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棉花种子脱绒加工酸控系统设计开题报告

研究生学位论文开题报告审批表

论文题目:

棉花种子脱绒加工酸控

系统设计

学科、专业:

农业机械化工程

研究方向：

自动化技术

研究生姓名:

指导教师:

赵冉冉

2019年11月17日

一、课题名称及项目来源

课题名称：

棉花种子脱绒加工酸控系统设计

课题来源：

国家自然科学基金（基金编号：

60664002）

棉花种子硫酸脱绒生产线节能及环保问题研究

二、课题的立项依据

2.1棉种脱绒加工研究的背景及意义

棉花是我国重要的经济作物和纺织工业原料，棉花生产的好坏直接关系到棉区农民收入、纺织工业生产及国民经济发展。

目前，我国有一亿多农民以植棉为主要经济来源，还有几百万纺织工人以棉纺为主。

因此，棉花在我国国民经济和人民生活中占有举足轻重的地位。

棉花种子加工的目的就是要在不改变良种原有品质前提下，通过采用一系列物理、化学方法，去掉棉种表面短绒。

经锯齿轧花机轧花后的棉子表面残留一层短绒[7]，这给棉花种子精选分级、包衣消毒处理和机械化精量播种带来很大不便。

试验表明，脱绒后的棉花光籽播种比带绒棉子播种死苗率低1.6%，病苗率低3.7%，蚜株率低20%，播种发芽率高11%-25%，平均早出苗2-3天。

同时，脱绒后的棉花光籽采用精量播种比带绒棉子播种每公顷节省种子82.5-105Kg，若将我国460万公顷植棉田全部用棉花光籽精量播种，每年可节约种子38万-48万吨。

可见，棉花种子脱绒技术与设备的运用是棉花种子工程中的基础环节和棉花机械化精量播种、节本增效的关键技术，在棉花生产中应引起足够的重视，脱绒后的棉种再经过精选和包衣处理，提高棉种的科技含量，改善其播种品质，使良种本身具有的优良生物学特性充分发挥出来。

棉种脱绒质量含有两方面的意义：

一是外观质量，即脱绒后是否是光籽，若残留有超标的短绒，会影响精选效果、包衣剂处理和机械化播种；二是指棉种的内在质量，即脱绒过程是否对种子的生长发育造成不利影响，种子的水分是否达到安全贮存标准，种子表面的残酸量是否达到要求等。

脱绒质量与种子原始水分、健籽率、种子含绒量、稀硫酸供给量、热风温度和流量、干燥时间以及种子最高温度等因素的控制有关。

设计此系统就是为了解决目前种子加工过程中自动化程度低、易造成种子残酸含量超标、出苗率降低、种子质量不高的缺点，为精准播种提供符合农艺要求的高质量、高科技含量的优质棉种。

种子是最基本的农业生产资料，是农业科技进步的主要载体，大力推广良种是促进农业发展的有效措施和重要保证。

近年来，随着农业科技的进步，精准技术对我们种子行业提出了更新更高的要求。

农业要发展，种子要先行，特别是精准播种作为现代农业高新综合系统工程，具有省种、增产、低耗的显著特点，是推进精准农业的核心。

因此，作为核心技术中的种子加工工作是保证精准播种的关键，我们作为种子行业的中间环节，也是种子工程的重要环节，必须为农业的丰产丰收打下坚实的基础。

2.2自动化控制技术应用于棉种脱绒加工的背景及意义

随着农业科技的飞速发展，对种子加工的质量也要求越来越高。

棉花种子由于在调运、轧花、脱绒、加工、储藏、销售、拌种诸多环节中存在着各种隐患[8],势必造成对种子质量的影响,尤其是影响到种子的发芽率。

目前，国内棉种加工多是采用酸脱绒处理,酸蚀法加工设备生产率高,可直接对种子消毒、杀菌,但操作技术要求较严。

而在棉种加工过程中,残酸、活化剂超标、种温过高也会影响发芽率[8]，因此要科学控酸，根据毛籽残绒量,来适当调整加工稀硫酸的浓度，使成品种子残酸率小于等于0.15%。

