低温储粮智能控制系统的实现

王金华，徐锦章，卢立新*，3，安 伟，许 青

(1.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122;2.张家港市粮食局，江苏张家港215600;3.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122;4.无锡航天信息有限公司，江苏 无锡214000)

粮食是国民经济的重要支柱，正确处理粮食问题关乎国民经济的健康发展和社会安稳［1－3］。低温储粮智能化控制技术就是指把具有一定人工智能的机械及自动化技术应用到储存粮食过程中的一种技术。通过控制粮食在储藏期间的粮堆温度，使粮堆温度维持在低温(15℃)或准低温(20℃)以下，从而延缓因为自身呼吸作用而引起的粮食陈化及劣变现象，使得粮食的品质在长期存储过程中基本保持不变［4－5］。

目前，传统的储粮通风降温方式有两种:冬季冷空气机械通风降温和夏季空调机制冷降低仓温配合移动式冷谷机制冷降低粮温。这两种降温储粮方式，在南方大部分地区已经普遍实行，但是存在安装使用时劳动强度大、自动化程度低、能耗高等缺点。因此，致力于降低库区员工的劳动强度，更高效、稳定、准确地实现低温储粮研究很有必要。张家港粮食局会同江南大学研究生工作站和航天信息公司共同开发了信息化智能化程度较高的低温储粮智能控制系统。按照不同季节采用不同方式进行科学保粮，研发出夏季粮面与粮堆制冷降温通风控制系统。运用物联网技术，实现制冷机、循环风机、仓窗等设备的远程控制及参数设定功能，从而降低了劳动强度，提高了工作效率及储粮品质，达到科技保粮、绿色保粮的目的。

1 沙洲中心库平房仓信息

沙洲中心粮库占地7.86 hm2，一期总建筑面积2.9万m2，其中粮食仓库7幢，面积1.3万m2，仓容4万t。库区平房仓分布示意如图1所示。

平房仓1～平房仓4为六厫间式，平房仓面积为21 m×96 m，厫间面积为21 m×16 m。平房仓5为四厫间式，面积为21 m×96 m，厫间面积为21 m ×24 m。平房仓6、平房仓7为四厫间式，面积为21 m×60 m，厫间面积为21 m×15 m。平方仓内墙采用保温材料阻隔与外界环境的热交换，起到了良好的保温隔热效果。数字式温度传感器的应用，实现了对库区36间平房仓的粮食温度进行实时监测和采集的功能，为低温廒间储粮智能控制提供了准确的粮情信息。

图1 平房仓分布Fig.1 Distribution of horizontalwarehouse

2 低温储粮智能控制系统的硬件

结合粮库自动化系统的特点，对粮库自动化控制的需求进行分析，确定系统构架和整体设计方案。总体设计方案坚持安全性、可靠性、开放性、经济型、先进性等原则［6－7］。利用计算机 PC 机作为上位机，PLC作为下位机，建立分布式控制系统。将工业以太网PROFINET技术应用于低温储粮智能控制系统中，实现粮仓远程监控。

2.1 系统的网络构架

系统主要的硬件配置:PC机，CPU315－2PN/DP，CP5611PCI以 太 网 卡，ET200M I/O 模 块，PROFIBUS电缆，工业级交换机，屏蔽双绞线等。

CPU315－2PN/DP作为主站处理器，负责完成逻辑控制和I/O处理工作。选用SIMATIC ET200M模块作为分布式I/O从站，符合现场实际需要，满足各方面综合考虑。系统的网络构架如图2所示。PLC1和PLC2作为主站并分别挂16个从站。

2.2 分布式子系统的硬件构架

分布式子系统的硬件结构包括:通信模块(IM153－4)，扩展I/O模块，中间继电器，交流接触器，循环风机，熏蒸风机，工业制冷机，温控器等。分布式子系统的硬件结构如图3所示。

