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，當前，我國糧食每年進口量過億噸，糧食質(zhì)量問題復雜，嚴守糧食質(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，耗時費力，無法滿足巨大進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行，取樣系統(tǒng)一般安裝在傳送帶上按要求設(shè)置實施抽樣，但只能獲取原始樣品。當取樣設(shè)備獲取原始樣品后，制樣過程需依賴工人全程值守，按時打包，后續(xù)還要進行搬運、分樣、勻料、余料分裝回收等步驟，整個過程不僅耗費大量的人力資源，而且由于取樣過程缺少相互獨立的接料裝置，樣品間交叉污染嚴重，影響后續(xù)檢驗檢疫結(jié)果的準確性，同時這也成為了傳統(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，分樣罐主要實現(xiàn)分流作用，小部分初級子樣作為標準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)一搬運至專門的制樣房。在制樣房內(nèi)工人按標準步驟完成分樣、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，計劃每次取樣1 kg，1 h共取樣8次，理論上一共可以獲得標準樣品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560 kg，人力搬運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，在實際使用過程中，標準樣品重量的控制效果十分不理想，難以穩(wěn)定實現(xiàn)每次取樣1 kg。此外，由于暫存容器內(nèi)的樣品混合存放，樣品間交叉污染嚴重。

2 總體方案設(shè)計

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準確地反映接卸過程中各個階段的糧食質(zhì)量?？傮w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步驟分別完成后，剩余物料回流至生產(chǎn)線的過程。方案計劃保留原有取樣設(shè)備的取樣機構(gòu)（定量料斗），并將分樣罐拆除，取樣機構(gòu)所獲取的初級子樣將直接進入全自動制樣系統(tǒng)。應用定量縮分技術(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利用三級子樣進行制樣，得到分段標準樣品，完成分段制樣過程。④對所有集中存儲的二級子樣進行攪拌混合后，經(jīng)過三次縮分后制樣，得到總體標準樣品，完成總體制樣過程。⑤三次縮分后剩余的二級子樣進行余料回流。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

整個系統(tǒng)主要由2套氣力輸送系統(tǒng)、3套定量縮分器、1個勻料儲料器、1套80工位制樣轉(zhuǎn)盤以及多個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)盤的對應工位，得到一份分段標準樣品，同時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個采樣單元作為樣品來源，所得樣品是這8個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個采樣單元的物料質(zhì)量。以7.5 min的料流為1個采樣單元，連續(xù)的8個采樣單元歷時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個采樣單元，假設(shè)作業(yè)過程持續(xù)時長為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)盤的對應工位，得到總體標準樣品，同時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料口、縮分管、錐形斗、出料口組成?？s分管按1/8的縮分比例設(shè)計，當物料從進料口進入后，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。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、攪拌軸、氣動蝶閥組成。攪拌電機安裝于罐體上方，設(shè)計功率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)計有助于對上下分層的糧食進行充分混合，保證了最終所制得的總體標準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。各個接料工位由底部的鏈條牽引，受變頻電機驅(qū)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤整體向前依次切換工位。標準樣品優(yōu)先裝滿上層的40個工位，然后控制三通閥門QV動作，樣品順著下轉(zhuǎn)盤進料口流向下層的40個工位。封裝打包時，卸料氣缸動作，將對應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)主要的電氣動作機構(gòu)如表1所示。

表1 電氣動作機構(gòu)表

為滿足調(diào)速的需求，勻料儲料器的攪拌電機與80工位制樣轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)盤電機均采用變頻器驅(qū)動，通過現(xiàn)場總線與PLC實現(xiàn)通訊?？紤]各種附屬設(shè)備的控制以及到位信號反饋，經(jīng)計算確認該控制系統(tǒng)至少應含有26個數(shù)字量輸入點，16個數(shù)字量輸出點。計劃預留12個數(shù)字量輸入點，10個數(shù)字量輸出點。因此，控制系統(tǒng)總共規(guī)劃了38個數(shù)字量輸入點，26個數(shù)字量輸出點。

分段制樣的主要控制思路。①觸摸屏設(shè)置取樣周期時間t1與制樣周期時間t2，以原有取樣設(shè)備的取樣周期時間為參考，t1=7.5 min，根據(jù)本系統(tǒng)的定量縮分器的配合原理，默認情況下t2=8×t1=60 min。②控制氣力輸送系統(tǒng)Q1的負壓電機以7.5 min的周期進行循環(huán)工作，每次持續(xù)工作1 min；然后關(guān)閉負壓電機，同時控制打開關(guān)風器，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10 s后控制轉(zhuǎn)盤電機動作，轉(zhuǎn)盤整體移動一位，同時計數(shù)器加一。⑥以上步驟不斷循環(huán)，當計數(shù)器計數(shù)達到40時，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 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)行業(yè)標準LS/T 3545—2017[5]要求，對定量縮分器的穩(wěn)定性與分樣誤差進行試驗計算。試驗方式：連續(xù)取10份定量縮分后的物料進行計量稱重，按要求計算穩(wěn)定性與分樣誤差。連續(xù)進行4次試驗，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指標均達到了行業(yè)要求。

表2 定量縮分器試驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)國標GB/T 5494—2019[6]要求，對經(jīng)勻料儲料器攪拌后的糧食進行破碎率試驗計算。試驗方式：將500 kg的玉米隨機倒進勻料儲料器，攪拌5 min，再將全部糧食進行篩選（篩子的格子為5 mm×5 mm），計算破碎率。連續(xù)進行3次試驗，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)標準 GB 1353—2018[8]、GB 1351—2008[8]的要求，且可以通過適當降低攪拌轉(zhuǎn)速的方式來進一步降低破碎率。

表3 勻料儲料器試驗數(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)，應用在糧食專業(yè)碼頭的糧船接卸作業(yè)過程中，可實現(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份分段標準樣品和20份總體標準樣品，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)檢驗檢疫工作的準確性。