国内目前的棉种脱绒加工成套设备中的酸控系统都存在以下问题，自动化程度低，浓度等关键参数都需要人工控制，一方面是劳动强度大，另一方面是配酸精度与均匀性差，生产成本较高。

一旦加工过程控制不好，容易造成种子残酸含量超标，产生霉菌使其发霉长毛,导致部分正常种子霉烂,同时部分已出的成苗也容易形成烂苗或畸形苗,降低种子的发芽率，影响种子质量。

所以迫切需要设计一套可靠性高的酸控系统，用于生产对于改善环境和降低劳动强度、提高效率和降低成本、提高种子加工质量和降低残酸率具有十分重要的意义。

2.3棉种脱绒加工酸控系统

新疆做为全国的三大产棉区之一[3]，其种植面积与总产量分别占到了全国的25%到30%，2003年至2007年新疆的植棉面积为递增趋势，总产量也由以往占全国的30%上升到40%左右，新疆棉花生产的发展促进了棉种产业的发展[3]，为棉种产业的发展创造了良好的机遇与环境；同时随着农业现代化生产和种子产业化的发展，种子的质量要求越来越高。

国内在80年代初之前主要生产浓硫酸脱绒设备，但其存在着耗酸量大，且需用碱中和处理废液，综合耗料多、费用大等缺点，至今已很少或不再生产。

目前新疆的棉种企业的生产技术状况是大多生产设备都是经引进消化后自行研制的酸脱绒成套设备[1]，普遍存在一些共同问题，如设备自动化程度低，温度、硫酸浓度等关键参数靠人工调整，稳定性差，棉种残酸含量高，易造成烂种，使出苗率降低等，因此，加工部门一方面迫切需要自动控制系统的介入，以提高种子的加工质量；另一方面对棉种加工系统的运行方案关注较少，事实上，棉种加工系统自动化程度还较低，尤其是酸控系统，浓度、液位等关键参数都需要人工调制，费时费力，影响加工效率，并且精度不高，因此本论文主要研究棉花种子脱绒加工酸控系统的设计应用于棉种脱绒加工的方案。

2.4研究领域国内外的研究动态及发展趋势

棉花作为我国的重要经济作物，在国民经济中有着举足轻重的作用。

在新疆，棉花的种植面积占总种植面积的60%以上，棉花生产现已成为新疆主要支柱产业,加之由于南北疆地理环境和气候条件差异较大,棉种的品种需要的很多，所以新疆每年所供棉种的特点是数量大、品种多,这就给棉花种子加工与质量管理带来了一定的难度,棉种质量管理也就显得更加重要。

除了选择适合本地土壤和气候条件的优良品种外[6],棉种的加工水平也直接影响着它的质量，种子加工是提高种子质量的一个重要环节，棉花种子质量的好坏是决定棉花作物出苗率和棉花质量的主要因素。

因此认识当前棉花种子脱绒加工的研究现状，弄清其发展趋势，对于开发和研制符合农艺要求的棉花种子脱绒加工系统，推动棉花生产机械化和自动化的发展和指导实际生产具有重要的现实意义。

2.4.1国内棉花种子脱绒加工的研究现状

我国棉子脱绒技术和设备的发展与国外主要植棉国家一样，基本上是先采用浓硫酸脱绒、泡沫酸脱绒和稀硫酸脱绒。

70年代末80年代初主要生产浓硫酸脱绒设备，由于其耗酸量大，还需用碱中和处理废液，综合耗材多，费用大，现已不再生产。

1983年，山东省聊城棉种加工厂开始引进泡沫酸脱绒成套设备，由于这种脱绒设备比浓硫酸脱绒设备耗酸量少/每百千克耗酸2～2.5千克），是浓硫酸脱绒设备的15%～18%，且酸处理罐使用周期也比后者长，所以山东、江苏等省的棉花加工机械制造厂开始研制和生产这种脱绒成套设备。

