王金華，徐錦章，盧立新*，3，安 偉，許 青

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.張家港市糧食局，江蘇張家港215600;3.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實驗室，江蘇 無錫 214122;4.無錫航天信息有限公司，江蘇 無錫214000)

糧食是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，正確處理糧食問題關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展和社會安穩(wěn)［1－3］。低溫儲糧智能化控制技術(shù)就是指把具有一定人工智能的機(jī)械及自動化技術(shù)應(yīng)用到儲存糧食過程中的一種技術(shù)。通過控制糧食在儲藏期間的糧堆溫度，使糧堆溫度維持在低溫(15℃)或準(zhǔn)低溫(20℃)以下，從而延緩因為自身呼吸作用而引起的糧食陳化及劣變現(xiàn)象，使得糧食的品質(zhì)在長期存儲過程中基本保持不變［4－5］。

目前，傳統(tǒng)的儲糧通風(fēng)降溫方式有兩種:冬季冷空氣機(jī)械通風(fēng)降溫和夏季空調(diào)機(jī)制冷降低倉溫配合移動式冷谷機(jī)制冷降低糧溫。這兩種降溫儲糧方式，在南方大部分地區(qū)已經(jīng)普遍實行，但是存在安裝使用時勞動強(qiáng)度大、自動化程度低、能耗高等缺點(diǎn)。因此，致力于降低庫區(qū)員工的勞動強(qiáng)度，更高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實現(xiàn)低溫儲糧研究很有必要。張家港糧食局會同江南大學(xué)研究生工作站和航天信息公司共同開發(fā)了信息化智能化程度較高的低溫儲糧智能控制系統(tǒng)。按照不同季節(jié)采用不同方式進(jìn)行科學(xué)保糧，研發(fā)出夏季糧面與糧堆制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)制冷機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、倉窗等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及參數(shù)設(shè)定功能，從而降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率及儲糧品質(zhì)，達(dá)到科技保糧、綠色保糧的目的。

1 沙洲中心庫平房倉信息

沙洲中心糧庫占地7.86 hm2，一期總建筑面積2.9萬m2，其中糧食倉庫7幢，面積1.3萬m2，倉容4萬t。庫區(qū)平房倉分布示意如圖1所示。

平房倉1～平房倉4為六厫間式，平房倉面積為21 m×96 m，厫間面積為21 m×16 m。平房倉5為四厫間式，面積為21 m×96 m，厫間面積為21 m ×24 m。平房倉6、平房倉7為四厫間式，面積為21 m×60 m，厫間面積為21 m×15 m。平方倉內(nèi)墻采用保溫材料阻隔與外界環(huán)境的熱交換，起到了良好的保溫隔熱效果。數(shù)字式溫度傳感器的應(yīng)用，實現(xiàn)了對庫區(qū)36間平房倉的糧食溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和采集的功能，為低溫廒間儲糧智能控制提供了準(zhǔn)確的糧情信息。

圖1 平房倉分布Fig.1 Distribution of horizontalwarehouse

2 低溫儲糧智能控制系統(tǒng)的硬件

結(jié)合糧庫自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)，對糧庫自動化控制的需求進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)構(gòu)架和整體設(shè)計方案?？傮w設(shè)計方案堅持安全性、可靠性、開放性、經(jīng)濟(jì)型、先進(jìn)性等原則［6－7］。利用計算機(jī) PC 機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，建立分布式控制系統(tǒng)。將工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET技術(shù)應(yīng)用于低溫儲糧智能控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

系統(tǒng)主要的硬件配置:PC機(jī)，CPU315－2PN/DP，CP5611PCI以 太 網(wǎng) 卡，ET200M I/O 模 塊，PROFIBUS電纜，工業(yè)級交換機(jī)，屏蔽雙絞線等。

CPU315－2PN/DP作為主站處理器，負(fù)責(zé)完成邏輯控制和I/O處理工作。選用SIMATIC ET200M模塊作為分布式I/O從站，符合現(xiàn)場實際需要，滿足各方面綜合考慮。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2所示。PLC1和PLC2作為主站并分別掛16個從站。

2.2 分布式子系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

分布式子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括:通信模塊(IM153－4)，擴(kuò)展I/O模塊，中間繼電器，交流接觸器，循環(huán)風(fēng)機(jī)，熏蒸風(fēng)機(jī)，工業(yè)制冷機(jī)，溫控器等。分布式子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

