智能色选机在中药净选生产中的应用★

王君阳， 王吓长

（南京中医药大学 药学院， 江苏 南京 210023）

引言

中药是中医治病的重要手段，随着大数据、传感器、人工智能等技术的成熟，智能制造与中药的结合形成了新兴的中药智能产业，成为中药新兴产业的发展方向[1]。但是目前中药加工设备整体水平偏低，大多保持着手工或半手工方式，现代化自动化的设备明显不足，因此研发新型中药加工设备，可提高生产效率，确保产品质量，规范中药饮片生产流程[2]。近年来随着色选技术的发展[3-5]，智能色选机在各方面性能和质量稳定性的不断提高，越来越多的适用于不同中药品种的色选机投入一线使用。

色选机是依据各种不同物料光学特性之间的差异，运用光电探测技术，将不同物料中特定的异色颗粒分拣出来的自动化设备[6]，是一种集光、电、机、气等多种技术于一体的高科技产品，相比于传统的农业机械，色选机属于高精尖设备，最早用于大米的生产加工[7-8]，可剔除大米中的杂质和异色米粒。目前色选技术广泛应用于大米及其他食品的杂质去除；保证各种粮食和食品的卫生安全[9-11]。鉴于智能色选机表现出的各种优异性能，其应用领域越来越广泛[8，12-14]，在中药净制加工的应用也开始普及。相比而言，人工挑选的效果要优于机械色选，但其缺点是效率较低和劳动强度高，并且，人工挑选也面临招工困难和易导致污染等难题[15-16]。因此，急需一种净制分选设备来提高产能和加工效率。中药色选机的研发与使用，不仅满足现代化加工潮流的需要，而且随着其性能和稳定性的不断提高，将成为中药净制分选的理想设备。

1 国内外色选机行业发展概况

20 世纪三四十年代，欧美国家开始投入研发光电色选设备，ESM公司和Sortex 公司最先研制出大米色选机。随着市场需求的不断变化，科技水平持续提高，新型色选机相继面世。九十年代初期，色选机行业到达了一个发展高峰，呈现出群雄并起的局面。美国色选行业巨头ESM公司与日本佐竹公司合并，研发生产色选设备[12，17]。安西公司是日本最早研发、生产和销售色选机的企业，主要致力于光电色选技术的研发，从最初的电子色选机到内置式微型计算机，到搭载CCD 摄像机的履带式色选机，再到高速photo sensor 传感器的RDM色选机等，安西公司一直没有停下发展的脚步[8，12]。瑞士Buhler 公司将大米色选机的研发制造作为工作重点，其中Z 系列色选机，在当时市场上占有领先地位[8，12，18]。韩国大原株式会社联合三星集团和韩国首尔大学共同研制色选机，推出了多个具有自主知识产权的尖端产品，畅销全球140 多个国家[12，19]。

国内的光电色选技术研究起步较晚，从20 世纪90 年代开始引入国外色选设备，随后慢慢走上发展道路并逐步走上正轨[6]。国外进口色选机虽可节省人力和物力开销，但仪器价格和维护成本较高，导致色选机在我国没有得到广泛的推广。因此，对于光电色选技术研究的呼声愈来愈高，国内企业逐步开展光电色选技术研发，为我国的色选机行业奉献出自己的智慧。

2 中药色选机的工作原理和结构组成

2.1 中药色选的工作原理

中药材或饮片首先通过进料斗的缓冲，在进入贮料斗后，通过振动喂料器，进入传送槽，在传动槽末端穿过分选区域时，通过影像成像系统，可得到以一定速度运动的物料图像，并通过高速图像采集卡，将所得到的图像数字化后，传递给计算机，再通过计算机的整形放大等一系列处理后，与仪器预定值进行比较，当信号大于预定值时开启气动装置，喷气系统压缩空气吹出异色粒子，从而达到药材筛选分级的目的（见图1）[8，15]。

2.2 中药色选机的结构组成[15]

2.2.1 供料系统

该系统是中药色选机的第一部分，能部分调节和整理被分选样品，保证物料在机器中的流速与姿态的相对稳定，并在光学系统观察区中可被观察和检测。供料系统主要由进料斗、贮料斗、振动喂料器和传动槽四部分组成。

2.2.1.1 进料斗

进料斗一般由两个空腔组成，一次腔与原料进口相连，为一次色选通道供料；二次腔与提升机一侧通道相连，将一次色选的吹出物送到二次腔，进行二次色选。提升机的另一侧通道将二次色选时未吹出物送回到一次腔中，再次分选（见图2）。