西门子 CPU315－2DP/PN作为主站，SIMATIC ET200M作为从站，构成整个系统的基础控制。制冷机和温控器等智能设备通过RS485转以太网模块直接连入以太网，实现数据的交换。扩展I/O模块实现了现场传感器的信号采集功能和工业设备的控制功能。

2.3 制冷机系统

制冷机系统是分布式子系统的核心，在夏季制冷降温储粮时发挥巨大作用。

2.3.1 工作原理 制冷机系统机组设计为分体式，散热部分放置仓外，采用水冷与风冷相结合的设计，蒸发冷风系统放置在仓内制冷间内。一个1 000 t仓容的廒间配置一台输入总功率为8 kW的制冷机。机组由制冷压缩机、冷凝器、冷风机、干燥过滤器、汽液分离器、膨胀阀和变频供水系统等主要部件组成。压缩机将蒸发器内输出的汽态制冷剂压缩成高温高压状态送至冷凝器，这时仓外的冷凝器通过和空气进行交换带走热量，然后经过膨胀阀节流将液态制冷剂返回到蒸发器内，吸收仓内制冷间空气中热量后蒸发为汽态再回到压缩机进而形成一 个制冷循环，控粮温与控仓温依赖一个制冷机完成。

图2 系统网络构架Fig.2 Network framework of the system

图3 子系统硬件构架Fig.3 Hardware architecture of subsystem s

2.3.2 主要功能

1)控制系统:采用CPU远程控制，全中文大液晶屏显示。控制精确、简便，温度可根据实际需要自行调节;具有多重保护功能，故障点直接显示，整机实行联网进行远程操控实现现代化管理模式。

2)安全保护:机组设有各种自动安全保护装置、故障报警装置和故障代码显示，便于查找原因，及时排除故障。制冷风机系统设计有水冷冷凝器以及喷淋装置，制冷机工作时利用地下水作为冷却水，通过库内管道系统输送到水冷冷凝器冷却高压高温管。当气温较高时启动风机冷却，可以有效地防止夏季因气温偏高而产生压缩机热保护的故障。水冷与风冷相结合的方式产生更好的换热效果，提高了压缩机的制冷效率，增加了能效。为节约用水，实现了制冷机压缩机与供水管道电磁阀的连动。室内外连接安装手阀，确保维修方便、安全。所有机组内部带有避震管，机组安装时底部装避震垫，以达到高效低噪音。

3 低温储粮智能控制系统的软件

系统选用西门子WinCC组态软件，依据低温储粮智能控制系统的3大子系统，分别设计了3类界面，供不同模式、不同季节使用。操作界面实现了对设备的远程控制、参数设定、信息反馈等功能。

3.1 自然降温通风控制系统

自然降温通风控制系统，就是将冬天干冷空气输送到粮堆内，降低粮温，低温储存。自然降温通风控制如图4所示。自然降温通风控制系统运行时，需开启厫间仓窗和室外通风机。通过软件设计，实现仓窗和通风机的联动;系统运行时，仓窗会先行开启，通风机在仓窗开启60 s后工作。通过通风机，室外干冷空气经过地上笼被送入粮堆，透过密集的粮食，最后由仓窗排出到仓外;或者按相反路径通风，如此构成气流循环，从而实现对粮堆的降温效果。

自然降温通风控制系统中集成了数字式小型气象站，用于库区温度、湿度、气压等数据的实时采集与传输。只有当大气温度、湿度等参数满足设置开机要求时，自然降温通风控制系统才会运行。当大气温度、湿度等参数高于设定值时，自然通风控制系统会立即停止运行。气象站测量精度高，温度数据精度可达到0.1°，反应灵敏。设定的开机温度小于粮堆温度，确保通风能有效地降温。一般一天内的最低温度时段发生在深夜，多为无人值守时段，集成了气象站的控制系统能消除无人值守的隐患，使得系统更加智能化，既释放了库区劳动力，又实现了低能耗。