在80年代初到90年代初，我国以这种脱绒设备为主。

但这种设备存在着成套设备投资大，对发泡剂的质量要求高，仍需对含酸的短绒进行防污染处理等缺点。

90年代初期，由新疆石河子种子机械设备联合厂（现新疆石河子华农种子机械设备有限公司）引进国外先进技术，研制成功棉种过量式稀硫酸脱绒成套设备，填补了国内稀硫酸脱绒技术的空白，产品于1995年通过了新疆自治区级新产品鉴定，1997年获国家级新产品奖。

与泡沫酸脱绒成套设备相比，该产品具有工艺简便、造价低、投资回收期短，处理罐使用寿命长，稀硫酸在成套设备中的离心机作用下可循环使用，每百千克棉子耗酸量为2千克以下。

特别是经测试表明，在加工出合格棉种的情况下，该设备具有部分主要能耗指标和绒酸比均低于泡沫酸脱绒设备等优点，因而在新疆各大产棉区和安徽、江苏、河南等重点产棉省得到运用，用户评价较高。

目前国外棉子脱绒技术也是以过量式稀硫酸脱绒为主。

同时，在90年代初期，由新疆阿克陶县农机修造厂在棉花加工机械的基础上，研制成功以砂瓦为磨料的棉子脱绒成套设备，填补了国内棉种机械式脱绒技术的空白，产品于1993年通过了自治区级新产品鉴定。

之后，新疆机械研究院也研制出同类型的钢刷式脱绒成套设备，于1998年通过了新产品试验鉴定。

机械脱绒技术的最大特点是，由于不使用硫酸而避免了酸残留物对环境的污染，特别是可得到脱去的棉短绒。

棉短绒是化工、医疗、军工等行业的重要原料，因此可增加棉种加工企业的收入。

另外由于不使用硫酸、水和燃料，因此大大降低了设备制造和种子的加工成本。

该产品的脱绒机组部分是以若干个单台脱绒机组成，各棉种加工企业可根据自身的规模和实力来选取单机数组成机组，因此非常适用于各类中小型棉种加工企业。

这两种设备已在新疆各棉区得到推广运用。

该技术设备的缺点是，种子的残绒率和破损率要比过量式稀硫酸和泡沫酸脱绒高。

另外，目前我国还没有过量式稀硫酸脱绒和机械式脱绒成套设备的国家或行业检验标准，不利于对产品质量进行监督检测，应尽快制定。

以确保棉花种子加工机械的质量。

2.4.2国外棉花种子脱绒加工的研究现状

经过调查，随着农业现代化生产的发展，国外种子加工处理机械化、自动化程度都很高，如美国菲波尔公司生产的过量式稀硫酸脱绒成套设备，其加工工艺与国内产品大致相同，但在烘干供热和种子处理过程中，对整个加工过程温度的变化，采用计算机监控并进行数据记录形成图表，使加工温度始终低于种子发芽温度[7]。

2.5几种棉花种子脱绒加工的特点

目前，棉花种子脱绒有化学脱绒和机械剥绒两类[4]。

常用的化学脱绒有浓硫酸脱绒、泡沫酸脱绒、稀硫酸（过量式）脱绒和盐酸蒸气脱绒。

机械脱绒按采用磨料的不同，分为砂瓦脱绒和钢刷脱绒两种。

前者是利用硫酸的腐蚀作用,硫酸与毛子上的短绒接触,使之碳化，再经过摩擦、撞击,脱掉短绒。

后者是利用种子与钢刷的摩擦作用磨掉短绒，由于两种脱绒技术的原理不同,脱绒效果和对棉种活力的影响也可能存在差异。

1.化学脱绒

1）.浓硫酸脱绒

硫酸脱绒是将浓硫酸经过加温与种子搅拌在一起，使棉绒全部炭化，然后用清水洗净在场上晒干，用于播种。

使用这种技术的优点是投资小，棉农可以自己处理种子。

其缺点有:

