粮食柔性包装智能化成套装备研制与产业化应用

技术详细介绍

1、成果研究背景

包装机械是粮食商品化加工中的重要装备，包装技术和装备水平关系到粮食在加工、储存、物流及销售各个环节的工作效率和质量安全，直接制约着粮食产业的现代化发展。目前在粮食包装机械上，西方发达国家总体水平高，出口量大，我国包装机械起步较晚，但发展迅速。通过20多年的努力，在技术上逐步缩小了与国外发达国家的差距，已初步完成自动化，包装效率得到显著提升。在产业规模上，近5年来农产品/食品包装机械行业每年以11%-13%的增速发展，2020年农产品/食品包装机械行业的总产值已突破8500亿元。

近年来，随着人民生活水平的不断提高，消费需求不断升级，粮食包装在一些关键技术和装备上面临新挑战，具体表现在：①在粮食包装前的品质安全保障上，缺少可用于包装设备的粮食品质安全在线无损检测技术。常规化学检测方法无法适用于包装生产设备的应用需求，传统机器视觉技术多以颜色形态为检测特征，无法获取内部品质；②在粮食的包装过程中，传统的自动化包装设备智能化水平不高，关键装置柔性不足，特别在自动连续供袋、精准称量、稳定性抓袋和开袋的核心工序中，受包装袋形式多样、包装材料和粮食品种不确定的影响，仍需人工参与，造成包装成本高，包装效率低；③在包装检测和粮食信息溯源上，包装破袋检测技术不完善，破袋引起的粮食损耗和品质劣变较为普遍，包装物流过程重组产生的信息变更无法自动采集，包装追溯存在编码不统一，信息易篡改，反馈不及时等问题。

根据《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划（2009-2020年）》、《中国第十三个五年规划纲要》等政策指示，农产品加工科技创新体系是国家农业的重点支持领域。规模庞大的粮食、饲料等主要农产品加工业，对包装机械的需求量巨大。同时，随着人民生活水平的提高，对粮食包装的规格、质保期、物流运输等方面提出了新的包装要求。在“智能制造2025”发展规划下，提升粮食包装机械的智能化水平是包装行业的必然需求，也是粮食产业健康发展的重要保障。

2、主要技术方案和内容

（一）总体思路

本项目围绕粮食智能化柔性包装问题，借助于光机电技术、控制技术、信息技术和网络技术研制了粮食柔性包装智能化成套装备，推动了粮食包装行业的信息化与智能化，延伸了粮食包装的产业链，促进了粮食产业的健康发展。

（二）技术方案与创新成果

（1）研创了包装粮食品质安全在线检测及保障关键技术。针对包装中的粮食品质安全保障问题，突破传统机器视觉检测方法，基于柔性多光谱光源和复合成像系统，集成光学技术、并行处理技术、数据库技术、信息处理技术等构建了具有反馈调节的粮食品质快速无损检测建模平台，实现了粮食内、外部品质安全的同时快速无损检测，有效解决了粮食包装领域的品质安全保障问题。相关检测技术已在小麦呕吐毒素（DON）含量检测、玉米赤霉烯酮（ZEN）含量检测、水稻品种鉴别等粮食品质安全相关度较高的需求中得到验证，相关成果发表高水平学术论文9篇，并在实际应用中得到推广。

（2）创制了粮食柔性包装智能化生产成套装备。针对传统包装装备不能满足粮食包装多样化需求问题，突破供袋、称量、抓袋和开袋等粮食包装智能化过程中的核心难题，通过机械结构的创新设计和控制优化，研制出多种包装的自动循环供袋、异质粮食的自适应精准称量、稳定高效的抓袋和高适应性仿生手开袋等一系列包装关键工序装置，显著提升了粮食包装成套装置的柔性和智能化水平，解决了包装袋形式多样，粮食异质化带来的包装自动化难题。相关成果已获得国内发明专利14件，国际发明专利10件，实用新型专利98件，相关技术均已转化为产品，在全国几百家粮食加工企业应用，提升了国家粮食加工企业的自动化水平和工作效率，增强了企业竞争力。

（3）创建了包装袋检测及粮食溯源关键技术。针对粮食包装破袋检测和粮食信息溯源的技术需求问题，研发了基于分布式光纤声音振动的信息采集结构和破袋智能识别算法；突破包装条码标识与射频标识识别的双向转换技术和基于模式选择的多方式信息识别技术，研发了三段式追溯编码技术和包装信息快速反馈及追溯系统，实现了包装质量的检测及粮食在物流过程中的信息溯源，有效保障了粮食的包装物流安全。相关成果已获取国内发明专利4件，实用新型专利3件，发表高水平研究论文22篇，其中智能包装破袋报警技术和包装防伪标识喷码技术均已研制出相关装置，并在包装企业进行应用，为粮食包装质量和粮食品质安全提供保障。

3、主要科技创新点

（1）研发了具有反馈调节的多光谱成像包装粮食品质安全在线无损检测技术。基于多光谱复合光源技术，构建了线下模型训练、线上模型测试的检测平台，实现了粮食品质安全的快速无损检测。

（2）研制了自适应高效全自动循环供袋装置。构建了以工作袋位检测传感器为中心的袋宽微调板物料袋定位装置，适应不同形式包装袋调节和定位，实现了包装过程的自动循环供袋。