图4 自然降温通风控制Fig.4 Ventilation control by natural air cooling

3.2 制冷降温通风控制系统

制冷降温通风控制系统实现夏季稻谷低温储存。每个仓廒设置一个制冷间，放置水冷与风冷相结合的小功率制冷机，需要预埋粮堆内膜下的通风管道，然后配合仓内地上笼及通风管道形成一个仓内循环通风回路，设计粮面上与粮堆内同时由一个系统实现降温通风的功能。制冷降温通风控制系统依据降温的区域不同又细分为3个模块:粮面制冷降温通风控制系统、粮堆制冷降温通风控制系统和粮堆粮面同时降温通风控制系统。制冷降温通风控制需要关闭所有仓窗，制冷间内小门和通风窗为开启状态。

粮面制冷降温通风时，开启制冷机和粮面循环风机。制冷机工作，制冷间内温度降低，粮面循环风机把制冷间内的冷气鼓向粮面，气流掠过粮面，最终从制冷间两侧(即制冷间小门和制冷间通风窗处)回流至制冷间，制冷机再对回流的气体进行降温，如此循环实现粮面降温的目的。粮面制冷降温通风控制示意如图5所示。

图5 粮面制冷降温通风控制Fig.5 Ventilation control by reducing the Temperature of grain surface

粮堆制冷降温通风时，关闭粮面循环风机，开启制冷机、粮堆抽风循环风机和粮堆压风循环风机。制冷机工作，制冷间内温度降低，位于粮堆压入循环风机入口处的温控器实时监测制冷间内的温度，只有当制冷间内温度满足预设要求时，粮堆压入循环风机才会工作，将冷风压入管道。冷风从管道进入通风地上笼，在通风地上笼的两端上升回流，最终顺着粮堆内膜预埋的通风管道被粮堆抽风风机抽入制冷间。粮堆制冷降温通风系统能在不破坏粮堆冷芯层温度的情况下，实现对粮食四周升温区降温的目标。粮堆制冷降温通风控制示意如图6所示。

粮面和粮堆降温通风时，制冷机、粮面循环风机和粮堆循环风机同时工作。即为粮面循环通风控制系统和粮堆循环通风控制系统同时运行，实现对粮面和粮堆降温的目标。

3.3 环流熏蒸通风控制系统

低温储粮对粮食内部微生物的生命活动起着有效的抑制作用，可以控制仓储虫害的发展，有效抑制粮食的呼吸作用，能保证粮食在储存过程中粮食品质不会发生太大的变化。虽然低温储粮对稻谷储存效果明显，但对不需要冷藏的小麦，仍需要熏蒸方法对粮食进行除虫害处理。传统的人工熏蒸，一方面无法准确地把握熏蒸机启停时间，另一方面频繁启动劳动强度大，效率低。环流熏蒸通风控制系统的运行实现在中控室能对库区所有熏蒸机的远程控制与监测，一键完成熏蒸的多个循环，计时准确，操作便捷。

磷化铝给药，通过粮面与通风进风口布药实现。环流熏蒸通风控制系统运行时，运用通风回路，将磷化氢气体送至粮堆内杀死害虫。系统运行时，需要关闭并密封廒间内所有仓窗和制冷间的门窗，防止磷化氢气体从廒间内泄漏而造成不良后果。熏蒸机与管道连接密封，磷化氢气体被熏蒸机送入通风地上笼，对粮食进行熏蒸处理，内部的气流在通过管道回流到仓外熏蒸机。如此往复，完成环流熏蒸通风控制。

