低溫儲糧智能控制系統的實現

王金華，徐錦章，盧立新*，3，安 偉，許 青

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122;2.張家港市糧食局，江蘇張家港215600;3.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122;4.無錫航天信息有限公司，江蘇 無錫214000)

糧食是國民經濟的重要支柱，正確處理糧食問題關乎國民經濟的健康發展和社會安穩［1－3］。低溫儲糧智能化控制技術就是指把具有一定人工智能的機械及自動化技術應用到儲存糧食過程中的一種技術。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象，使得糧食的品質在長期存儲過程中基本保持不變［4－5］。

目前，傳統的儲糧通風降溫方式有兩種:冬季冷空氣機械通風降溫和夏季空調機制冷降低倉溫配合移動式冷谷機制冷降低糧溫。這兩種降溫儲糧方式，在南方大部分地區已經普遍實行，但是存在安裝使用時勞動強度大、自動化程度低、能耗高等缺點。因此，致力于降低庫區員工的勞動強度，更高效、穩定、準確地實現低溫儲糧研究很有必要。張家港糧食局會同江南大學研究生工作站和航天信息公司共同開發了信息化智能化程度較高的低溫儲糧智能控制系統。按照不同季節采用不同方式進行科學保糧，研發出夏季糧面與糧堆制冷降溫通風控制系統。運用物聯網技術，實現制冷機、循環風機、倉窗等設備的遠程控制及參數設定功能，從而降低了勞動強度，提高了工作效率及儲糧品質，達到科技保糧、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。平方倉內墻采用保溫材料阻隔與外界環境的熱交換，起到了良好的保溫隔熱效果。數字式溫度傳感器的應用，實現了對庫區36間平房倉的糧食溫度進行實時監測和采集的功能，為低溫廒間儲糧智能控制提供了準確的糧情信息。

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

2 低溫儲糧智能控制系統的硬件

結合糧庫自動化系統的特點，對糧庫自動化控制的需求進行分析，確定系統構架和整體設計方案。總體設計方案堅持安全性、可靠性、開放性、經濟型、先進性等原則［6－7］。利用計算機 PC 機作為上位機，PLC作為下位機，建立分布式控制系統。將工業以太網PROFINET技術應用于低溫儲糧智能控制系統中，實現糧倉遠程監控。

2.1 系統的網絡構架

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

CPU315－2PN/DP作為主站處理器，負責完成邏輯控制和I/O處理工作。選用SIMATIC ET200M模塊作為分布式I/O從站，符合現場實際需要，滿足各方面綜合考慮。系統的網絡構架如圖2所示。PLC1和PLC2作為主站并分別掛16個從站。

2.2 分布式子系統的硬件構架

分布式子系統的硬件結構包括:通信模塊(IM153－4)，擴展I/O模塊，中間繼電器，交流接觸器，循環風機，熏蒸風機，工業制冷機，溫控器等。分布式子系統的硬件結構如圖3所示。

西門子 CPU315－2DP/PN作為主站，SIMATIC ET200M作為從站，構成整個系統的基礎控制。制冷機和溫控器等智能設備通過RS485轉以太網模塊直接連入以太網，實現數據的交換。擴展I/O模塊實現了現場傳感器的信號采集功能和工業設備的控制功能。

2.3 制冷機系統

制冷機系統是分布式子系統的核心，在夏季制冷降溫儲糧時發揮巨大作用。

2.3.1 工作原理 制冷機系統機組設計為分體式，散熱部分放置倉外，采用水冷與風冷相結合的設計，蒸發冷風系統放置在倉內制冷間內。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。機組由制冷壓縮機、冷凝器、冷風機、干燥過濾器、汽液分離器、膨脹閥和變頻供水系統等主要部件組成。壓縮機將蒸發器內輸出的汽態制冷劑壓縮成高溫高壓狀態送至冷凝器，這時倉外的冷凝器通過和空氣進行交換帶走熱量，然后經過膨脹閥節流將液態制冷劑返回到蒸發器內，吸收倉內制冷間空氣中熱量后蒸發為汽態再回到壓縮機進而形成一 個制冷循環，控糧溫與控倉溫依賴一個制冷機完成。

