàn)可使用20 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼。

1.2.3 可調(diào)節(jié)縮分機(jī)

可調(diào)節(jié)縮分機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，這一設(shè)備可調(diào)節(jié)縮分比例，將物料按預(yù)設(shè)好的比例分為2堆，在本設(shè)計(jì)中，縮分機(jī)的主要作用是將取樣好的物料分成2份，一份送入容重設(shè)備，另一份進(jìn)入后續(xù)的雜質(zhì)篩選。

圖5 可調(diào)節(jié)縮分機(jī)圖

縮分機(jī)的安裝位置在料斗秤的正下方，兩者靠法蘭與物料運(yùn)輸管連接。物料運(yùn)輸管道長度應(yīng)當(dāng)盡可能的短，以減少設(shè)備的整體體積。縮分機(jī)的側(cè)面應(yīng)留有檢修觀察口，方便設(shè)備后期維護(hù)與維修。

1.2.4 篩分機(jī)

篩分機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，物料經(jīng)過縮分機(jī)縮分后，一部分進(jìn)入篩分機(jī)，篩分機(jī)有2層不同直徑的篩網(wǎng)，且篩網(wǎng)可更換以適應(yīng)不同物料的需要。物料由上端進(jìn)入篩分機(jī)，篩分機(jī)本身有一定的傾斜角度，再通過震動(dòng)，物料經(jīng)過2層篩孔被篩選為3份，分別為篩上物、篩中物、篩下物。其中篩中物直接由管道進(jìn)入待裝車輛；篩上物與篩下物經(jīng)電子料斗秤稱量記錄后，進(jìn)入待裝車輛[3]。

圖6 篩分機(jī)結(jié)構(gòu)圖

由于篩分機(jī)在工作時(shí)有震動(dòng)，需要在底座位置加裝減震裝置，以免影響同平臺(tái)其他設(shè)備（容重儀、色選儀）的工作狀態(tài)。

1.2.5 單通道色選儀

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)在該環(huán)節(jié)僅需要儀器將物料與雜質(zhì)分開，所以采用單通道色選儀。色選儀設(shè)置在篩分機(jī)的下方，篩中物直接進(jìn)入色選儀，經(jīng)過分選后，得到物料與雜質(zhì)。物料直接進(jìn)入待裝車輛，雜質(zhì)口下方設(shè)置電子料斗秤，稱量和記錄雜質(zhì)重量后進(jìn)入待裝車輛。

圖7所示的色選儀僅為本設(shè)計(jì)在初期選型的一種色選機(jī)，并不代表后期的具體類型，色選儀內(nèi)部應(yīng)當(dāng)預(yù)先集成多套色選程序，以滿足不同物料的分選需要，其中，需要的色選數(shù)據(jù)可由前端取制樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫提供。

圖7 單通道色選機(jī)圖

1.2.6 容重儀

容重儀的作用在于實(shí)時(shí)監(jiān)控物料的容量（體積質(zhì)量比）、溫度和濕度，并加以記錄（如圖8）。容重儀的設(shè)置在縮分器之后，記錄頻率與最上端的電子斗秤頻率一致。容重儀應(yīng)當(dāng)做防塵與抗震處理。

圖8 容重儀圖

1.3 系統(tǒng)算法介紹

本系統(tǒng)的算法部分主要集中在大豆質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算方面。當(dāng)單位批次裝車完成后（以批次、車輛、日期為單位），系統(tǒng)將自動(dòng)生成有關(guān)該批次物料質(zhì)量的報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容包括裝載噸位、物料裝車時(shí)的濕度、溫度、容重、產(chǎn)地、船名、物料類型、雜質(zhì)含量、裝車日期、抽樣重量等[4]，如圖9所示。

圖9 質(zhì)量報(bào)告單圖

其中，物料類型、產(chǎn)地、船名可由中控室提供，抽樣檢測重量由電子料斗秤獲得為累計(jì)值。溫度、濕度、容重為容重儀獲得，取平均值。

雜質(zhì)含量的計(jì)算涉及多個(gè)信息。

式中：Z為雜質(zhì)含量；M為抽樣檢測重量；m1為篩上物重量；m2為篩下物重量；m3為色選雜質(zhì)重量；K1為比例系數(shù)，與具體物料有關(guān)；K為人為設(shè)置的縮分比例，K的值小于1；K2為校準(zhǔn)系數(shù)，讀取結(jié)構(gòu)有誤差時(shí)，可通過調(diào)節(jié)K2的值來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

大部分情況下，公式的參數(shù)可通過系統(tǒng)自動(dòng)讀取，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，部分參數(shù)如比例系數(shù)K需要手動(dòng)輸入；也可通過人工輸入部分系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)最終結(jié)果的校準(zhǔn)。

2 設(shè)備布置與工藝流程

2.1 設(shè)備布置方法

在物料管道的側(cè)面布置取樣機(jī)，利用法蘭與其連接，取樣機(jī)下放置總電子稱量斗，后連接縮分機(jī)將工序一分為二，一個(gè)口接容重儀，另一個(gè)口接篩分機(jī)。篩分機(jī)共3個(gè)出口，2個(gè)安裝電子料斗秤，后接樣品運(yùn)輸管回到物料管道，1個(gè)連接色選機(jī)。色選機(jī)下的2個(gè)口一個(gè)直接回物料管道，另一個(gè)經(jīng)電子料斗秤后回物料管道[5]。如圖10所示。