磷化氢是一种无色剧毒气体，系统运行时，非工作人员勿接近薰蒸区域。环流熏蒸通风控制如图7所示。

图6 粮堆制冷降温通风控制Fig.6 Ventilation control by reducing the Temperature of grain pile

图7 环流熏蒸通风控制Fig.7 Ventilation controlw ithfum igation

3.4 系统的运行效果

低温储粮智能控制系统涵盖主界面、自然通风降温控制系统的操作界面、制冷降温通风控制系统的操作界面和环流熏蒸通风控制系统的操作界面。

主界面的设计与粮库建筑图相符，清晰形象，可以直观地显示粮库的布局。主界面如图8所示。1号厫间至36号厫间均设置按钮，点击相应的按钮就可以进入对厫间的制冷降温通风控制界面。界面设有故障监控、故障确认、故障清除、授权、初始化等功能。

图8 主界面Fig.8 Main interface

自然通风降温控制系统的操作界面，能够实现仓窗的开关停、降温风机的开关及延迟启动时间的预设等功能。操作界面中，仓窗、降温风机等具有动画效果。制冷降温通风控制系统的操作界面，能够实现制冷机和温控器温度及温差参数的设定、粮堆循环风机和粮面循环风机的开关等功能。操作界面中，制冷机、循环风机等具有动画效果。环流熏蒸通风控制系统的操作界面，能够实现仓窗的开关、熏蒸风机的开关等功能。操作界面中，仓窗、熏蒸风机等具有动画效果。

4 结语

针对传统的低温储粮方式劳动强度大、自动化程度低等不足，开发出一种低温储粮智能化分布式控制系统，把仓窗、制冷机、循环风机、熏蒸风机等工业设备组态联网。此外，开发出控制系统的操作界面，该界面可以远程监控库区所有设备。低温储粮智能控制系统在沙洲中心库的运行，降低了库区的劳动强度，大幅提高了员工的工作效率，达到了科技保粮，绿色保粮的目的。

［1］张月金，谭军.国内粮情测控系统现状及发展趋势［J］.农业装备技术，2009，35(4):4－7.ZHANG Yuejin，TAN Jun.Situation and development trend ofmeasurementand control system for the presentgrain situation［J］.Agricultural Equipment and Technology，2009，35(4):4－7.(in Chinese)

［2］杨广靖，任云虹，贾金元，等.我国粮食储藏的现状及发展趋势［J］.粮食加工，2012，37(1):60－63.YANG Guangjing，RENYunhong，JIAJinyuan，et al.Present situation and development trend of storing grain in our country［J］.Grain Processing，2012，37(1):60－63.(in Chinese)

［3］张雨，李哲敏，孙晓明，等.加强农业基础地位 确保国家粮食安全［J］.北京市农业管理干部学院学报，2001，15(3):27－28.ZHANG Yu，LIZhemin，SUN Xiaoming，et al.Strengthen the position of agriculture as the foundation of the economy to ensure national food security［J］.Journal of Beijing Agricultural Administrators′College，2001，15(3):27－28.(in Chinese)

［4］李永刚，秦付军.模糊自适应PID控制在谷物冷却机中的应用［J］.中国农机化，2012(2):162－164，171.LIYonggang，QIN Fujun.Fuzzy adaptive PID control in the grain chiller application［J］.Chinese Agricultural Mechanization，2012(2):162－164，171.(in Chinese)

［5］崔国华，曹毅.粮食低温储藏的应用实践和发展建议［J］.粮食储藏，2004，33(2):20－24.CUIGuohua，CAO Yi.Applications and development suggestions of low－temperature grain storage［J］.Application Research of Computers，2004，33(2):20－24.(in Chinese)

［6］王静.PROFINET挺进过程自动化的应用——基于以太网通信的工业自动化［J］.中国仪器仪表，2014(1):63－66.WANG Jing.Introduction of PROFINET feature and application in process automation——ethernet communication in industrial automation［J］.China Instrumentation，2014(1):63－66.(in Chinese)

［7］张永德，李鑫.PROFINET的组成及其应用［J］.工业仪表与自动化装置，2006(1):25－28，38.ZHANG Yongde，LIXin.Composition and application of PROFINET［J］.Industrial Instrumentation and Automation，2006(1):25－28，38.(in Chinese)