圖2 系統網絡構架Fig.2 Network framework of the system

圖3 子系統硬件構架Fig.3 Hardware architecture of subsystem s

2.3.2 主要功能

1)控制系統:采用CPU遠程控制，全中文大液晶屏顯示。控制精確、簡便，溫度可根據實際需要自行調節;具有多重保護功能，故障點直接顯示，整機實行聯網進行遠程操控實現現代化管理模式。

2)安全保護:機組設有各種自動安全保護裝置、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。制冷風機系統設計有水冷冷凝器以及噴淋裝置，制冷機工作時利用地下水作為冷卻水，通過庫內管道系統輸送到水冷冷凝器冷卻高壓高溫管。當氣溫較高時啟動風機冷卻，可以有效地防止夏季因氣溫偏高而產生壓縮機熱保護的故障。水冷與風冷相結合的方式產生更好的換熱效果，提高了壓縮機的制冷效率，增加了能效。為節約用水，實現了制冷機壓縮機與供水管道電磁閥的連動。室內外連接安裝手閥，確保維修方便、安全。所有機組內部帶有避震管，機組安裝時底部裝避震墊，以達到高效低噪音。

3 低溫儲糧智能控制系統的軟件

系統選用西門子WinCC組態軟件，依據低溫儲糧智能控制系統的3大子系統，分別設計了3類界面，供不同模式、不同季節使用。操作界面實現了對設備的遠程控制、參數設定、信息反饋等功能。

3.1 自然降溫通風控制系統

自然降溫通風控制系統，就是將冬天干冷空氣輸送到糧堆內，降低糧溫，低溫儲存。自然降溫通風控制如圖4所示。自然降溫通風控制系統運行時，需開啟厫間倉窗和室外通風機。通過軟件設計，實現倉窗和通風機的聯動;系統運行時，倉窗會先行開啟，通風機在倉窗開啟60 s后工作。通過通風機，室外干冷空氣經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，如此構成氣流循環，從而實現對糧堆的降溫效果。

自然降溫通風控制系統中集成了數字式小型氣象站，用于庫區溫度、濕度、氣壓等數據的實時采集與傳輸。只有當大氣溫度、濕度等參數滿足設置開機要求時，自然降溫通風控制系統才會運行。當大氣溫度、濕度等參數高于設定值時，自然通風控制系統會立即停止運行。氣象站測量精度高，溫度數據精度可達到0.1°，反應靈敏。設定的開機溫度小于糧堆溫度，確保通風能有效地降溫。一般一天內的最低溫度時段發生在深夜，多為無人值守時段，集成了氣象站的控制系統能消除無人值守的隱患，使得系統更加智能化，既釋放了庫區勞動力，又實現了低能耗。

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

3.2 制冷降溫通風控制系統

制冷降溫通風控制系統實現夏季稻谷低溫儲存。每個倉廒設置一個制冷間，放置水冷與風冷相結合的小功率制冷機，需要預埋糧堆內膜下的通風管道，然后配合倉內地上籠及通風管道形成一個倉內循環通風回路，設計糧面上與糧堆內同時由一個系統實現降溫通風的功能。制冷降溫通風控制系統依據降溫的區域不同又細分為3個模塊:糧面制冷降溫通風控制系統、糧堆制冷降溫通風控制系統和糧堆糧面同時降溫通風控制系統。制冷降溫通風控制需要關閉所有倉窗，制冷間內小門和通風窗為開啟狀態。

糧面制冷降溫通風時，開啟制冷機和糧面循環風機。制冷機工作，制冷間內溫度降低，糧面循環風機把制冷間內的冷氣鼓向糧面，氣流掠過糧面，最終從制冷間兩側(即制冷間小門和制冷間通風窗處)回流至制冷間，制冷機再對回流的氣體進行降溫，如此循環實現糧面降溫的目的。糧面制冷降溫通風控制示意如圖5所示。

