中國面粉加工業(yè)智能化發(fā)展研究

張恒達(dá) 范中亞 李生龍

（布勒（無錫）商業(yè)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(guān)鍵時(shí)期，習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)糧食安全工作，他說：“這次疫情如此嚴(yán)重，但我國社會(huì)始終保持穩(wěn)定，糧食和重要農(nóng)副產(chǎn)品穩(wěn)定供給功不可沒。”[1]糧食安全是關(guān)系國運(yùn)民生的壓艙石，是維護(hù)國家安全的重要基礎(chǔ)。糧食安全不僅要在供給端關(guān)注糧食總產(chǎn)量，飯碗里必須主要裝我們自己生產(chǎn)的糧食[1]；而且還要從消費(fèi)端抓起，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“要加強(qiáng)立法，強(qiáng)化監(jiān)管，采取有效措施，建立長效機(jī)制，堅(jiān)決制止餐飲浪費(fèi)行為”[2]。除此之外，糧食安全與加工環(huán)節(jié)密不可分，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，由于產(chǎn)后加工不合理、加工過度而造成的損失高達(dá)75億kg[3]。糧食加工行業(yè)應(yīng)該在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)補(bǔ)齊短板、提高工藝水平、改進(jìn)生產(chǎn)效率、優(yōu)化糧食利用率，努力實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精細(xì)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(fèi)者對(duì)主食的需求已經(jīng)從過去的溫飽型向營養(yǎng)型轉(zhuǎn)變。隨著“中國制造2025”的穩(wěn)步推進(jìn)，我國制造業(yè)與信息技術(shù)的融合得到不斷推進(jìn)，提高了制造業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平。我國糧食加工行業(yè)經(jīng)過幾十年的不懈努力，我國糧食加工雖在產(chǎn)能方面已經(jīng)躍居世界前列，但是在信息化、智能化和自動(dòng)化方面與世界先進(jìn)水平仍有差距?！凹Z食行業(yè)信息化‘十三五’發(fā)展規(guī)劃”中明確提出，推進(jìn)數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)工具的普及應(yīng)用，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)制造、故障診斷等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新應(yīng)用，形成加工裝備自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)化倉儲(chǔ)與分揀系統(tǒng)等一批典型標(biāo)志性成套裝備，實(shí)現(xiàn)加工裝備的數(shù)字化換代和智能化升級(jí)[4]。面粉加工業(yè)在我國糧食加工業(yè)中占有重要地位，推進(jìn)面粉生產(chǎn)的智能化對(duì)確保我國糧食安全，促進(jìn)糧食加工業(yè)的快速發(fā)展作用巨大。

1 面粉加工實(shí)施智能化生產(chǎn)的前提條件

智能面粉生產(chǎn)在歐美國家已有近30 年的發(fā)展歷史，其主要特點(diǎn)是能在生產(chǎn)過程中基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、傳遞和分析自動(dòng)化，加工設(shè)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(chǎn)的智能化，目前僅處于起步階段，因此只有極少數(shù)的面粉企業(yè)（如中糧集團(tuán)、恒豐集團(tuán)等）開始試用。

根據(jù)國內(nèi)外面粉生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施智能化面粉生產(chǎn)必須具備4 個(gè)前提條件。

1.1 在線檢測設(shè)備

實(shí)現(xiàn)面粉生產(chǎn)的智能化，離不開在線檢測設(shè)備。自20 世紀(jì)八九十年代以來，近紅外技術(shù)和數(shù)碼技術(shù)日臻成熟，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)谷物加工中關(guān)鍵指標(biāo)（如水分、蛋白質(zhì)、灰分、粒度、白度）進(jìn)行實(shí)時(shí)快速的監(jiān)測。

1.2 自動(dòng)化的設(shè)備和傳感器

智能化面粉生產(chǎn)離不開自動(dòng)化設(shè)備和傳感器。目前，市場上面粉加工的主機(jī)設(shè)備，如磨粉機(jī)，大多僅具備手動(dòng)調(diào)節(jié)軋距功能，但瑞士布勒公司已生產(chǎn)出具有自動(dòng)調(diào)節(jié)磨輥軋距功能的磨粉機(jī)、可以遠(yuǎn)程控制的配麥器以及高方篩運(yùn)轉(zhuǎn)控制器、粉管自動(dòng)分配系統(tǒng)等自動(dòng)化裝置。

在智能面粉生產(chǎn)中需要多種數(shù)據(jù)。一類是提前設(shè)定的靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括客戶信息、供應(yīng)商信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備校準(zhǔn)參數(shù)等；另一類是實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、實(shí)時(shí)加工參數(shù)、品檢數(shù)據(jù)等。其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集是搭建智能平臺(tái)的關(guān)鍵點(diǎn)，而傳感器則是搭建智能化面粉生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的基石。傳感器的多點(diǎn)分布可以實(shí)現(xiàn)從原糧入倉、加工、配粉、打包、倉儲(chǔ)的全流程信息檢測、記錄和處理，從而為智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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(chǎn)中主要采用有線連接，控制系統(tǒng)多采用RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，但這種信號(hào)易造成干擾，問題較多。少數(shù)自動(dòng)化方案提供商可提供profinet 標(biāo)準(zhǔn)的傳輸，這種信號(hào)更加穩(wěn)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(chǎn)線的移動(dòng)終端設(shè)備，因此在智能制造領(lǐng)域更加偏向于無線連接方式[5]。

