CN110530144B - 一种基于在线检测技术的智能干燥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于在线检测技术的智能干燥方法及设备，所述方法包括以下步骤：安装在线近红外分析仪；将物料输送至物料解碎盘内；物料解碎盘内的物料通过变频绞龙输送至气流干燥系统内进行干燥，干燥后的物料通过在线近红外分析仪实时检测水分含量；所述在线近红外分析仪与进料绞龙的转速/频率、气流干燥的换热器的蒸气压力、引风机功率等参数相关联，实现物料中水分含量的自动化、智能化控制；该方法使用在线近红外分析仪器对物料的水分进行自动监测，测试结果准确、快速；取样方式具有更高的时效性和样品的代表性；可实现水分自动化控制，自动化、智能化程度高，可以提高物料水分含量、降低蒸汽消耗，保证样品的质量稳定性。
Description
技术领域
本发明属于粮油食品加工技术领域，具体涉及一种基于在线检测技术的智能干燥方法及设备。
背景技术
食品加工，是指直接以农、林、牧、渔业产品为原料进行的谷物磨制、饲料加工、植物油和制糖加工、屠宰及肉类加工、水产品加工，以及蔬菜、水果和坚果等食品的加工活动，是广义农产品加工业的一种类型，在某些食品加工的过程中，需要对食品进行干燥加工，常用的干燥方法包括微波干燥、红外线辐射干燥、冲击干燥、渗透干燥、卤素干燥、流化床干燥以及冷冻干燥，不管采用何种干燥手段，要想实现理想的干燥效果，需要对待干燥产品的水分进行精准检测。
随着科学研究的发展和生产技术的进步，水分的定量分析已被列为各类物质理化分析的基本项目之一，作为各类物质的一项重要的质量指标。现有的食品水分检测，由于缺乏成熟的在线检测仪表，对干燥过程水分的测试和判定主要依靠工人的操作经验以及化验室的不定期抽样检测来调节，工人的手感反馈调节及时迅速，但是结果的准确性与车间工人的技能水平、工作经验以密切相关，此外不同季节工人对同一含水率的物料的感知也有不同，化验室的水分测定耗时相对较长，最快也需要20min，反馈调节相对滞后，对生产的指导意义有限，同时目前的干燥过程主要依据现场工人取样化验来判定，周期较长，依据单点的测试具有一定的误判概率。因此，现有的水分检测方法均不能使产品达到理想的干燥效果。
发明内容
为了解决以上现在技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于在线检测技术的智能干燥方法及设备，在干燥过程中利用在线近红外分析设备对水分进行检测，其测量时间短(以秒计)，数据分析准确，可以实现“大数据”的分析，水分调节控制更加精准。
为了解决以上现在技术存在的问题，本发明提供以下技术方案：
一种基于在线检测技术的智能干燥方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在干燥系统上选择料流相对稳定的位置安装在线近红外分析仪，确保在线近红外能够时刻接触到物料，在线近红外分析仪运行时需要提供稳定的电源和除油除水的洁净气源；
(2)将分离得到的湿物料输送至物料解碎盘内；
(3)物料解碎盘内的物料通过变频绞龙输送至干燥系统内，干燥系统内的物料通过热气流对物料进行干燥，在物料干燥后通过在线近红外分析仪实时监测物料中的水分含量，并对分析仪所获得的数据通过数据分析软件进行分析，然后将分析后的数据通过数据信号的传输系统传输到中控室；所述在线近红外分析仪与绞龙频率、蒸气压力、引风机功率相关联，通过分析后的数据信息即可实现物料中水分含量的自动化及智能化控制；
当干燥后的物料水分含量合格时，物料经输送管道输送至包装车间进行包装，同时保证该过程干燥工艺参数的恒定；当干燥后的物料水分含量不合格时，在线近红外分析仪将数据反馈给引风机、绞龙、蒸汽系统，通过调节引风机功率、变频绞龙频率/转速、换热器蒸汽阀的开度干燥工艺参数对物料的水分含量进行调节，最终得到合格的干燥物料。
