平房倉智能扦樣系統(tǒng)的設(shè)計

邱杏軍,向佳炬,孫壽良,張朝富

(國糧武漢科學研究設(shè)計院有限公司,湖北 武漢 430079)

糧食生產(chǎn)具有季節(jié)性和間斷性的特征,糧食從生產(chǎn)到消費須經(jīng)過儲藏環(huán)節(jié)。隨著糧食安全政策的推行和“四散化”(散儲、散運、散裝、散卸)形式的推廣,高大平房倉、立筒倉、淺圓倉成為儲備糧的主要倉型[1-2]。平房倉因其儲量大、建設(shè)成本低的優(yōu)勢,在糧倉里的占比逐漸增加。由于平房倉通風不良,作業(yè)環(huán)境惡劣,在對糧倉進行扦樣時容易發(fā)生缺氧窒息、中毒、燃爆等安全事故[3]。在某些緊急情況下需要在熏蒸、氣調(diào)期間進行扦樣,如果人工操作,安全隱患非常大。因此倉內(nèi)無人智能扦樣系統(tǒng)的開發(fā)具有實際意義。目前使用較多的扦樣機為自動多桿扦樣機,能依據(jù)車型自動扦樣,但其多用在進倉車載糧食的扦樣。安徽庫圖電子科技有限責任公司的王軍、白棟發(fā)明了一種軌道式的扦樣機,通過軌道來實現(xiàn)扦樣機構(gòu)的倉內(nèi)移動[4]。安徽農(nóng)業(yè)大學的茆瑋等設(shè)計了一種履帶式自動換接桿的扦樣系統(tǒng)[5],武漢輕工大學尹強等發(fā)明了幾種扦樣裝置,提出了多種扦樣方法[6-7]。糧庫智能化管理程度不斷提高,而扦樣作業(yè)的自動化和智能化卻受到了限制,主要有以下幾個方面的原因:

(1)平房倉為有限空間,糧食堆高為6～8 m,糧面以上空間有限,通過布置桁架、軌道等結(jié)構(gòu)來架設(shè)扦樣裝置,需要改造平房倉的建筑結(jié)構(gòu),給實施帶來了困難。

(2)常規(guī)扦樣需要將樣品取回拿到檢驗室檢測后才能發(fā)現(xiàn)質(zhì)變,后續(xù)再采取相應(yīng)的措施,處理周期長,不能實時監(jiān)控糧食質(zhì)量。且有時候需要啟動第二次扦樣確定質(zhì)變范圍,效率低。

(3)平房倉儲量大,需多次取樣,常規(guī)扦樣需要人工將扦樣空間位置值和樣本一一對應(yīng),效率低,且容易出錯。

為了解決上述問題,設(shè)計了一種智能扦樣系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)扦樣點的自動定位、定量取樣、圖像識別初判樣品和樣品的智能收集。該扦樣系統(tǒng)可根據(jù)倉房建筑結(jié)構(gòu)選擇安裝點和安裝數(shù)量,安裝在堆糧線以上的墻壁上,不需要改動倉房的原始結(jié)構(gòu)。

1 扦樣系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)及工作原理

扦樣系統(tǒng)具有定期全倉扦樣和異常點定點扦樣兩種模式。定期全倉扦樣檢測是排查糧情的一種常規(guī)作業(yè),如果發(fā)現(xiàn)變質(zhì)點,則以變質(zhì)點為中心進一步扦樣,確定變質(zhì)區(qū)域。第二種模式是根據(jù)糧情檢測系統(tǒng)的溫度異常提示,對糧倉內(nèi)溫度異常點位扦樣,如果發(fā)現(xiàn)變質(zhì)點,以變質(zhì)點為中心繼續(xù)扦樣,鎖定變質(zhì)區(qū)域。

智能扦樣系統(tǒng)包括5個部分:移動裝置、扦樣裝置、圖像識別裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、樣品收集裝置,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動裝置采用激光定位裝置和平面四索并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)扦樣點水平位置的定位,多級絲桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)扦樣頭縱向位置的定位。扦樣裝置通過負壓和定量U型管進行定量取樣。樣品先通過在線圖像識別預(yù)檢測,再經(jīng)過后臺詳細檢驗。如果在線圖像識別發(fā)現(xiàn)霉變、蟲害、發(fā)黑等可視覺表現(xiàn)的變質(zhì)情況,則以異常點為中心,開展進一步扦樣,將變質(zhì)范圍識別出來,以便快速采取相應(yīng)的防控措施。預(yù)檢后的樣品通過翻轉(zhuǎn)裝置落到樣品采集裝置上的采集盒中。樣品盒上的二維碼信息和樣品空間位置值進行對應(yīng),樣品送后臺檢測時掃碼即可將檢測結(jié)果與樣品在糧倉的空間位置對應(yīng)起來,精準檢測倉內(nèi)糧情。

