一种入仓水分超标粮食的分拣系统

王宏伟, 刘　培

(航天信息股份有限公司，北京　100195)



一种入仓水分超标粮食的分拣系统

王宏伟, 刘培

(航天信息股份有限公司，北京100195)

摘要：给出一种入仓粮食在线自动分拣方法及系统。该方法依托于水分在线检测技术，以挡板为分拣实现形式，通过判断当前粮食的水分含量是否满足入仓标准，自动切换挡板，不同水分含量的粮食可分别由入仓通道或分拣通道流出，以适合入仓水分含量标准为界，有效区分入仓粮食的水分含量标准。该系统能够快速、自动地避免水分超标粮食入仓，保证仓储粮食安全，同时分拣方法简单有效，并通过实践验证。

关键词：入仓；水分；分拣；挡板；粮食

0引言

随着我国工业进程的不断发展及农村劳动力的转移，粮食收购进入卖方市场，不少地区收购的粮食没有得到充分晾晒，导致集约化储藏的粮食水分超标[1-2]。扦样[3]对水分的检验起到了一定的把关作用，但由于我国农业生产的规模化、集约化程度较低，收获的粮食品质一致性难以保证[4]。粮食入仓前在线烘干[5]是杜绝水分超标粮食入仓的有效方法；但由于在线烘干设备构造繁杂、体积较大、成本较高，目前国内许多中小型粮库不具备粮食在线烘干能力。水分超标粮食进入储藏、流通环节将严重影响粮食的安全性[6]。因此，在入仓前分拣出水分超标粮食是保证粮食安全的重要手段。

1背景

本入仓水分超标粮食分拣方法及系统依托于国家科技支撑计划项目“粮食流通数字化集成技术研究与示范”(2013BAD 17B07)，基于微波技术[7]的入仓水分在线检测传感器提供标准4~20mA作为分拣系统采集到的水分含量数据。整个分拣系统如图1所示。

基于微波技术的入仓水分在线检测传感器可在线、无损、快速、准确检测粮食水分含量，图2为本系统采用的自研传感器安装模型[8]。

图1　分拣系统模型(左)及实体图(右)

1.接收天线　2.粮食　3.发射天线　4.输送单元　5.处理单元

本文所述水分在线检测传感器由3部分组成：接收天线、发射天线、处理单元。发射天线安装于输送单元上下皮带之间，接收天线安装于发射天线的正上方，两天线的辐射端口正相对。粮食流经两天线之间，方向为入仓口。发射天线发送一定频率、一定强度的微波信号(本课题采用X波段作为工作频率[9])，通过一定厚度的粮食层后，衰减后的微波信号被接收天线接收。接收信号的衰减强度与相位变化与粮食的水分含量相关，通过衰减信号与水分含量的对应关系，可得出粮食的水分含量值，并转化为4~20mA的电流信号输出给分拣系统。

分拣系统分析水分传感器发送电流信号，并解析出当前粮食水分含量，判断此部分粮食是否需要分拣，从而确保入仓粮食的水分含量均满足入仓储藏需求。

2分拣系统架构

针对上述问题，本文提出一种基于挡板的自动分拣方法及系统。

挡板作为分拣功能实现的部件，在本系统中起关键作用。通过控制挡板的状态，搭建两条不同的通道，使得当前粮食可根据水分含量的不同，路径发生改变。

如图3所示，该自动分拣系统主要由控制单元、输送单元、分拣单元及两个通道(入仓通道、分拣通道)构成。挡板作为关键部件，分属于分拣单元。

图3　分拣系统架构图

以下将对该分拣系统组成及原理分别描述。

2.1　控制单元

控制单元是本核心的中枢部分。该单元主要完成分析、判断、控制等功能，如图4所示。

控制单元作用为：①接收水分传感信号，并与内部设定信号比较，判断粮食是否可以入仓；②控制输送单元运行速度，匹配入仓粮食吞吐量需求；③控制分拣单元器件开合时间点与时间段，分拣水分超标粮食。

图4　控制单元核心结构图

本项目采用西门子S7-300作为主控器件[11]，如图5所示。图6为系统实际采用的控制柜体内器件布局。

图5　主控器件

图6　控制柜体

2.2　输送单元

输送单元作为待入仓粮食的载体，输送皮带的运行速度受控于控制单元。

如图7所示，输送单元的规格、型号直接影响到分拣系统的吞吐量大小，合适的输送皮带运行速度和皮带宽度应匹配实际应用中需要根据入仓作业量的需求确立。本文所述分拣系统选用140cm宽度的皮带，运行速度可在0.2~1.5m/s范围内自由选择。经试验，该分拣系统可满足60~80t/h的入仓工作量，有效地满足大多数粮食仓储单位入仓作业需求[13]。