（3）研发出具有动态调节结构的粮食包装过程精准称重装置。构建了闭环式送料称重结构，基于物料流量动态控制技术结合电机三级配料技术，实现了物料的快速、精确称重。

（4）研制出用于粮食自动灌装的仿生开袋机械手。突破传统吸盘抓取和吸附的抓袋方式，模拟手、指甲钳袋开袋过程，构建了具连动式仿生开袋装置，实现了不同形式包装袋的精准稳定开袋。

（5）研制了基于信息编码及加密技术的包装防伪标识装置。突破粮食包装的追溯编码、信息防伪等技术，研发出包装粮食追溯码分组加密压缩方法，实现了粮食包装统一编码和防伪。

4、授权专利情况

项目获自主知识产权129件，其中授权发明专利28件（国际发明专利10件）、实用新型专利101件，发表高水平研究论文31篇；培养硕博研究生40余名、企业技术骨干50余名；项目成果应用于益海嘉里等国际知名企业，金健粮食有限公司等国内粮食加工龙头企业，经济、社会效益显著，对提升我国粮食包装加工的智能化水平发挥了重要的支撑作用。

5、达到的总体技术经济指标与国内外同类先进技术的比较

本项目在国家“863”计划课题、国家科技支撑计划课题、安徽省科技重大专项计划等一系列项目的支撑下，围绕粮食包装产业的核心痛点问题，连续开展近十年的技术攻关，突破了粮食包装智能化的关键技术问题，形成了一系列先进的科技成果，并在粮食加工企业得到推广应用。

在粮食品质安全检测技术上，项目所研发的基于多光谱成像的粮食品质安全检测技术相比国内外传统的化学方法具有快速无损的特点，适合于粮食包装企业的在线应用；与同样无损的机器视觉方法对比，该技术可同时检测粮食的内外部品质，可以更全面的保障粮食安全。相关技术在检测小麦DON污染程度时，可以精准的区分出7个级别，DON含量的预测模型误差小于26 μg/kg，玉米ZEN含量预测模型误差小于0.1 μg/kg，并可同时区分5种不同品种稻米。在图像信息处理上采用包含ARM、MCU以及多片大容量FPGA的处理系统和基于大容量FPGA平台的数据分割多级流水线同时处理技术，有效提高图像在线处理能力。

在粮食包装的智能装备技术上，项目研发的自适应高效全自动循环供袋装置相比于国内外传统供袋技术，可以完成多种包装形式、多种材料包装袋的自动循环供袋，解决了传统供袋需要人工放置备用包装袋问题；研制的精准称重装置与国内外相比，在异质化粮食流动性不一致的环境下，称重精度与单一粮食一致；研制的柔性抓袋机构，采用高抗干扰性稳定抓袋结构和柔性精准的抓袋控制，有效克服了抓袋过程中的各类干扰，提高了抓袋的稳定性和准确性；研制的自动灌装柔性开袋机械手相比国内外同类技术，采用了仿生设计和分段控制，克服了传统吸盘开袋对包装材料密封性的限制，设备的稳定性和适用性得到显著提升。

在包装检测和粮食信息溯源技术上，目前国内外对包装破袋的精准检测技术尚无成熟技术，项目研发的分布式光纤声音振动破袋系统和包装破袋智能识别算法，处理速度快，对包装破袋的检测准确率达98.6%；研制的包装信息编码及加密技术的防伪标识喷码装置，相比于传统服务器生成防伪编码方法具有速度快，信息量丰富，防伪功能强，双向转换设备从条码到RFID的转换中转换成功率均达到了100%。

6、技术成熟度和应用推广及效益情况等

本研究项目围绕粮食智能化柔性包装问题，借助于光机电技术、控制技术、信息技术和网络技术重点完成了包装粮食品质安全在线检测及保障关键技术的突破、粮食柔性包装智能化生产成套装备的研制、包装袋检测及粮食溯源关键技术的研发。具体应用情况如下：

研创的基于多光谱成像的粮食品质安全快速无损检测技术已在小麦DON含量检测、玉米ZEN含量检测、水稻品种鉴别等粮食品质安全需求较高的应用中得到验证，相关成果表高水平研究论文9篇，为包装粮食的品质安全保障提供了技术支撑；创制的粮食柔性包装智能化生产成套装备，实现了粮食包装加工过程中的供袋开袋、称重装料、封口输送、喷码检测、真空装箱、装车码垛等各种作业的自动化，相关装备应用于益海嘉里等国际知名企业，金健粮食有限公司等国内粮食加工龙头企业，经济、社会效益显著，对提升我国粮食包装加工的智能化水平发挥了重要的支撑作用等几百家粮食加工企业，代替了传统的半自动人工打包作业，提升了粮食包装加工的自动化水平；创建的包装袋检测及粮食溯源关键技术，实现了包装质量的高效检测和粮食物流的信息溯源，有效保障了粮食的包装及物流安全；研制出智能包装破袋报警技术和包装防伪标识喷码相关装置，并在包装企业进行应用，为粮食包装的质量和粮食品质安全提供了保障。

项目成果提升了粮食加工产业的生产效率，真正实现了粮食包装加工的自动化、智能化，促进了粮食加工业规模化、品牌化和现代化的进程。近三年实现累计新增销售额87893万元，新增利润8803万元，节支2132万元，对提升我国粮食包装加工的智能化水平发挥了重要的支撑作用。

参展情况

展示形式：

以图片、视频、文字相结合，配以线上互动体验等形式

展示要求：

现场和网上都可。