圖1 扦樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 扦樣方案設(shè)計

2.1 扦樣點的布局

如果是根據(jù)糧情檢測系統(tǒng)溫度異常提示扦樣,即對已知點位進行扦樣,通過移動裝置將扦樣執(zhí)行機構(gòu)移動到該點進行扦樣即可。如果是對平房倉進行定期常規(guī)扦樣,就需要對糧倉內(nèi)的扦樣點布局。以中儲糧岳陽庫平房倉為例,廒間平面尺寸為42 m×24 m,糧堆高度為7 m。常規(guī)全倉扦樣檢測中,扦樣點的布局按照國家標準進行分區(qū)分層設(shè)計,扦樣點的布局圖如圖2所示。

圖2 平房倉扦樣點分區(qū)分層布局圖

2.2 扦樣機移動幾何位置的關(guān)系

扦樣移動裝置由四個卷揚機及其控制系統(tǒng)根據(jù)激光測距的位置反饋來進行定位,其在平房倉中的安裝示意圖如圖3所示。以四個卷揚機出線端口為四個頂點,構(gòu)成了扦樣裝置的水平投影面。假設(shè)扦樣頭第i次扦樣點在投影面上的投影坐標為E(xi,yi),第i+1次扦樣點的投影坐標為E′(xi+1,yi+1),四繩索的長度及其與倉庫邊所成的角度如圖4所示。扦樣機從某一扦樣點移動到下一個扦樣點,繩索的長度及其角度均要改變,繩索長度由卷揚機的收放來實現(xiàn),角度的變化由撥角器完成。移動過程中的動態(tài)位置由激光測距儀反饋,通過對反饋坐標不斷進行計算、調(diào)整運動到達指定點。

圖3 平房倉扦樣系統(tǒng)布局圖

圖4 扦樣點空間位置關(guān)系圖

第i次扦樣坐標點為E(xi,yi),第i+1次扦樣坐標E′(xi+1,yi+1),兩次樣點繩索的長度和角度分別為公式(1)～公式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)相鄰兩次扦樣點的繩索長度和角度變化,得到四個卷揚機的收放長度和角度變化為公式(5)～公式(6)。

(5)

(6)

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖5為扦樣系統(tǒng)的硬件關(guān)系圖,圖6為扦樣系統(tǒng)的控制流程圖。

圖5 智能扦樣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6 智能扦樣系統(tǒng)控制流程圖

首先移動裝置收到扦樣指令和激光測距儀的位置返回值,控制四個卷揚機收放,使扦樣裝置移動到指定扦樣點的平面坐標,再啟動扦樣絲桿電機工作,使扦樣頭到達指定的扦樣深度。接著啟動吸吹一體式風機的吸取模式,將指定點的糧食樣品吸入扦樣管,吸入動作完成后,開啟U型管底部的落料閥門,糧食落到落料板上,落料完成關(guān)閉落料閥。工業(yè)相機啟動采集落料板上樣品圖像,并進行圖像處理。待圖像采集完成,落料板翻轉(zhuǎn)電機啟動,落料板傾斜將樣品倒入收集裝置的收集盒中。收集盒掃碼相機獲取工作工位上的收集盒二維碼信息,將其與該樣品的位置坐標及圖像處理結(jié)果一一對應(yīng),完成取樣工作。收集裝置的分度機構(gòu)轉(zhuǎn)過一個收集盒所對應(yīng)的角度,等待下一次收集工作。吸吹一體式風機啟動吹出模式,將扦樣管中多余的糧食顆粒吹出,以免殘留影響后續(xù)采集結(jié)果。扦樣系統(tǒng)再根據(jù)扦樣指令進行下一次扦樣工作。

4 結(jié)論

(1)該扦樣系統(tǒng)采用平面四索并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)扦樣裝置在倉內(nèi)的移動,這種方法不需要改變倉房的原有結(jié)構(gòu),也不需要增加附屬結(jié)構(gòu),安裝方便。

(2)扦樣管的設(shè)計可以進行定量取樣,并將扦樣管中殘留的樣品吹出去,不影響下次取樣,使得扦樣結(jié)果更可靠。

(3)該扦樣方法將在線快檢和后臺精檢結(jié)合起來,滿足了不同的需求。