圖10 設(shè)備示意圖

圖11 工藝流程圖

2.2 工藝流程分析

當(dāng)裝車流程開始時(shí)，物料經(jīng)過物料管道，此時(shí)取料機(jī)開始工作，采樣頭由電機(jī)帶動(dòng)做往復(fù)周期性運(yùn)動(dòng)，在物料邊緣與中間來回取料，保證采樣的均勻與客觀。取樣完成后的物料，經(jīng)過重力落入下方的電子稱量斗，電子稱量斗稱量一次取樣的總重量，并加以記錄。記錄完成后物料經(jīng)過樣品輸送管與變徑法蘭進(jìn)入下方的縮分器，其中，縮分器的縮分比例是根據(jù)需要設(shè)計(jì)完成的，并且隨時(shí)可調(diào)。

一部分物料經(jīng)過縮分器的縮分進(jìn)入容重儀器，在測試完成溫度、濕度、容重等信息后，經(jīng)過樣品輸送管道進(jìn)入原本的物料通道。另一部分物料在經(jīng)過縮分后進(jìn)入篩分機(jī)，進(jìn)入篩分機(jī)的物料被篩分為3份，即篩上物、篩下物、篩中物。其中，篩下物、篩上物口下方設(shè)置電子料斗秤，在電子料斗秤獲取篩上物、篩下物重量后直接進(jìn)入物料管。

篩中物與色選儀連接，此時(shí)的雜質(zhì)直徑與原本物料類似，形狀也類似。色選儀利用雜質(zhì)與物料外觀特性的不同將其分選出來。本設(shè)計(jì)的工藝流程只會(huì)將樣品分為雜質(zhì)與正常物料2部分，正常物料口直接經(jīng)樣品輸送管進(jìn)入物料管道，雜質(zhì)口設(shè)置電子料斗秤，在稱量并記錄后，經(jīng)過樣品輸送管道回到物料管道。

此時(shí)，取樣記錄工序與裝車工序是同時(shí)運(yùn)行的，因此雜質(zhì)含量等數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)變化的，如果多個(gè)取樣批次（一般取3～5個(gè)對(duì)應(yīng)裝車噸位為12～20 t）的雜質(zhì)含量平均值明顯高于質(zhì)量要求，則啟動(dòng)預(yù)警流程。

預(yù)警流程：若雜質(zhì)含量低于1%，流程正常運(yùn)行，裝車正常；若雜質(zhì)含量在1%～3%之間，流程開始報(bào)警，要求裝車人員進(jìn)行人工確認(rèn)；若雜質(zhì)含量大于3%，裝車流程停止，并標(biāo)記對(duì)應(yīng)的出倉筒倉，此時(shí)，彈出返倉流程，工作人員經(jīng)過人工確認(rèn)后（確認(rèn)是否為系統(tǒng)故障），可選擇是繼續(xù)裝車流程，或是啟用返倉流程。進(jìn)入返倉流程后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇返回被標(biāo)記的筒倉，并再次啟用新的裝車流程，新的裝車流程不會(huì)再使用被標(biāo)記的筒倉。被標(biāo)記的筒倉可由工作人員在確認(rèn)后取消標(biāo)記，被人為取消標(biāo)記的筒倉在這一批次中不會(huì)再一次被標(biāo)記，具體工藝流程圖如11所示。

3 系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)作為后端裝車抽樣系統(tǒng)，可單機(jī)運(yùn)行。但是單機(jī)運(yùn)行時(shí)，船名、筒倉編號(hào)等信息需要工作人員手動(dòng)輸入，因此加大了人力成本和學(xué)習(xí)難度，且單機(jī)運(yùn)行時(shí)，部分功能，如自動(dòng)標(biāo)記問題筒倉等功能將會(huì)失效。

在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)將與中控室控制系統(tǒng)相連接，對(duì)于船名等信息可直接從中控室讀取。對(duì)于前端的糧食進(jìn)倉取制樣系統(tǒng)，本系統(tǒng)也可互聯(lián)。這一互聯(lián)形式主要是將物料的質(zhì)量信息上傳給前端系統(tǒng)（前端系統(tǒng)創(chuàng)建較早，系統(tǒng)更為強(qiáng)大，數(shù)據(jù)庫更加全面）。此時(shí)，作為后端的數(shù)據(jù)信息，通過船名與物料類型、日期等信息與前端的數(shù)據(jù)相對(duì)比，生成一份完整的、從船舶靠港到入倉再到出倉的質(zhì)量報(bào)告。

本系統(tǒng)計(jì)劃連接方式采用485通訊協(xié)議網(wǎng)線連接，亦可利用互聯(lián)網(wǎng)、路由器無線連接。然而，考慮到現(xiàn)場的復(fù)雜性，無線連接可能存在數(shù)據(jù)丟包的問題，使用有線連接更加穩(wěn)妥，如圖12所示。

圖12 互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備原理、軟件算法、具體布置、工藝流程和系統(tǒng)互聯(lián)幾個(gè)方面論述了設(shè)計(jì)思路與可行性，有效彌補(bǔ)了港口散糧裝卸行業(yè)中，散糧出倉時(shí)質(zhì)量沒有標(biāo)準(zhǔn)化檢測、監(jiān)管的問題。

同時(shí)，本系統(tǒng)可與前端的糧食表層檢驗(yàn)（船舶進(jìn)港）、中段糧食取制樣系統(tǒng)（糧食進(jìn)倉）相結(jié)合，構(gòu)建前端、后端（糧食出倉、裝車）為一體的糧食進(jìn)口取制樣自動(dòng)化管理平臺(tái)，做到全流程的糧食質(zhì)量監(jiān)管與記錄，有效提高港口服務(wù)質(zhì)量。