西門子 CPU315－2DP/PN作為主站，SIMATIC ET200M作為從站，構(gòu)成整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制。制冷機(jī)和溫控器等智能設(shè)備通過RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊直接連入以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。擴(kuò)展I/O模塊實現(xiàn)了現(xiàn)場傳感器的信號采集功能和工業(yè)設(shè)備的控制功能。

2.3 制冷機(jī)系統(tǒng)

制冷機(jī)系統(tǒng)是分布式子系統(tǒng)的核心，在夏季制冷降溫儲糧時發(fā)揮巨大作用。

2.3.1 工作原理 制冷機(jī)系統(tǒng)機(jī)組設(shè)計為分體式，散熱部分放置倉外，采用水冷與風(fēng)冷相結(jié)合的設(shè)計，蒸發(fā)冷風(fēng)系統(tǒng)放置在倉內(nèi)制冷間內(nèi)。一個1 000 t倉容的廒間配置一臺輸入總功率為8 kW的制冷機(jī)。機(jī)組由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、冷風(fēng)機(jī)、干燥過濾器、汽液分離器、膨脹閥和變頻供水系統(tǒng)等主要部件組成。壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)輸出的汽態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓狀態(tài)送至冷凝器，這時倉外的冷凝器通過和空氣進(jìn)行交換帶走熱量，然后經(jīng)過膨脹閥節(jié)流將液態(tài)制冷劑返回到蒸發(fā)器內(nèi)，吸收倉內(nèi)制冷間空氣中熱量后蒸發(fā)為汽態(tài)再回到壓縮機(jī)進(jìn)而形成一 個制冷循環(huán)，控糧溫與控倉溫依賴一個制冷機(jī)完成。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.2 Network framework of the system

圖3 子系統(tǒng)硬件構(gòu)架Fig.3 Hardware architecture of subsystem s

2.3.2 主要功能

1)控制系統(tǒng):采用CPU遠(yuǎn)程控制，全中文大液晶屏顯示?？刂凭_、簡便，溫度可根據(jù)實際需要自行調(diào)節(jié);具有多重保護(hù)功能，故障點(diǎn)直接顯示，整機(jī)實行聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控實現(xiàn)現(xiàn)代化管理模式。

2)安全保護(hù):機(jī)組設(shè)有各種自動安全保護(hù)裝置、故障報警裝置和故障代碼顯示，便于查找原因，及時排除故障。制冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計有水冷冷凝器以及噴淋裝置，制冷機(jī)工作時利用地下水作為冷卻水，通過庫內(nèi)管道系統(tǒng)輸送到水冷冷凝器冷卻高壓高溫管。當(dāng)氣溫較高時啟動風(fēng)機(jī)冷卻，可以有效地防止夏季因氣溫偏高而產(chǎn)生壓縮機(jī)熱保護(hù)的故障。水冷與風(fēng)冷相結(jié)合的方式產(chǎn)生更好的換熱效果，提高了壓縮機(jī)的制冷效率，增加了能效。為節(jié)約用水，實現(xiàn)了制冷機(jī)壓縮機(jī)與供水管道電磁閥的連動。室內(nèi)外連接安裝手閥，確保維修方便、安全。所有機(jī)組內(nèi)部帶有避震管，機(jī)組安裝時底部裝避震墊，以達(dá)到高效低噪音。

3 低溫儲糧智能控制系統(tǒng)的軟件

系統(tǒng)選用西門子WinCC組態(tài)軟件，依據(jù)低溫儲糧智能控制系統(tǒng)的3大子系統(tǒng)，分別設(shè)計了3類界面，供不同模式、不同季節(jié)使用。操作界面實現(xiàn)了對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)定、信息反饋等功能。

3.1 自然降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)

自然降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)，就是將冬天干冷空氣輸送到糧堆內(nèi)，降低糧溫，低溫儲存。自然降溫通風(fēng)控制如圖4所示。自然降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時，需開啟厫間倉窗和室外通風(fēng)機(jī)。通過軟件設(shè)計，實現(xiàn)倉窗和通風(fēng)機(jī)的聯(lián)動;系統(tǒng)運(yùn)行時，倉窗會先行開啟，通風(fēng)機(jī)在倉窗開啟60 s后工作。通過通風(fēng)機(jī)，室外干冷空氣經(jīng)過地上籠被送入糧堆，透過密集的糧食，最后由倉窗排出到倉外;或者按相反路徑通風(fēng)，如此構(gòu)成氣流循環(huán)，從而實現(xiàn)對糧堆的降溫效果。

