色选机在大米行业的发展及应用

张朝富，李 操，杨会宾，李志方

(1.国粮武汉科学研究设计院有限公司，湖北 武汉 430079； 2.国家粮食局谷物加工工程技术中心，湖北 武汉 430079)



色选机在大米行业的发展及应用

张朝富1,2，李 操1,2，杨会宾1,2，李志方1,2

(1.国粮武汉科学研究设计院有限公司，湖北 武汉 430079； 2.国家粮食局谷物加工工程技术中心，湖北 武汉 430079)

随着经济的发展和消费水平的提高，消费者对大米产品的质量要求越来越高，而色选机则是控制大米品质的关键设备。大米色选机主要是根据被选大米的光学特性的差异，将大米中的杂质、霉变粒、病斑粒等异色杂质剔除，对成品品质进行控制把关，从而保证产品质量。结合近年来大米色选机技术的发展与进步，就色选机的工作原理、系统组成、当前应用做了简单的阐述，并对未来的发展趋势做了分析与展望。

大米色选机；异色粒；彩色选；信号处理

随着国家对食品安全的重视程度以及消费者日益增长的物质要求越来越高，对大米成品的质量要求也越来越高；我国的碾米工艺水平随着经济的快速发展也有了显著的提高，加工技术也日臻完善。但要生产优质的大米，除了需要有高效的清理、砻谷、碾米设备来保证加工精度，更要有高精度的分选设备将大米中的杂质、霉变粒、病斑粒等异色杂质剔除，对成品品质进行控制把关，从而保证产品质量，而色选机就是大米加工中品质控制的关键设备。本文就色选机近年在大米加工行业的发展及应用做简单的阐述。

1 工作原理、结构

色选机一种集机械、光学、电子、气动、控制于一体的高科技产品，是利用光电原理从大量散装产品中将颜色不正常的或感受病虫害的个体(球、块或颗粒)以及外来夹杂物检出并分离。在不合格产品与合格产品因粒度十分接近而无法使用筛选设备分离或密度基本相同无法使用比重分选设备分离时，色选机能进行有效地分离，其独特作用十分明显，是分离密度基本相同、精度完全相同物料的最佳设备[1]。色选机装有高稳定光源，当物料经由振动喂料系统均匀地通过斜槽通道进入选别区域时，光电传感器测得反射光和投射的光量，并与基准色板反射光量进行比较，颜色传感器根据比较得到的色差产生相应的电压脉冲；当色差电压幅值超过阈值时，驱动喷射系统利用压缩空气吹出异色粒，从而达到颜色选别的目的[2]。

2 系统组成及特点

色选机主要由喂料系统(喂料器、物料通道)、光学探测系统(灯管、相机、滤色镜、背景板)、信号处理系统(色选板等)、分离系统(喷射系统、接料斗等)、操作界面等五大部分组成。

2.1 喂料系统

喂料系统是将料斗内的被选物料通过振动的方式均匀的输送至通道，确保物料精确地出现在光学区和喷射区内。

长窄型料斗的设计和使用确保物料处于平铺直流状态，该状态能保证物料均匀、连续的进入振动喂料器。通过调节振动喂料器振动量的大小，以达到对设备产量的控制。而物料通道在色选过程中起到加速物料的作用，并保证进入分选箱的物料分布均匀，速度一致；同时为了保证物料速率的稳定，在通道背面一般都设有加热装置(用于处理那些在常温下喂料困难的物料)，通常保证通道维持在50℃左右；为了避免物料下滑时跳料，正面设置防跳装置，根据所选物料颗粒大小选择对应宽度的防跳膜。目前通道普遍采用平板式，平板式较传统的导流槽式充分利用了两条料流之间的空隙，增大了色选机有效工作区间，提高了色选机的产能[3]。

2.2 光学探测系统

光学探测系统是色选机的核心部分，主要功能是采集光信号和识别物料。光信号是一段特定波段的光，是根据颜色的差异将不同的被选物料分开，即在一定的光照条件下，根据不同物体对特定波长的光的反射与透射率的差异将物体分开。