2.1.1.2 振动喂料器[20]

振动喂料器是供料系统的关键部分，主要由电磁激振器与隔震装置组成。前者主要控制喂料器的振动幅度与频率，使得中药材和饮片能够有序、均匀地落入传动槽中；后者主要防止色选机发生剧烈晃动。值得注意的是，为了提高工作效率，方便调节给料量，需测得电磁激振器与隔震装置、工作频率与主振系统的固有频率之间的最佳比值，不同中药分选有着不同的比值。

2.1.1.3 传动槽

传动槽可分成斜槽、水平槽、V 型槽、U 型槽等，由于具有一定的长度距离，可保证中药材或饮片在其中下滑或移动过程中，能够自动调整，并形成有序流动，以保持物料的流速，保证姿态相对稳定，以取得更佳的分选效果。

2.2.2 光学系统

光学系统是核心部分，通过观察检测中药材或饮片，以获得较理想的分选信息。光学系统主要由背景板、光源和光电接受面阵CCD（Charge Coupled Device）组成。根据不同类型的中药材或饮片，其光路结构以及接收器也有所不同，从而造成色选机的特点及分选性能也不尽相同。

2.2.2.1 光源

中药色选机由于样品的特殊性，在观察区内对受测样品的光源要求至关重要，合适的光源照射可以获取清晰的样品图像，从而帮助传感器进行有针对性的分辨。目前国内市场上的色选机光源多使用荧光灯管。也有少数厂家推出LED（韩国大原）和激光技术（美国凯技）作为光源的产品，其稳定性和色选效果大大提升[21]。

2.2.2.2 光电接收器

又称光传感器，其位置在于光学系统接收面上，作用是采集光信号的相关参数，如波长、频率、相位与偏振方向等，再通过计算机转换处理，得到对应的电信号。目前使用最多的是CCD 接收器，集光电转换、电待存储和转移等功能于一体。CCD 相机采集的信号经PCI 采集卡传送到计算机，经计算机处理得到的视频信号，再进一步处理成为电视信号和检测信号[22]。

2.2.3 电控系统

该系统主要用于控制机器各组成部分，并可将光学系统产生的检测信号整形放大，再送至判断电路，把信号交由计算机处理生成功率脉冲信号，去启动电磁气动装置，从而达到分选效果。

3 色选机在中药净选生产的应用

目前各种智能色选机已广泛运用于中药材及其饮片的色选除杂，特别是果实种子类：枸杞、花椒、酸枣仁、补骨脂、半夏、车前子、菟丝子、莲子、马楝子、女贞子、山茱萸、蛇床子和五味子等；其中枸杞色选机开发较早，其组成包括进料口、震动喂料器、斜槽总成和光电总成，以及提升机和电控箱等，枸杞在经过晾晒后出现粘结严重，因此色选过程中必须保证枸杞的干燥，并且可采用二次分离以提高色选效果[15]。花椒色选机能够将花椒原料中的异色，刺，梗，蜗牛，籽等异色颗粒杂质色选出去，提高花椒品质与价格。花类药材使用色选机进行净选的品种包括菊花、金银花和丁香等。根及根茎类中药[23]主要使用色选机进行炮制后饮片的净选分级，品种主要包括：白芍、丹参、白术、木香、白芷、党参、远志、甘草、板蓝根、葛根、郁金、北沙参、黄芪、防风、川穹、牛膝、茯苓和山药等（https://www.chinameyer.com/Product/proClassed/pid/47/typeId/23）。此外，百合干色选机可将颜色差和质量低下的百合干快速通过机器筛选，短短几小时内的运转，就可抵上1000 名工人一天的工作量，显著地提高了百合干的生产效率。

4 结语与展望

随着国家近年来对中医药事业的大力支持，中医药产业蓬勃发展。中药作为中医治病防病的根本，其品质和安全尤为重要。然而，中药的外观、大小、色泽的不同，以及中药的霉变、生虫、泛油、杂质等问题，严重影响药品的品质和安全。因此，智能色选机运用于中药自动净制生产的重要性也日渐显著。为加快智能色选机的推广及应用，首先必须重视对光电色选技术的理论基础研究，重点从芯片控制的相关技术，以及图像处理算法的改进研究两方面入手，在打破国外相关技术的垄断后，努力研发智能化、高效率和低成本的光电色选设备，提高中药生产企业自动化水平，保证中药安全与品质优良。