自然降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)中集成了數(shù)字式小型氣象站，用于庫區(qū)溫度、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。只有當(dāng)大氣溫度、濕度等參數(shù)滿足設(shè)置開機(jī)要求時，自然降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)才會運(yùn)行。當(dāng)大氣溫度、濕度等參數(shù)高于設(shè)定值時，自然通風(fēng)控制系統(tǒng)會立即停止運(yùn)行。氣象站測量精度高，溫度數(shù)據(jù)精度可達(dá)到0.1°，反應(yīng)靈敏。設(shè)定的開機(jī)溫度小于糧堆溫度，確保通風(fēng)能有效地降溫。一般一天內(nèi)的最低溫度時段發(fā)生在深夜，多為無人值守時段，集成了氣象站的控制系統(tǒng)能消除無人值守的隱患，使得系統(tǒng)更加智能化，既釋放了庫區(qū)勞動力，又實現(xiàn)了低能耗。

圖4 自然降溫通風(fēng)控制Fig.4 Ventilation control by natural air cooling

3.2 制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)

制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)實現(xiàn)夏季稻谷低溫儲存。每個倉廒設(shè)置一個制冷間，放置水冷與風(fēng)冷相結(jié)合的小功率制冷機(jī)，需要預(yù)埋糧堆內(nèi)膜下的通風(fēng)管道，然后配合倉內(nèi)地上籠及通風(fēng)管道形成一個倉內(nèi)循環(huán)通風(fēng)回路，設(shè)計糧面上與糧堆內(nèi)同時由一個系統(tǒng)實現(xiàn)降溫通風(fēng)的功能。制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)依據(jù)降溫的區(qū)域不同又細(xì)分為3個模塊:糧面制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)、糧堆制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)和糧堆糧面同時降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)。制冷降溫通風(fēng)控制需要關(guān)閉所有倉窗，制冷間內(nèi)小門和通風(fēng)窗為開啟狀態(tài)。

糧面制冷降溫通風(fēng)時，開啟制冷機(jī)和糧面循環(huán)風(fēng)機(jī)。制冷機(jī)工作，制冷間內(nèi)溫度降低，糧面循環(huán)風(fēng)機(jī)把制冷間內(nèi)的冷氣鼓向糧面，氣流掠過糧面，最終從制冷間兩側(cè)(即制冷間小門和制冷間通風(fēng)窗處)回流至制冷間，制冷機(jī)再對回流的氣體進(jìn)行降溫，如此循環(huán)實現(xiàn)糧面降溫的目的。糧面制冷降溫通風(fēng)控制示意如圖5所示。

圖5 糧面制冷降溫通風(fēng)控制Fig.5 Ventilation control by reducing the Temperature of grain surface

糧堆制冷降溫通風(fēng)時，關(guān)閉糧面循環(huán)風(fēng)機(jī)，開啟制冷機(jī)、糧堆抽風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)和糧堆壓風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)。制冷機(jī)工作，制冷間內(nèi)溫度降低，位于糧堆壓入循環(huán)風(fēng)機(jī)入口處的溫控器實時監(jiān)測制冷間內(nèi)的溫度，只有當(dāng)制冷間內(nèi)溫度滿足預(yù)設(shè)要求時，糧堆壓入循環(huán)風(fēng)機(jī)才會工作，將冷風(fēng)壓入管道。冷風(fēng)從管道進(jìn)入通風(fēng)地上籠，在通風(fēng)地上籠的兩端上升回流，最終順著糧堆內(nèi)膜預(yù)埋的通風(fēng)管道被糧堆抽風(fēng)風(fēng)機(jī)抽入制冷間。糧堆制冷降溫通風(fēng)系統(tǒng)能在不破壞糧堆冷芯層溫度的情況下，實現(xiàn)對糧食四周升溫區(qū)降溫的目標(biāo)。糧堆制冷降溫通風(fēng)控制示意如圖6所示。

糧面和糧堆降溫通風(fēng)時，制冷機(jī)、糧面循環(huán)風(fēng)機(jī)和糧堆循環(huán)風(fēng)機(jī)同時工作。即為糧面循環(huán)通風(fēng)控制系統(tǒng)和糧堆循環(huán)通風(fēng)控制系統(tǒng)同時運(yùn)行，實現(xiàn)對糧面和糧堆降溫的目標(biāo)。