当被选物料经过检测区时，光学系统通过多个镜头对物料进行观察，将所得到的物料信号准确的反馈给信号处理系统，由信号处理系统分辨出成品和次品。

目前，大米色选已经由单色选和双色选发展到了彩色选的方式，识别精度达微米级，1 s可以实现对物料超过30 000次的扫描。如互补式彩色光学系统，针对微色差物料在彩色空间内的分布特征，通过引入光谱补偿原理，让物料信号更加突出，使微色差识别率更高。

2.3 信号处理系统

信号处理系统的主要功能是分辨出成品和次品。

被选物料途经光电传感器后，色选机的信号检测处理系统利用物料颗粒的光学特性，将颜色不正常、表面有缺陷或内部变质的疵品及杂物识别出来，并自动分选剔除[4]。由于粮食颗粒的流速快，料流宽，疵品出现的时间是随机的，要记录从发现疵品到执行喷除的时间，实时性要求极高，目前多数系统采用高性能的FPGA型信号处理板来实现。在CCD相机获取物料特征信息后，经FPGA采集板预处理后，利用低压差分信号技术将采集特征数据传输至分选处理板进行物料分选，并给出执行信号，具有更高的实时性和准确性[5]。

2.4 分离系统

分离系统主要包括接料斗和喷射系统。

接料斗通常采用前中后3个腔，分别接收色选时的剔除物、成品物料和回弹物料。

现阶段色选机喷射系统普遍采用气动喷嘴，气动喷嘴具有速度快、可靠性强、喷射精度高、使用寿命长和机械性能好等方面的优点，尤其适合高产量的大米加工行业。

气动喷嘴开口极小，一般在3 mm左右，最大限度控制气体扩散，保证喷射精度。由于物料在离开通道时会与接触的通道边缘(物流后方)保持相对稳定的运动状态,而物流的前方容易产生物料飞扬的不稳定状态，因此喷嘴设在物流的后方，喷射作业时，顺着物流方向从后向前吹，就可以更接近物流，吹气时使物流自然分流，从而保证喷射的精确性，使剔除物中带出的成品尽可能少，保持最佳的带出比。

2.5 操作界面系统

主要是由电气控制箱和触摸屏两大部分组成。其中全密封箱体内的控制系统是机器的控制核心。控制系统负责整机的启动，包括发出驱动喷阀指令，开启喷阀，喷出压缩空气，吹出剔除物，完成色选功能，达到对待选物料精选的目的。此系统还负责整机的色选精度调节、产量调节、背景调节、定时清灰等。最新推出的色选机还具有远程操作、远程诊断、远程报修、在线培训、远程商机信息推送等功能。

3 目前的应用与发展

色选机生产效率、色选精度、色选带出比是与色选的经济效益密切相关的,如生产率高、色选时间短,色选费用就低;色选精度越高,成品质量越好,销售价格高,但生产成本也高;色选带出比高,出米率低,浪费大,效益就差[6]。因此在实际操作时要平衡以上因素,找到生产成本与效益的最佳结合点。其中影响色选效果因素主要有：分辨率、分辨色差能力、喂料系统、喷嘴工作性能、软件等。