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

糧堆制冷降溫通風時，關閉糧面循環風機，開啟制冷機、糧堆抽風循環風機和糧堆壓風循環風機。制冷機工作，制冷間內溫度降低，位于糧堆壓入循環風機入口處的溫控器實時監測制冷間內的溫度，只有當制冷間內溫度滿足預設要求時，糧堆壓入循環風機才會工作，將冷風壓入管道。冷風從管道進入通風地上籠，在通風地上籠的兩端上升回流，最終順著糧堆內膜預埋的通風管道被糧堆抽風風機抽入制冷間。糧堆制冷降溫通風系統能在不破壞糧堆冷芯層溫度的情況下，實現對糧食四周升溫區降溫的目標。糧堆制冷降溫通風控制示意如圖6所示。

糧面和糧堆降溫通風時，制冷機、糧面循環風機和糧堆循環風機同時工作。即為糧面循環通風控制系統和糧堆循環通風控制系統同時運行，實現對糧面和糧堆降溫的目標。

3.3 環流熏蒸通風控制系統

低溫儲糧對糧食內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不會發生太大的變化。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行除蟲害處理。傳統的人工熏蒸，一方面無法準確地把握熏蒸機啟停時間，另一方面頻繁啟動勞動強度大，效率低。環流熏蒸通風控制系統的運行實現在中控室能對庫區所有熏蒸機的遠程控制與監測，一鍵完成熏蒸的多個循環，計時準確，操作便捷。

磷化鋁給藥，通過糧面與通風進風口布藥實現。環流熏蒸通風控制系統運行時，運用通風回路，將磷化氫氣體送至糧堆內殺死害蟲。系統運行時，需要關閉并密封廒間內所有倉窗和制冷間的門窗，防止磷化氫氣體從廒間內泄漏而造成不良后果。熏蒸機與管道連接密封，磷化氫氣體被熏蒸機送入通風地上籠，對糧食進行熏蒸處理，內部的氣流在通過管道回流到倉外熏蒸機。如此往復，完成環流熏蒸通風控制。

磷化氫是一種無色劇毒氣體，系統運行時，非工作人員勿接近薰蒸區域。環流熏蒸通風控制如圖7所示。

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

圖7 環流熏蒸通風控制Fig.7 Ventilation controlw ithfum igation

3.4 系統的運行效果

低溫儲糧智能控制系統涵蓋主界面、自然通風降溫控制系統的操作界面、制冷降溫通風控制系統的操作界面和環流熏蒸通風控制系統的操作界面。

主界面的設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號厫間均設置按鈕，點擊相應的按鈕就可以進入對厫間的制冷降溫通風控制界面。界面設有故障監控、故障確認、故障清除、授權、初始化等功能。

圖8 主界面Fig.8 Main interface

自然通風降溫控制系統的操作界面，能夠實現倉窗的開關停、降溫風機的開關及延遲啟動時間的預設等功能。操作界面中，倉窗、降溫風機等具有動畫效果。制冷降溫通風控制系統的操作界面，能夠實現制冷機和溫控器溫度及溫差參數的設定、糧堆循環風機和糧面循環風機的開關等功能。操作界面中，制冷機、循環風機等具有動畫效果。環流熏蒸通風控制系統的操作界面，能夠實現倉窗的開關、熏蒸風機的開關等功能。操作界面中，倉窗、熏蒸風機等具有動畫效果。

4 結語

針對傳統的低溫儲糧方式勞動強度大、自動化程度低等不足，開發出一種低溫儲糧智能化分布式控制系統，把倉窗、制冷機、循環風機、熏蒸風機等工業設備組態聯網。此外，開發出控制系統的操作界面，該界面可以遠程監控庫區所有設備。低溫儲糧智能控制系統在沙洲中心庫的運行，降低了庫區的勞動強度，大幅提高了員工的工作效率，達到了科技保糧，綠色保糧的目的。

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