进一步地，所述绞龙的频率通过手动或自动的方式进行调节，其手动调节的时间间隔为30min～2h。
进一步地，所述步骤(3)中的自动化控制方式为PID比例-积分-微分控制。
进一步地，所述步骤(3)中的蒸气压力由蒸汽阀开度进行自动调节，调节方式为PID比例-积分-微分控制，所述蒸汽阀开度设为10％～100％。
进一步地，所述自动化控制的思路为：蒸汽阀达未满负荷运行时，采用控制加热蒸汽的蒸汽阀开度进行调节；当物料水分高时，增加蒸汽阀开度；当物料水分低时，降低蒸汽阀开度；当蒸汽阀达满负荷运行时，通过喂料绞龙的频率/转速进行调节；当物料水分高时，降低输料绞龙频率；当物料水分低时，增大输料绞龙频率。
进一步地，所述步骤(1)中电源为220V交流电源，使用独立电源供电，不可接入电力分配网络中，测量过程中需要用到压缩空气，压缩空气应选择经过除油除水干燥后的洁净空气，气源压力应大于4公斤，仪器通过4-20mA信号输出，可同时满足六路信号的输出。
进一步地，近红外数据分析系统的操作方式为：进入近红外分析系统，等待其与在线近红外分析仪连接，待出现IP地址、仪器序列号和设备温度参数后，表明仪器已经连接；仪器连接后点击模型名称，选取对应的数据模型，然后点击确定；模型选取后点击连续扫描，当连续扫描由红色变为绿色时进入测量模式，此时就可以在界面看到测试的数据结果。
进一步地，近红外光谱仪在使用一段时间后需要对仪器的偏差进行调整，偏差调整步骤包括：偏差的确定：随机取样15到20组，样品覆盖不同梯度，不同时间，记录在线近红外测量值，然后将样品送至化验室测定数据，比较两种方法的测定偏差；偏差确定后点击品种设置，选取对应的曲线名称，点击修改，选取对应的曲线和参数，将偏差输入偏差调整选项，点击更新，然后点击确定，完成偏差的调整，偏差调整后返回主界面，选取对应的模型开始进入测量界面，斜率不做调整，斜率和截距修改后点击更新按钮，然后再点击确定按钮，即可完成偏差的调整。
有益效果：本发明提供了一种基于在线检测技术的智能干燥方法及设备，在物料干燥的过程中，使用在线近红外分析设备对物料水分进行自动监测，测试结果准确；相较于人工经验的传统的取样化验分析具有明显的优势；基于干燥过程中在线近红外的水分自动化控制方案可以有效的将水分控制在目标线范围；并且自动控制可以提高物料水分、降低气耗，从而达到理想的干燥效果。
因此该方法带来以下优势：
1、在保证产品质量的前提下以最低合格下限生产，获得最高产出比；
2、提高产品的质量稳定性和产品美誉度，带来额外的市场和超额收益；
3、节约人力成本和安全成本，间接提高企业收益；
4、可同时检测多个项目，代替更多的人力劳动；
5、产品质量稳定，调节方便，直观，省力；
6、减少生产与质检、生产与销售之间、产品与客户之间的矛盾，检测结果更具代表性和可回溯性；
7、减少检测频度和取样频度，降低劳动强度，节约劳动力。
附图说明
图1为本发明所述干燥方法的流程图；
图2为本发明在线近红外与化验室测定结果相关性分析图；
图3为本发明在线近红外分析仪的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
以下将以淀粉干燥为例对本发明的干燥方法进行详细说明：
一种基于在线检测技术的智能干燥方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)在干燥系统上选择料流相对稳定的位置安装在线近红外分析仪，确保在线近红外能够时刻接触到物料，在线近红外分析仪运行时需要提供稳定的电源和除油除水的洁净气源，并且每一台在线近红外分析仪对应一台数据分析系统；其中电源为220V交流电源，使用独立电源供电，不可接入电力分配网络中，测量过程中需要用到压缩空气，压缩空气应选择经过除油除水干燥后的洁净空气，气源压力应大于4公斤，仪器通过4-20mA信号输出，可同时满足六路信号的输出。