1.3 高性能的控制系統(tǒng)

目前，我國大部分面粉企業(yè)已經(jīng)配備PLC 生產(chǎn)控制系統(tǒng)、ERP 商業(yè)決策系統(tǒng)、MES 生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)和PCS 過程控制系統(tǒng)等，但仍未達(dá)到智能化生產(chǎn)運(yùn)營的要求。生產(chǎn)中的自動(dòng)化控制僅停留在自動(dòng)啟停設(shè)備、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)的階段，沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法在系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，形成信息孤島。智能化生產(chǎn)運(yùn)營需要將上述各系統(tǒng)有機(jī)連接在一起，形成一個(gè)包括生產(chǎn)、計(jì)劃、銷售等全流程的閉環(huán)。

1.4 專業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)

實(shí)施智能化面粉生產(chǎn)離不開專業(yè)化的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。從本質(zhì)上來說，智能化就是用設(shè)備和控制系統(tǒng)模擬人的經(jīng)驗(yàn)，提高系統(tǒng)的控制水平和效率，進(jìn)而降低對(duì)人的依賴。目前，大多數(shù)面粉企業(yè)在生產(chǎn)中的參數(shù)設(shè)定和調(diào)整仍需靠粉師進(jìn)行人工設(shè)定和調(diào)整，其效果會(huì)受不同粉師的經(jīng)驗(yàn)差異影響。隨著人口老齡化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，粉師從業(yè)人員的數(shù)量和質(zhì)量都將無法滿足市場需求。因此將粉師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)整合到面粉生產(chǎn)的MES 系統(tǒng)中，必須依靠一支設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富、對(duì)面粉生產(chǎn)運(yùn)營和自動(dòng)化設(shè)計(jì)都精通的團(tuán)隊(duì)。只有在充分了解面粉生產(chǎn)運(yùn)營和工藝設(shè)置的基礎(chǔ)上，將人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編碼、翻譯成機(jī)器語言，輔以控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)面粉生產(chǎn)過程的“數(shù)控制粉”[6]。

目前，國內(nèi)4 條智能面粉生產(chǎn)線都是由布勒公司牽頭設(shè)計(jì)新建的。布勒公司具有設(shè)備生產(chǎn)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、自動(dòng)化實(shí)施的完整架構(gòu)和全方位人才，在面粉生產(chǎn)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，致力于利用技術(shù)和創(chuàng)新讓全世界的面粉品質(zhì)更具價(jià)值；除此之外，其在食品制造（如巧克力生產(chǎn)）的智能生產(chǎn)方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，布勒公司還能根據(jù)市場反饋，研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出與之相匹配的設(shè)備。相較于國內(nèi)其他面粉生產(chǎn)設(shè)計(jì)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(jīng)驗(yàn)，但與布勒公司相比，在智能化技術(shù)應(yīng)用方面卻稍有欠缺。面粉生產(chǎn)設(shè)計(jì)單位可在智能化方面積極消化吸收國外先進(jìn)理念與技術(shù)，并結(jié)合中國國情大膽創(chuàng)新，以提升我國面粉加工行業(yè)的整體水平。

2 智能化面粉生產(chǎn)的創(chuàng)新

智能面粉生產(chǎn)除了能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)面粉生產(chǎn)的全部功能之外，還能在精益化生產(chǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破。

2.1 蛋白質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

智能面粉生產(chǎn)利用安裝在一清階段的在線蛋白質(zhì)檢測儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測小麥蛋白質(zhì)含量并傳遞給控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過計(jì)算后，自動(dòng)優(yōu)化高低蛋白質(zhì)含量小麥的搭配比例，見圖1。這樣可以優(yōu)化原糧配比、節(jié)約采購成本、提高面粉生產(chǎn)盈利能力，以精益化生產(chǎn)提高小麥的利用率，同時(shí)保證面粉的品質(zhì)。

圖1 蛋白質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 實(shí)時(shí)剝刮率和取粉率控制系統(tǒng)

智能面粉生產(chǎn)可以通過粒度檢測儀和自動(dòng)調(diào)節(jié)軋距磨粉機(jī)的配合，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)面粉粒度大小自動(dòng)調(diào)節(jié)軋距、控制剝刮率和取粉率。具體來說，當(dāng)粒度檢測儀檢測到面粉粒度過小時(shí)，發(fā)出信號(hào)給中央控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按要求自動(dòng)增大磨粉機(jī)的磨輥軋距，見圖2。

2.3 實(shí)時(shí)灰分自動(dòng)檢測系統(tǒng)

圖2 研磨效果監(jiān)測系統(tǒng)

