智能色選機在中藥凈選生產(chǎn)中的應(yīng)用★

王君陽， 王嚇長

（南京中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院， 江蘇 南京 210023）

引言

中藥是中醫(yī)治病的重要手段，隨著大數(shù)據(jù)、傳感器、人工智能等技術(shù)的成熟，智能制造與中藥的結(jié)合形成了新興的中藥智能產(chǎn)業(yè)，成為中藥新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[1]。但是目前中藥加工設(shè)備整體水平偏低，大多保持著手工或半手工方式，現(xiàn)代化自動化的設(shè)備明顯不足，因此研發(fā)新型中藥加工設(shè)備，可提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量，規(guī)范中藥飲片生產(chǎn)流程[2]。近年來隨著色選技術(shù)的發(fā)展[3-5]，智能色選機在各方面性能和質(zhì)量穩(wěn)定性的不斷提高，越來越多的適用于不同中藥品種的色選機投入一線使用。

色選機是依據(jù)各種不同物料光學(xué)特性之間的差異，運用光電探測技術(shù)，將不同物料中特定的異色顆粒分揀出來的自動化設(shè)備[6]，是一種集光、電、機、氣等多種技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，相比于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械，色選機屬于高精尖設(shè)備，最早用于大米的生產(chǎn)加工[7-8]，可剔除大米中的雜質(zhì)和異色米粒。目前色選技術(shù)廣泛應(yīng)用于大米及其他食品的雜質(zhì)去除；保證各種糧食和食品的衛(wèi)生安全[9-11]。鑒于智能色選機表現(xiàn)出的各種優(yōu)異性能，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛[8，12-14]，在中藥凈制加工的應(yīng)用也開始普及。相比而言，人工挑選的效果要優(yōu)于機械色選，但其缺點是效率較低和勞動強度高，并且，人工挑選也面臨招工困難和易導(dǎo)致污染等難題[15-16]。因此，急需一種凈制分選設(shè)備來提高產(chǎn)能和加工效率。中藥色選機的研發(fā)與使用，不僅滿足現(xiàn)代化加工潮流的需要，而且隨著其性能和穩(wěn)定性的不斷提高，將成為中藥凈制分選的理想設(shè)備。

1 國內(nèi)外色選機行業(yè)發(fā)展概況

20 世紀(jì)三四十年代，歐美國家開始投入研發(fā)光電色選設(shè)備，ESM公司和Sortex 公司最先研制出大米色選機。隨著市場需求的不斷變化，科技水平持續(xù)提高，新型色選機相繼面世。九十年代初期，色選機行業(yè)到達了一個發(fā)展高峰，呈現(xiàn)出群雄并起的局面。美國色選行業(yè)巨頭ESM公司與日本佐竹公司合并，研發(fā)生產(chǎn)色選設(shè)備[12，17]。安西公司是日本最早研發(fā)、生產(chǎn)和銷售色選機的企業(yè)，主要致力于光電色選技術(shù)的研發(fā)，從最初的電子色選機到內(nèi)置式微型計算機，到搭載CCD 攝像機的履帶式色選機，再到高速photo sensor 傳感器的RDM色選機等，安西公司一直沒有停下發(fā)展的腳步[8，12]。瑞士Buhler 公司將大米色選機的研發(fā)制造作為工作重點，其中Z 系列色選機，在當(dāng)時市場上占有領(lǐng)先地位[8，12，18]。韓國大原株式會社聯(lián)合三星集團和韓國首爾大學(xué)共同研制色選機，推出了多個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的尖端產(chǎn)品，暢銷全球140 多個國家[12，19]。

國內(nèi)的光電色選技術(shù)研究起步較晚，從20 世紀(jì)90 年代開始引入國外色選設(shè)備，隨后慢慢走上發(fā)展道路并逐步走上正軌[6]。國外進口色選機雖可節(jié)省人力和物力開銷，但儀器價格和維護成本較高，導(dǎo)致色選機在我國沒有得到廣泛的推廣。因此，對于光電色選技術(shù)研究的呼聲愈來愈高，國內(nèi)企業(yè)逐步開展光電色選技術(shù)研發(fā)，為我國的色選機行業(yè)奉獻出自己的智慧。

2 中藥色選機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

2.1 中藥色選的工作原理

中藥材或飲片首先通過進料斗的緩沖，在進入貯料斗后，通過振動喂料器，進入傳送槽，在傳動槽末端穿過分選區(qū)域時，通過影像成像系統(tǒng)，可得到以一定速度運動的物料圖像，并通過高速圖像采集卡，將所得到的圖像數(shù)字化后，傳遞給計算機，再通過計算機的整形放大等一系列處理后，與儀器預(yù)定值進行比較，當(dāng)信號大于預(yù)定值時開啟氣動裝置，噴氣系統(tǒng)壓縮空氣吹出異色粒子，從而達到藥材篩選分級的目的（見圖1）[8，15]。

2.2 中藥色選機的結(jié)構(gòu)組成[15]

2.2.1 供料系統(tǒng)

該系統(tǒng)是中藥色選機的第一部分，能部分調(diào)節(jié)和整理被分選樣品，保證物料在機器中的流速與姿態(tài)的相對穩(wěn)定，并在光學(xué)系統(tǒng)觀察區(qū)中可被觀察和檢測。供料系統(tǒng)主要由進料斗、貯料斗、振動喂料器和傳動槽四部分組成。