输送单元的运行速度受控于电机，控制单元通过控制变频器的输出频率，驱动电机转速，从而有效选择输送单元的运行速率。

(a)　模型

(b)　实体

2.3　分拣单元

分拣单元是水分超标粮食分拣系统的关键部件。

本系统采用挡板作为分拣部件，挡板受作用于电机。如图8所示，矩形挡板中轴固定，两端可开合，电机驱动挡板，类似于单刀双掷开关。

图8　分拣单元示意图

图8所示分拣部件(挡板)的两种状态：图8中1为挡板闭合状态，2为由闭合状态切换为开放状态。此过程由电机驱动，挡板2状态位置位于1状态下方。

假定检测到的当前粮食水分含量为m1，设定入仓标准为m0，当m1>m0时，挡板打开为2状态，分拣通道畅通，入仓通道被阻断；相反，m1≤m0时则挡板关闭，保持为1状态，入仓通道畅通，分拣通道被阻断。挡板技术指标包括：①切换速度，受控于电机；②挡板部分与入仓通道结构的切合度，亦即当粮食入仓通道时，无颗粒散落至分拣通道。

分拣挡板的外形及安装方式如图9所示。

(a)　外形

(b)　安装

2.4两个通道

本项目涉及两个通道，即入仓通道与分拣通道，如图10所示。当粮食无需分拣时，挡板状态1，粮食经由图10上侧所示入仓通道入仓；当粮食需要分拣时，挡板状态2，粮食经由图10下侧所示分拣通道退出入仓流程。

(a)　分拣通道

(b)　模型

图10中箭头方向为粮食沿通道流动方向。

其中，分拣通道流出的粮食可集中烘干处理，直至达到可入仓标准。小批量的粮食集中烘干或转为他用，有利于为粮库节源，减少设备投入。

2.5　操作界面

本系统通过HMI控制设备和配置参数[12]，可以手动控制设备的启动、停止及挡板的闭合；另外，也可选择输送单元的运行速度。手动模式主要用于设备的调试。将手动/自动旋钮拨到自动位置，可通过图11中右上部分总启动和总停止按钮控制整个设备的启动停止运行。该模式为分拣系统的正常工作模式，系统可实现自动水分检测、自动分拣等功能。

图11　控制界面

点击参数设置可以切换到参数设置界面。

如图12所示：湿度上下限指水分在线检测传感器可检测的粮食水分含量的上下限；采样湿度数据是当前的粮食水分含量；设置湿度数据指允许粮食入仓的水分含量阈值，即2.3节所述参数m0，该数值将决定当前检测到的粮食进入分拣通道或者入仓通道。

界面中还包含其他功能选项，由于与本文主旨不符，在此不予赘述。

图12　配置界面

3分拣流程

入仓水分超标粮食分拣系统工作流程如图13所示。

1)系统参数设定。此步骤包括输送速度、水分在线检测范围、入仓标准等参数设定。

2)系统启动，预判输送单元运行速度是否满足系统需求。系统设定几档运行速度，用户可以根据当前入仓作业量选择合适的运行速度；另外，系统也可以添加前置检测单元，在线检测当前作业量，且系统可自动选择速度。

3)水分在线检测。分拣系统集成水分在线检测传感器，在线检测粮食水分含量，并可将水分含量数据发送到分拣系统。

4)自动分拣。自动分拣环节，通常需要确定是否需要分拣、何时分拣及分拣持续时间。系统设定挡板初始状态为关闭，亦即系统初始默认入仓粮食合格。

图13　分拣流程图

4结论

基于挡板方式的入仓水分超标粮食分拣系统，经过实验室模拟入仓现场环境验证，可有效地根据当前粮食水分含量，快速、自动分拣出水分超标粮食。当前水分在线检测传感器精度可控制在0.5%，挡板切换速度为2次/s，可满足常规粮库的入仓作业需求。该系统的应用，可有效阻止水分超标粮食入仓仓储。本系统可作为单独设备现场采用，不影响现有入仓作业流程。该方法所涉及的分拣方式简便、有效，成本较低，有利于设备在中等规模储备粮库推广。除此之外，由于粮食水分在线检测，可实时掌控当前粮食的水分含量值，通过划分不同水分区间段，可分拣出水分韩来那个不同区间内的粮食，专粮专用。下阶段，该系统将在江苏某储备粮库试点运行，保障秋收仓储粮食安全。

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Shuntting System for Moisture Super-standarded Grain before Warehousing

Wang Hongwei, Liu Pei

(Aisino Corporation, Beijing 100195,China)

Abstract：In order to guarantee the security of grain in storage, the moisture content from the grain should be controlled under some level. Once the moisture content is above the limit level, there are risks for the grain to go mouldy in due time. It’s necessary to shunt the high moisture grain out of the warehousing. The shuntting system provided in this paper acts as such role. This system will be supported by the technology of moisture on-line detecting, such as the technology based on microwave.By analyzing the current results from the moisture detector, this system judge that if it’s necessary to shunt this part of grain. If so, the system will operate the implementation automatically by means of baffle.The suitable part of grain to the warehousing standard with those super-standarded goes in different passages inside of the system. Thus, grain with high moisture is blocked off the barn path. This system has been applied in actual applications. And the verification has reached that this system provided is effective, high-efficient and at the meantime, the simple shuntting structure is easy to operate, low-cost as well.

Key words：warehousing; moisture; shunt; baffle; grain

中图分类号：S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0078-05

作者简介：王宏伟(1980-),男，河北故城人，高级工程师，博士，(E-mail) wanghongwei@aisino.com。通讯作者：刘培(1987-)，女，山东淄博人，工程师，硕士，(E-mail) liupei@aisino.com。

基金项目："十二五"国家科技支撑计划项目(2013BAD 17B07)

收稿日期：2015-08-14