智能面粉生產(chǎn)在粉收集系統(tǒng)后部安裝了近紅外分析儀自動(dòng)檢測面粉灰分。將測出的數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整撥斗控制粉管走向，見圖3、圖4，從而實(shí)現(xiàn)面粉灰分的穩(wěn)定。智能面粉生產(chǎn)可將灰分波動(dòng)范圍設(shè)定更小，當(dāng)面粉品質(zhì)較好、灰分較低時(shí)，會(huì)有更多符合要求的面粉進(jìn)入優(yōu)質(zhì)粉。相同條件下，智能面粉生產(chǎn)可提高優(yōu)質(zhì)粉出率5%～10%。

圖3 自動(dòng)粉管撥斗調(diào)節(jié)裝置

圖4 灰分波浪示意圖

2.4 自動(dòng)配粉系統(tǒng)

隨著人們對(duì)面粉的需求從通用粉轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ梅?，配粉已成為面粉生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)必不可少的技術(shù)。生產(chǎn)時(shí)通過自動(dòng)配粉系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)專用粉的精確配比。在自動(dòng)配粉系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)面粉出倉、稱量、混合等流程。而智能化系統(tǒng)可以快速根據(jù)不同批次面粉同品質(zhì)的目標(biāo)要求進(jìn)行精確配比，進(jìn)而穩(wěn)定不同批次間的產(chǎn)品質(zhì)量[7]。但是，由于專用粉的品質(zhì)受到諸多因素（加工精度、粉質(zhì)特性、操作性等復(fù)雜指標(biāo)）影響，而現(xiàn)有在線檢測設(shè)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(shí)施智能面粉生產(chǎn)的意義

智能化面粉生產(chǎn)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(yè)應(yīng)對(duì)人才不足的挑戰(zhàn)；除此之外，智能面粉生產(chǎn)還具有其他方面的重要意義。

3.1 更易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的可追溯性

隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全的重視，食品的可追溯性已成為行業(yè)亟須突破的重點(diǎn)之一。食品追溯管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“從農(nóng)田到餐桌”全程記錄和追蹤的基礎(chǔ)平臺(tái)，借助RFID（無線射頻）技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和識(shí)別裝置，配合控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從種植、采購、加工到包裝和運(yùn)輸全價(jià)值鏈的記錄和追溯，從而將面粉加工過程中分散的數(shù)據(jù)形成數(shù)完整的數(shù)據(jù)鏈，建立起面粉的可追溯體系[8]。

3.2 可提高面粉企業(yè)的盈利能力

我國面粉加工企業(yè)普遍存在利潤低的問題，在面粉同質(zhì)化競爭日趨激烈的情況下，通過精益化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)降本增效是解決問題的好辦法。智能面粉生產(chǎn)通過提高優(yōu)質(zhì)麥的利用率來實(shí)現(xiàn)降本增效，利用智能化生產(chǎn)可全面提升面粉生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率；同時(shí)，智能面粉生產(chǎn)可以隨時(shí)了解整條生產(chǎn)線的運(yùn)營狀態(tài)、出粉率、電耗等指標(biāo)，有利于面粉企業(yè)管理者及時(shí)了解生產(chǎn)運(yùn)營水平，為后續(xù)在采購、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)降本增效提供真實(shí)的信息。目前，電費(fèi)已占到生產(chǎn)成本的25%以上[9]，智能面粉生產(chǎn)可通過MES 控制系統(tǒng)及時(shí)感知設(shè)備的負(fù)荷，通過自動(dòng)檢測將設(shè)備調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，減少空閑系統(tǒng)的耗電，從而降低面粉生產(chǎn)的電耗。

3.3 可穩(wěn)定面粉的品質(zhì)

保證面粉品質(zhì)穩(wěn)定是面粉生產(chǎn)追求的目標(biāo)之一，只有穩(wěn)定的面粉品質(zhì)，才能保證擁有穩(wěn)定的客戶。通過人工檢測和手動(dòng)配麥生產(chǎn)的面粉會(huì)因檢測和調(diào)節(jié)滯后造成質(zhì)量的波動(dòng)。依靠智能檢測和控制系統(tǒng)，生產(chǎn)能夠根據(jù)小麥的品質(zhì)快速優(yōu)化搭配比例、縮短調(diào)整周期，降低質(zhì)量波動(dòng)幅度，從而達(dá)到穩(wěn)定面粉品質(zhì)的目的。

4 結(jié)語

在糧食行業(yè)深化供給側(cè)改革、推進(jìn)“兩化”融合的大背景下，如何利用智能化技術(shù)提升我國面粉業(yè)的整體管理水平和工藝水平，是未來一段時(shí)期內(nèi)擺在我國糧食行業(yè)面前的重要課題。智能化在微觀上可改善面粉企業(yè)運(yùn)營水平、降本增效、提高企業(yè)競爭力；在宏觀上通過提高糧食利用率、補(bǔ)齊糧食加工環(huán)節(jié)的短板，從而保障我國糧食安全。我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，智能化是多技術(shù)綜合應(yīng)用的產(chǎn)物，目前智能化面粉生產(chǎn)還存在投資高、市場接受度低等問題。隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備的費(fèi)用會(huì)下降。