a.费时、费力、费硫酸，一般用酸量达15%以上，加工成本高;

b.浪费较大，通过人工漂洗，相当一部分可利用的种子顺水而流失;

c.污染环境，浓硫酸处理后的种子往往要在河渠中漂洗，大量的残余硫酸流失，不能回收利用，污染水源，破坏土壤;

d.无法进行人工干燥，不易控制水分，种子容易霉烂，降低种子质量;

e.加工时受季节性影响较大，每年冬闲不能加工，春忙时加工又与春耕春播争水争劳力、争时间;

f.据棉种处理的标准要求，处理后的棉种种球的其他部分棉绒必须脱光，但胚芽处要留有一点绒毛，其作用是播种后起到吸水贮水作用，以利促发棉种发芽，而浓硫酸脱绒无法实现。

2）.泡沫酸脱绒

棉种泡沫酸脱绒加工是将硫酸、发泡剂、水以一定比例均匀混合后,通过雾状的压缩空气发泡,将这种泡沫状的稀硫酸定量均匀地覆盖于棉籽表面,浸透其表面短绒,通过烘干机蒸发棉短绒内的水分,使硫酸浓缩,产生强烈的脱水性和氧化性,使棉短绒碳化,再通过摩擦机作用去掉已碳化的短绒并使棉籽表面磨光。

其性能特点：

a.硫酸是以泡沫的形式覆盖干棉短绒表面进行脱绒的,经过精确计算,使注入的硫酸恰到好处地湿润毛籽,没有多余的酸和水,因而使原料、能源最俭省,处理过程最柔和,保证种子原有素质不受影响。

b.种子经硫酸脱绒后,成为光籽,便于包衣,提高包衣剂附着效果,种衣剂所含成膜剂具有缓释作用,故能保持持久药效。

c.因种衣剂含有杀菌、杀虫剂,相应减少了用药次数,省工省药,基本控制棉花苗期病虫害。

3）.稀硫酸（过量式）脱绒：

稀硫酸脱绒是将浓硫酸稀释到8%～10%的浓度后，加入一定量的活化剂，对短绒吸附、渗透、润湿作用。

生产时往毛棉种内加稀硫酸液量为3：

1，进行浸泡和搅拌，大约经过1分钟的搅拌、混合，使棉种全部润湿，然后进入离心机甩干，将多余的酸液分离，回收再用。

短绒上的酸液约占棉种重量的9%～10%左右。

然后进入烘干机、摩擦机内进行脱水、去绒、磨光变成光籽。

4）.盐酸蒸气脱绒：

火焰烧绒器将棉子上的短绒灼烧（棉子与一定浓度的盐酸蒸气在处理罐中混合搅拌、烘干、摩擦脱去短绒、中和消毒。

2.机械脱绒

1）.砂瓦干磨脱绒：

这种方法一般不宜加工棉种。

其缺点是:

1.破碎率大;2.种子表绒磨不净，残绒率高;3.专家们认为，棉花的角斑病、枯萎病的病菌在50C～60C的温度下即可死亡，而此方法未经过酸和温度处理，灭菌效果差，残绒率高，容易使病菌蔓延。

2）.机械脱绒方式：

目前使用的“刷轮式棉种脱绒成机”，该机采用纯机械方式脱去短绒。

其特点是：

操作简单、维修方便，加工成本低，生产过程只需电力，不需要其它附属设施和辅料，但破损率偏高。

主要参考文献（单独附页）

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三、课题的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。

3.1研究目标

本文采用功能强、可靠性高、易维护及现场抗干扰能力强的计算机控制技术对系统进行开发设计，通过收集硫酸浓度、液位控制等相关技术数据对系统进行搭建，

实现自动化检测、并利用监控系统对数据进行实时采集和监控，使系统具有开发周期短，便于升级改造，并且可靠性高、实时性强,界面友好、操作简单，具有对实时事件的及时处理能力、完善系统功能、提高系统整体水平和自动化程度，便于生产的组织和管理，为我国的棉种加工产业做出贡献。