(2)将刮刀分离得到的淀粉输送至淀粉储罐内；
(3)淀粉储罐内的淀粉通过变频绞龙输送至干燥系统内，干燥系统内的淀粉通过热气流对淀粉进行干燥，在淀粉干燥后通过在线近红外分析仪实时监测淀粉中的水分含量，并对分析仪所获得的数据通过数据分析软件进行分析，然后将分析后的数据通过数据信号的传输系统传输到中控室；所述在线近红外分析仪与绞龙频率、蒸气压力、引风机功率相关联，通过分析后的数据信息即可实现淀粉中水分含量的自动化及智能化控制；
当干燥后的淀粉水分含量合格时，淀粉经输送管道输送至包装车间进行包装，同时保证该过程干燥工艺参数的恒定；当干燥后的淀粉水分含量不合格时，在线近红外分析仪将数据反馈给引风机、绞龙、蒸汽系统，通过调节引风机功率、变频绞龙频率/转速、换热器蒸汽阀的开度进行水分调节，最终得到合格的干燥淀粉；
(3)淀粉经干燥后产生的湿空气采用引风机将其排出。
其中近红外数据分析系统的操作方式如下：(1)进入近红外分析系统，等待仪器与光谱仪连接，待出现IP地址、仪器序列号和设备温度参数后，表明仪器已经连接；(2)仪器连接后点击模型名称，选取对应的数据模型，然后点击确定；(3)模型选取后点击连续扫描，当连续扫描由红色变为绿色时进入测量模式，此时就可以在界面看到测试的数据结果；
数据信号的传输系统的操作方式如下：进入数据转换传输系统，点击文件，选取进入运行环境，此时数据即可传输到中控室。
系统管理及参数设置内容如下：系统管理包括模型管理、品种设置、查看历史管理、散热控制、光源控制、连续扫描管理和停止扫描管理，参数设置中包括光谱采集设置、工作温度设置、滑动平均值设置、坐标轴设置。其中模型管理为添加或删除模型数据，添加或删除测试指标，品种设置为设置测试指标的控制线、上下限和调整偏差，查看历史为查询历史数据和光谱，散热控制为对仪器进行降温控制，光源控制为控制光源开关，仪器运行过程中始终处于发亮状态，连续扫描为模型选取后开始测量，在测量之前需要先选取模型文件，停止扫描为停止测量。其中光谱采集设置包括样品扫描次数、光谱扫描次数、吹扫时间和采样间隔，其中样品扫描次数为单次测量过程对样品的扫描次数，在线设备默认为1，光谱扫描次数为单次测量过程对样品的测量次数，在线设备默认为50，吹扫时间为压缩空气对样品的吹扫时长，可根据实际需要合理设定，采样间隔为两次测量之间的时间间隔，采样间隔要大于吹扫时长，工作温度设置包括温度上限和温度下限，其中温度上限为仪器运行过程控制的温度最高值，高于这个数值仪器开始降温操作，温度下限为仪器运行过程控制的温度最低值，低于这个数值仪器停止降温操作，滑动平均值设置操作过程为勾选平滑参数按钮，输入对应的平滑次数，波动小的产品平滑次数可适当小点或者不设置，波动大的产品可设置平滑次数大一些，注意平滑选型勾选后，平滑次数不可设置为0，坐标轴设置对坐标轴显示的时长、坐标轴显示的上下限进行设置，可根据具体的需要合理设定，数据显示时长最长为1小时。
取样方式如下：打开取样阀门，按下取样按钮，待指示灯亮后，取样，取样时长可根据现场情况具体测定，取样时长应大于两次测量之间的时间间隔，所取的样品量要满足化验室的数据分析，取样完成，再次按下取样按钮，此时灯灭，关闭取样阀门，完成取样；
偏差调整：近红外光谱仪在使用一段时间后会由于各种原因出现一定的偏差，此时需要对仪器的偏差进行调整，偏差调整步骤包括Z1、偏差的确定：随机取样15到20组，样品最好覆盖不同梯度，不同时间，记录在线近红外测量值，然后将样品送至化验室测定数据，比较两种方法的测定偏差，Z2、偏差确定后点击品种设置，选取对应的曲线名称，点击修改，选取对应的曲线和参数，将偏差输入偏差调整选项，点击更新，然后点击确定，完成偏差的调整，偏差调整后返回主界面，选取对应的模型开始进入测量界面，斜率一般不做调整，斜率和截距修改后需要点击更新按钮，然后再点击确定按钮，即可完成偏差的调整。