2.2.1.1 進料斗

進料斗一般由兩個空腔組成，一次腔與原料進口相連，為一次色選通道供料；二次腔與提升機一側(cè)通道相連，將一次色選的吹出物送到二次腔，進行二次色選。提升機的另一側(cè)通道將二次色選時未吹出物送回到一次腔中，再次分選（見圖2）。

2.1.1.2 振動喂料器[20]

振動喂料器是供料系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由電磁激振器與隔震裝置組成。前者主要控制喂料器的振動幅度與頻率，使得中藥材和飲片能夠有序、均勻地落入傳動槽中；后者主要防止色選機發(fā)生劇烈晃動。值得注意的是，為了提高工作效率，方便調(diào)節(jié)給料量，需測得電磁激振器與隔震裝置、工作頻率與主振系統(tǒng)的固有頻率之間的最佳比值，不同中藥分選有著不同的比值。

2.1.1.3 傳動槽

傳動槽可分成斜槽、水平槽、V 型槽、U 型槽等，由于具有一定的長度距離，可保證中藥材或飲片在其中下滑或移動過程中，能夠自動調(diào)整，并形成有序流動，以保持物料的流速，保證姿態(tài)相對穩(wěn)定，以取得更佳的分選效果。

2.2.2 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是核心部分，通過觀察檢測中藥材或飲片，以獲得較理想的分選信息。光學(xué)系統(tǒng)主要由背景板、光源和光電接受面陣CCD（Charge Coupled Device）組成。根據(jù)不同類型的中藥材或飲片，其光路結(jié)構(gòu)以及接收器也有所不同，從而造成色選機的特點及分選性能也不盡相同。

2.2.2.1 光源

中藥色選機由于樣品的特殊性，在觀察區(qū)內(nèi)對受測樣品的光源要求至關(guān)重要，合適的光源照射可以獲取清晰的樣品圖像，從而幫助傳感器進行有針對性的分辨。目前國內(nèi)市場上的色選機光源多使用熒光燈管。也有少數(shù)廠家推出LED（韓國大原）和激光技術(shù)（美國凱技）作為光源的產(chǎn)品，其穩(wěn)定性和色選效果大大提升[21]。

2.2.2.2 光電接收器

又稱光傳感器，其位置在于光學(xué)系統(tǒng)接收面上，作用是采集光信號的相關(guān)參數(shù)，如波長、頻率、相位與偏振方向等，再通過計算機轉(zhuǎn)換處理，得到對應(yīng)的電信號。目前使用最多的是CCD 接收器，集光電轉(zhuǎn)換、電待存儲和轉(zhuǎn)移等功能于一體。CCD 相機采集的信號經(jīng)PCI 采集卡傳送到計算機，經(jīng)計算機處理得到的視頻信號，再進一步處理成為電視信號和檢測信號[22]。

2.2.3 電控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于控制機器各組成部分，并可將光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測信號整形放大，再送至判斷電路，把信號交由計算機處理生成功率脈沖信號，去啟動電磁氣動裝置，從而達到分選效果。

3 色選機在中藥凈選生產(chǎn)的應(yīng)用

目前各種智能色選機已廣泛運用于中藥材及其飲片的色選除雜，特別是果實種子類：枸杞、花椒、酸棗仁、補骨脂、半夏、車前子、菟絲子、蓮子、馬楝子、女貞子、山茱萸、蛇床子和五味子等；其中枸杞色選機開發(fā)較早，其組成包括進料口、震動喂料器、斜槽總成和光電總成，以及提升機和電控箱等，枸杞在經(jīng)過晾曬后出現(xiàn)粘結(jié)嚴(yán)重，因此色選過程中必須保證枸杞的干燥，并且可采用二次分離以提高色選效果[15]。花椒色選機能夠?qū)⒒ń吩现械漠惿?，刺，梗，蝸牛，籽等異色顆粒雜質(zhì)色選出去，提高花椒品質(zhì)與價格?；愃幉氖褂蒙x機進行凈選的品種包括菊花、金銀花和丁香等。根及根莖類中藥[23]主要使用色選機進行炮制后飲片的凈選分級，品種主要包括：白芍、丹參、白術(shù)、木香、白芷、黨參、遠志、甘草、板藍根、葛根、郁金、北沙參、黃芪、防風(fēng)、川穹、牛膝、茯苓和山藥等（https://www.chinameyer.com/Product/proClassed/pid/47/typeId/23）。此外，百合干色選機可將顏色差和質(zhì)量低下的百合干快速通過機器篩選，短短幾小時內(nèi)的運轉(zhuǎn)，就可抵上1000 名工人一天的工作量，顯著地提高了百合干的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語與展望

隨著國家近年來對中醫(yī)藥事業(yè)的大力支持，中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。中藥作為中醫(yī)治病防病的根本，其品質(zhì)和安全尤為重要。然而，中藥的外觀、大小、色澤的不同，以及中藥的霉變、生蟲、泛油、雜質(zhì)等問題，嚴(yán)重影響藥品的品質(zhì)和安全。因此，智能色選機運用于中藥自動凈制生產(chǎn)的重要性也日漸顯著。為加快智能色選機的推廣及應(yīng)用，首先必須重視對光電色選技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究，重點從芯片控制的相關(guān)技術(shù)，以及圖像處理算法的改進研究兩方面入手，在打破國外相關(guān)技術(shù)的壟斷后，努力研發(fā)智能化、高效率和低成本的光電色選設(shè)備，提高中藥生產(chǎn)企業(yè)自動化水平，保證中藥安全與品質(zhì)優(yōu)良。