目前大米分选领域的技术革新与进步主要体现在以下几个方面：

3.1 更高的精度

(1)改进背景设计，更好地检测出点状缺陷和异色谷粒，为用户带来更高的附加值。

(2)通过采用独特的背景参考系统和自动校准功能，使所有模块的分选性能进一步提高，使色选效果更稳定，确保品质始终如一，方便人员操作。

(3)充分利用反分选功能，如当输入物料的污染程度超过1个次品对1良品，则可以良品为剔除目标，清除良品而非次品，以进一步提高成品率。

3.2 更高的产量

(1)通过增加模块，增加色选机的分选能力，一次分选、二次分选和三次分选的配置更加多样化。

(2)优化设备配置，提高容量和最终分选能力。

3.3 分选性能更稳定

(1)具有自动校准功能的新背景使模块间的剔除速度更均匀，使设备性能保持稳定可靠。

(2)通过振动器采用新型低压数字驱动技术，从而使模块间的处理量更加稳定，不随时间变化，无需操作人员介入即可优化色选机性能。

(3)密封的光电盒可使各组件和镜头内侧远离灰尘。

3.4 操作更简单

(1)通过光电盒一端的门可接近镜头和刮片。

(2)系统界面和软件允许来自客户料斗中的称重传感器的直接输入，这样可使色选机处理能力与工厂产能匹配并保证色选效果的始终如一。

3.5 更高的可靠性

(1)开发用于大米分选领域的高精度喷嘴。

(2)通过优化控制箱的设计，给每个组件周围留出更多空间，并改善空气循环，特别是电源周围的空气循环，从而提高可靠性。

(3)通过光源和振动器控制系统的低压电源供电，进一步提高稳定性。

3.6 其他方面

(1)通过温和输送物料，使物料减少破碎。

(2)通过新型喂料系统内置“翼板”等装置，降低喂料转折点发生外溢的可能性。

(3)通过碎米监控装置，可根据成品中碎粒的百分比趋势提供反馈。

4 发展展望

4.1 发展方向

设备未来的发展方向预计在以下方面：

(1)设备更智能化，更少的占地，更高的效率，能为客户带来更高的附加值。

(2)色选效果更稳定，确保品质始终如一，方便人员操作。

(3)更低的故障率，更可靠的稳定性。

(4)进一步确保产品的高品质，满足更苛刻的品质要求。

4.2 功能延伸

基于计算机图像处理技术的形状选别功能拓展开发，实现碎米率的在线测定，也许是未来色选机功能进一步延伸发展的趋势。

[1] 郭祯祥，温纪平，朱永义.色选机工艺效果的评定[J].粮食与饲料工业，2003(7)：11-12.

[2] 杨 磊，张作永，杜红光.色选机在小麦清理工艺中的布置[J].粮食加工，2010，35(5)：40-41.

[3] 牛占文，陈东亮，贺丽红.基于TRIZ的色选机关键技术进化分析及创新设计[J].粮油加工，2007(3)：65-67.

[4] 黎小花，徐园园，郑力新，等.光电色选机色差信号处理算法单片机实现[J].粮食与饲料工业，2012(6)：4-6.

[5] 余淑华，刘艳丽，王世璞，等.基于FPGA的脱绒棉种色选机实现[J].农业机械学报，2015,46(8)：20-26.

[6] 孟凡友,徐桂芬,张和国.精米加工中色选机的配置及使用操作[J].现代化农业，2003(6)：44-45.

(责任编辑:俞兰苓)

国家粮食局通告(2017年第3号)

国粮通〔2017〕3号

现发布2项推荐性行业标准，其编号和名称如下：

LS/T 3246—2017《碎米》

LS/T 6116—2017《大米粒型分类判定》

以上行业标准自发布之日起实施。

特此通告。

国家粮食局

2017年6月14日

Development and application of color sorter in rice

ZHANG Chao-fu1,2，LI Cao1,2，YANG Hui-bin1,2，LI Zhi-fang1,2

(1.China Grain Wuhan Science Research and Design Institute Co. ,Ltd. ,Wuhan 430079,China;2. Grain Processing Engineering Technology Center,State Grain Administration,Wuhan 430079,China)

With the development of economy and improvement of consumption, the consumer demand of rice quality become higher and higher. Color sorter is key equipment of control rice quality. Color sorter could remove the impurity, moldy rice and spotted rice， according to the difference of optical properties of the selected rice, which could ensure the quality of rice product. According to the development and improvement of color sorter, we discussed the principle of operation, system composition and application, and gave analysis and prospect of development trend of the color sorter.

rice color sorter；chromatic rice；color sorter；signal processing

2017-03-31；

2017-06-20

受粮食公益性行业科研专项经费资助项目(项目编号：201513003)。

张朝富(1981-)，男，工程师，研究方向为粮食、食品科学与工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.07.001

TS212.3

A

1003-6202(2017)07-0001-03