每台刮刀对应一条淀粉的气流干燥系统，刮刀运行一个循环约需时5.5～6min。单台刮刀单次运行可生产0.73～0.78t(14％)淀粉。刮刀每班清洗一次，每次洗刀时长10～15min。淀粉储罐容量约1.5t，淀粉含水率约35～40％。淀粉储罐内维持一个稳定的料位。当刮刀清洗(刮刀清洗约耗时6min)和滤布更换时，淀粉储罐停止向干燥系统输送物料，水分降低。
湿淀粉储罐内的淀粉通过绞龙输送至气流干燥系统。绞龙的频率为0～60HZ，一般控制在38～45HZ范围内。手动单次调节幅度为2～3HZ。绞龙频率人工调整时间间隔短则30min，长则2h。目前绞龙频率的调节主要是为了保证淀粉储罐的料位。手动调节频率时，水分的波动变化有时平稳；有时变幅较大，甚至可能在同一频率运行情况下，水分也会出现较大的波动。
淀粉储罐内的湿淀粉通过气流干燥系统干燥后，水分由35～40％降低至12～14％。干燥完成的淀粉经气流输送至包装罐。在此过程中热空气的温度由165℃降低至45～55℃左右。
淀粉的气流干燥过程会受到多种因素的影响。淀粉的干燥主要受到：蒸汽阀的开度、热空气的湿度和温度、湿淀粉的含水率、前端工序调节(刮刀清洗)、绞龙的频率等因素的影响。当淀粉储罐内的淀粉料位可以维持在不断料状态时，稳定运行状态下，淀粉水分主要与绞龙频率和蒸汽阀的开度有关。
所述自动化控制的思路为：当淀粉水分高时，增加蒸汽阀开度；当淀粉水分低时，降低蒸汽阀开度；当蒸汽阀达满负荷运行时，降低绞龙频率和刮刀的下料速度。所述自动化控制方式为比例-积分-微分控制。
参数控制范围：所述蒸汽阀开度设为10％～100％，水分目标线设定为13.0％。
操作说明：
1)当刮刀清洗前，停止自控，将蒸汽阀开度降低，在料位不低于1200kg时解除自动控制；
2)刮刀清洗完后，将料位控制在1200kg以上时进行自动控制；
3)运行过程中需要保证料位不能低于1200kg。
在淀粉干燥的过程中，在线随机取样50组，记录在线近红外的测定结果，将抽取的样品送至化验室，化验室测定后并记录。具体的对比分析结果见下表1。由表1可知，在线水分测定仪与化验室测定结果具有很好的一致性，高水分和低水分样品都可以很好的预测。同时通过对所取样品的水分进行分析可以发现，50个样品的平均水分为12.7％，接近控制目标线。从图2中可知，在线水分测定仪与化验室测定结果具有很好的一致性，相关系数高达0.9。
表1
表2为自控线与未自控线的取样数据对比分析，1#为自控线，2#、3#和4#为未自控线。自控运行之后，淀粉水分可以很好的控制在目标线范围(13.5％)，自控线的波动幅度要较未自控线低。自控线的水分可以维持在0.5的波动范围内。
表2
经本发明的基于在线检测技术的智能干燥方法对淀粉进行干燥后，淀粉水分可以很好的控制在目标线范围内。假定运行之前成品淀粉水分控制在13.0％，运行之后控制在13.2％，以日产1600吨计，可使产量增加3.7吨，以吨价2000计，可日增效7400元，以年生产330天计，可增效2442000元。因此，该方法能够带来更多的经济效益。
Claims (6)
1.一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在干燥系统上选择料流相对稳定的位置安装在线近红外分析仪，确保在线近红外能够时刻接触到物料，在线近红外分析仪运行时需要提供稳定的电源和除油除水的洁净气源；
(2)将分离得到的湿物料输送至物料解碎盘内；