3.3 環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制系統(tǒng)

低溫儲糧對糧食內(nèi)部微生物的生命活動起著有效的抑制作用，可以控制倉儲蟲害的發(fā)展，有效抑制糧食的呼吸作用，能保證糧食在儲存過程中糧食品質(zhì)不會發(fā)生太大的變化。雖然低溫儲糧對稻谷儲存效果明顯，但對不需要冷藏的小麥，仍需要熏蒸方法對糧食進(jìn)行除蟲害處理。傳統(tǒng)的人工熏蒸，一方面無法準(zhǔn)確地把握熏蒸機(jī)啟停時間，另一方面頻繁啟動勞動強(qiáng)度大，效率低。環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行實現(xiàn)在中控室能對庫區(qū)所有熏蒸機(jī)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測，一鍵完成熏蒸的多個循環(huán)，計時準(zhǔn)確，操作便捷。

磷化鋁給藥，通過糧面與通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口布藥實現(xiàn)。環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時，運(yùn)用通風(fēng)回路，將磷化氫氣體送至糧堆內(nèi)殺死害蟲。系統(tǒng)運(yùn)行時，需要關(guān)閉并密封廒間內(nèi)所有倉窗和制冷間的門窗，防止磷化氫氣體從廒間內(nèi)泄漏而造成不良后果。熏蒸機(jī)與管道連接密封，磷化氫氣體被熏蒸機(jī)送入通風(fēng)地上籠，對糧食進(jìn)行熏蒸處理，內(nèi)部的氣流在通過管道回流到倉外熏蒸機(jī)。如此往復(fù)，完成環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制。

磷化氫是一種無色劇毒氣體，系統(tǒng)運(yùn)行時，非工作人員勿接近薰蒸區(qū)域。環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制如圖7所示。

圖6 糧堆制冷降溫通風(fēng)控制Fig.6 Ventilation control by reducing the Temperature of grain pile

圖7 環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制Fig.7 Ventilation controlw ithfum igation

3.4 系統(tǒng)的運(yùn)行效果

低溫儲糧智能控制系統(tǒng)涵蓋主界面、自然通風(fēng)降溫控制系統(tǒng)的操作界面、制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)的操作界面和環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制系統(tǒng)的操作界面。

主界面的設(shè)計與糧庫建筑圖相符，清晰形象，可以直觀地顯示糧庫的布局。主界面如圖8所示。1號厫間至36號厫間均設(shè)置按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕就可以進(jìn)入對厫間的制冷降溫通風(fēng)控制界面。界面設(shè)有故障監(jiān)控、故障確認(rèn)、故障清除、授權(quán)、初始化等功能。

圖8 主界面Fig.8 Main interface

自然通風(fēng)降溫控制系統(tǒng)的操作界面，能夠?qū)崿F(xiàn)倉窗的開關(guān)停、降溫風(fēng)機(jī)的開關(guān)及延遲啟動時間的預(yù)設(shè)等功能。操作界面中，倉窗、降溫風(fēng)機(jī)等具有動畫效果。制冷降溫通風(fēng)控制系統(tǒng)的操作界面，能夠?qū)崿F(xiàn)制冷機(jī)和溫控器溫度及溫差參數(shù)的設(shè)定、糧堆循環(huán)風(fēng)機(jī)和糧面循環(huán)風(fēng)機(jī)的開關(guān)等功能。操作界面中，制冷機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)等具有動畫效果。環(huán)流熏蒸通風(fēng)控制系統(tǒng)的操作界面，能夠?qū)崿F(xiàn)倉窗的開關(guān)、熏蒸風(fēng)機(jī)的開關(guān)等功能。操作界面中，倉窗、熏蒸風(fēng)機(jī)等具有動畫效果。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的低溫儲糧方式勞動強(qiáng)度大、自動化程度低等不足，開發(fā)出一種低溫儲糧智能化分布式控制系統(tǒng)，把倉窗、制冷機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熏蒸風(fēng)機(jī)等工業(yè)設(shè)備組態(tài)聯(lián)網(wǎng)。此外，開發(fā)出控制系統(tǒng)的操作界面，該界面可以遠(yuǎn)程監(jiān)控庫區(qū)所有設(shè)備。低溫儲糧智能控制系統(tǒng)在沙洲中心庫的運(yùn)行，降低了庫區(qū)的勞動強(qiáng)度，大幅提高了員工的工作效率，達(dá)到了科技保糧，綠色保糧的目的。

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