3.2研究内容

1）研究计算机控制技术设计的理论与方法，探讨应用计算机控制技术进行系统开发的技术路线；

2）进行酸控系统实验研究，分析各部件间的逻辑关系；

3）计算机监控画面制作及通讯接口设计；

4）棉种脱绒加工酸控系统硬件搭建。

四、拟采取的研究方案及可行性分析

4.1研究方法

采用理论分析与试验研究相结合的方法，在广泛查阅现有国内外相关研究成果和资料的基础上，借鉴目前国内外棉种加工、液位控制、浓度调节的研究方案和成功经验，利用计算机控制技术的相关知识和目前所掌握的棉花脱绒加工工艺分析研究适合新疆棉花种子脱绒中酸控系统的模式以及通过到新疆种业调研收集试验相关的各种数据，对相关技术参数进行定量分析，为酸控系统用于棉种脱绒的设计运行提供理论依据。

4.2技术路线

五、本课题的特色与创新之处

5.1.本课题特色

1）通过对硫酸浓度、液位等相关技术参数之间的关系对系统进行搭建，改善整个系统自动化程度低，温度、硫酸浓度等关键参数靠人工调整，稳定性差的弱点，提高棉种的科技含量，改善其播种品质，使良种本身具有的优良生物学特性充分发挥出来；

2）利用监控系统对数据进行实时采集和监控，使系统具有开发周期短，便于升级改造，并且可靠性高、实时性强,界面友好、操作简单，具有对实时事件的及时处理能力、完善系统功能、提高系统整体水平和自动化程度，便于生产的组织和管理。

5.2主要创新点

综述计算机控制技术的背景和应用及相关理论与方法，应用计算机控制技术进行棉种脱绒加工酸控系统的设计及研究，全面总结现有国内外计算机控制系统中的液位控制和浓度调节的研究方法和成功经验，利用计算机控制技术相关的知识和目前所掌握的棉花脱绒加工工艺研究出适合新疆棉种脱绒中的酸控系统，提高系统自动化水平和棉种质量的新方法，探索降低棉种开发成本。

1.通过自动化检测技术对棉种脱绒加工中酸控系统的液位、浓度等进行检测，并将自动控制技术应用到棉种脱绒加工工艺中；

2.对棉种脱绒加工配酸过程采用计算机对各个环节进行实时状态监控和数据采集。

六、课题预期研究结果。

1.搭建酸控系统一套，并配制出一定浓度的硫酸；

2.建立酸控系统监控管理信息平台；

3.发表论文1-2篇；

4.完成毕业论文。

七、工作基础

目前机电学院下设机械工程实验中心、电气工程实验中心、工程训练中心3个实验中心及所属28个实验室和1个图书资料室。

拥有农业机械化、机械设计研究所、数控工程技术中心研究所等研究机构，在机械性能试验与设计机械化农业生产系统研究、动力节能研究及计算机辅助设计制造、数控技术等研究方向形成特色。

学院大力支持科研和对外交流活动，坚持走产、学、研相结合之道，以上诸多因素为本课题研究铺平硬件之路。

通过一年的基础和专业知识的学习，已经具备了一定的专业知识、数学知识和计算机知识，并利用课余时间自学了组态软件监控技术，查看了大量的相关书籍和文献资料，对计算机控制应用技术知识有了初步了解，同时已开展了1年的预备试验，掌握了试验中各项环节的要求和特点，熟悉了各项参数的设定及控制方法，对全面开展该问题的研究积累了宝贵的经验。

八、工作条件

我的导师张晓海老师在自动控制和棉种脱绒加工方面做了长期大量的研究，已有相关的课题和论文。

石河子大学机电学院有良好的基础设施和实验条件，为课题的进行和制作提供了良好的物质基础，并且实验室有相关设备为课题的进行和制作提供了良好的物质基础，同时石河子大学机电学院与新疆西部种业有良好的合作关系，可保证试验研究工作的顺利进行。

开题前，共查阅142篇期刊论文。