(3)物料解碎盘内的物料通过变频绞龙输送至干燥系统内，干燥系统内的物料通过热气流对物料进行干燥，在物料干燥后通过在线近红外分析仪实时监测物料中的水分含量，并对分析仪所获得的数据通过数据分析软件进行分析，然后将分析后的数据通过数据信号的传输系统传输到中控室；所述在线近红外分析仪与绞龙频率、蒸气压力、引风机功率相关联，通过分析后的数据信息即可实现物料中水分含量的自动化及智能化控制；系统参数设置中包括光谱采集设置、工作温度设置、滑动平均值设置、坐标轴设置，其中，工作温度设置包括温度上限和温度下限，其中温度上限为仪器运行过程控制的温度最高值，高于这个数值仪器开始降温操作，温度下限为仪器运行过程控制的温度最低值，低于这个数值仪器停止降温操作，滑动平均值设置操作过程为勾选平滑参数按钮，输入对应的平滑次数，分别设定波动小的产品平滑次数和波动较大的产品的平滑次数，平滑选型勾选后，平滑次数不可设置为0；
当干燥后的物料水分含量合格时，物料经输送管道输送至包装车间进行包装，同时保证该过程干燥工艺参数的恒定；当干燥后的物料水分含量不合格时，在线近红外分析仪将数据反馈给引风机、绞龙、蒸汽系统，通过调节引风机功率、变频绞龙频率/转速、换热器蒸汽阀的开度干燥工艺参数对物料的水分含量进行调节，最终得到合格的干燥物料；
其中，所述自动化控制的思路为：蒸汽阀达未满负荷运行时，采用控制加热蒸汽的蒸汽阀开度进行调节；当物料水分高时，增加蒸汽阀开度；当物料水分低时，降低蒸汽阀开度；当蒸汽阀达满负荷运行时，通过喂料绞龙的频率/转速进行调节，当物料水分高时，降低输料绞龙频率，当物料水分低时，增大输料绞龙频率；
近红外光谱仪在使用一段时间后需要对仪器的偏差进行调整，偏差调整步骤包括：偏差的确定：随机取样15到20组，样品覆盖不同梯度，不同时间，记录在线近红外测量值，然后将样品送至化验室测定数据，比较两种方法的测定偏差；偏差确定后点击品种设置，选取对应的曲线名称，点击修改，选取对应的曲线和参数，将偏差输入偏差调整选项，点击更新，然后点击确定，完成偏差的调整，偏差调整后返回主界面，选取对应的模型开始进入测量界面，斜率不做调整，斜率和截距修改后点击更新按钮，然后再点击确定按钮，即可完成偏差的调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，所述绞龙的频率通过手动或自动的方式进行调节，其手动调节的时间间隔为30min～2h。
3.根据权利要求1所述的一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，所述步骤(3)中的自动化控制方式为PID比例-积分-微分控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，所述步骤(3)中的蒸气压力由蒸汽阀开度进行自动调节，调节方式为PID比例-积分-微分控制，所述蒸汽阀开度设为10％～100％。
5.根据权利要求1所述的一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，所述步骤(1)中电源为220V交流电源，使用独立电源供电，不可接入电力分配网络中，测量过程中需要用到压缩空气，压缩空气应选择经过除油除水干燥后的洁净空气，气源压力应大于4公斤，仪器通过4-20mA信号输出，可同时满足六路信号的输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于在线检测技术的智能干燥方法，其特征在于，近红外数据分析系统的操作方式为：进入近红外分析系统，等待其与在线近红外分析仪连接，待出现IP地址、仪器序列号和设备温度参数后，表明仪器已经连接；仪器连接后点击模型名称，选取对应的数据模型，然后点击确定；模型选取后点击连续扫描，当连续扫描由红色变为绿色时进入测量模式，此时就可以在界面看到测试的数据结果。
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