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东北大学硕上学位论文 摘要 储粮机械通风智能控制专家系统的研究与开发 摘要 我国是农业大国，粮食是整个国民经济的基础。虽然每年我国粮食总产量都 高达 5亿吨，但只有 8 0 %的粮食才能够被合理利用。导致这一损失的主要原因是 在储粮过程中大部分粮食发生了陈化和劣变。经过多年的研究，国内外专家一致 认为，解决这一问题最合适的方法就是适时对粮仓进行通风，确保储粮条件。但 是，到目 前为止国内还没有一个科学化、智能化与自 动化的现代储粮安全保障体 系。 本文按照 “ 储粮机械通风技术规程” ，建立了完善的粮仓通风自 动控制系统， 并且构建了 “ 储粮机械通风专家系统” 。 本文主要完成了以下几个方面的工作。 ( 1 ) 完成了 系统的硬件设计，实现了单仓通风过程的 全自 动控制，其中 包括3 台仓底的离心风机或者可逆转动轴流风机和4 台 仓顶的轴流风机( 排风扇) ， 还有在 离心风机处的3个自 动通风门和在排风扇处的4个自动通风窗，加上在仓房两侧 的4 个自 动通风窗，以实现 “ 储粮机械通风技术规程” 所要求的6 种通风目的和9 种通风方式。 ( 2 ) 针对通风目 的和通风方式的多元化， 开发了 控制系统软件。 主要包括p l c 无线通讯部分的实现、通风控制模块、硬件诊断模块。 ( 3 ) 通过对数据库粮情信息的提取，获得各个测温结点的温度。根据三维 s e r e n d ip it y 8节点 线性单元 构 造插 值函 数， 将计 算 机图 形 学与 粮 情监 测系 统相 结 合，用图形显示粮堆的温度分布，得到类似有限元分析结果的三维彩色云图，以 便用户及时发现粮堆的温度变化情况，从而发现异常及时处理。 ( 4 ) 构建储粮机械通风专家系统， 其中 包括粮情故障诊断专家系统和机械通风 控制专家系统两部分。专家系统主要包括事实库、知识库、推理机、解释机、人 机接口这 5个方面内容。从事实库中提取粮情数据进行统计，统计结果与知识库 里的规则进行匹配，即正向推理得到结论。解释机可向用户显示推理路径和推理 规则的详细解释。人机接口主要提供用户与知识库和解释机的接口。 关键词 智能控制 机械通风 数据库 故障诊断 专家系统 东北大学硕士学位论文 人bs tract r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l e x p e r t s y s t e m o f s t o r i n g g r a i n me c h a n i c a l v e n t i l a t i o n ab s t r a c t c h i n a i s a h u g e a g r i c u l t u r a l c o u n t r y , a n d t h e n a t i o n a l e c o n o m i c s y s t e m i s b a s e d o n g r a i n . a lt h o u g h t h e t o t a l g r a i n o u t p u t i s u p t o 5 h u n d r e d m i l l i o n t o n s e v e r y y e a r , o n l y 8 0 p e r c e n t o f t h e m i s u s e d r a t i o n a l l y . t h e m a i n r e a s o n f o r l o s e s i n t h e c o u r s e o f s t o r i n g t h e g r a i n i s t h a t m o s t o f g r a i n w a r e s o u t a n d b e c o m e s b a d . r e s e a r c h i n g f o r m a n y y e a r s , d o m e s t i c a n d i n t e rna t i o n a l e x p e r ts h a v e c o m e t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e m o s t s u i t a b l e m e t h o d o f r e d u c i n g l o s e s i s v e n t i l a t i n g t h e b a rn o n t i m e t o g u a r a n t e t h e s t o r i n g c o n d i t i o n . b u t s o f a r t h e r e h a s n o t b e e n a s o c i a l i z e d , i n t e l l i g e n t , a u t o m a t i c a n d m o d e rn s a f e s e c u r it y s y s t e m o f s t o r i n g g r a i n . t h i s t h e s i s h a s c o n s t r u c t e d s o p h i s t i c a t e d a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m f o r g r a i n b a rn v e n t i l a t i o n a c c o r d i n g t o t e c h n i c a l r e g u l a t i o n o f s t o r i n g g r a i n m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n . f u r th e r m o r e , w e h a v e e s t a b l i s h e d e x p e r t s y s t e m o f s t o r i n g g r a i n m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n . t h e m a i n c o n t e n t s a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g . 1 . a c c o r d i n g t o t h e o n - t h e - s p o t c o n d i t i o n , w e h a v e f i n i s h e d t h e d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m h a r d w a r e w h i c h c a n c o n t r o l t h e t h r e e c e n t r i f u g a l f a n s a t t h e b o t t o m o f t h e b a r n , t h e f o u r e x i l e f a n s o n t h e t o p o f t h a t , t h r e e a u t o m a t i c v e n t i l a t i v e d o o r s o n t h e e d g e o f r e s p e c t i v e c e n t r i f u g a l f a n , f o u r a u t o m a t i c v e n t i l a t i v e w i n d o w s o n t h e e d g e o f r e s p e c t i v e e x i l e f a n , t h e o t h e r f o u r w h i c h i s d i s t r i b u t e d o n t h e b o t h s i d e o f t h e b a r n , s o t h a t s i x v e n t i l a t i v e a i m s a n d n i n e v e n t i l a t i v e w a y s c l a i m e d b y t e c h i n a l r e g u l a t i o n o f s t o r i n g g r a i n v e n t i l a t i o n c a n b e r e a l i z e d 2 . t h e s o f t w a r e o f c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n e x p l o it e d t o a i m a t d i v e r s i t y o f v e n t i l a t i v e a i m s . t h e s o f t w a r e r e a l i z e s t h e f o l l o w i n g t h r e e f u n c t i o n s : t h e r e a l i z a t i o n o f p l c w i r e le s s c o m m u n i c a t i o n , v e n t i l a t i v e c o n t r o l l e r a n d h a r e w a r e d i a g n o s i s . 3 . t e m p e r a t u r e o f e a c h c a b l e p o i n t i n t h e g r a i n b a rn i s o b t a i n e d f r o m t h e d a t a b a s e o f g r a i n s t a t u s . i n s e r t i n g f u n c t i o n r e f e r r i n g t o t h r e e - d i m e n s i o n a l s e r e n d i p it y e i g h t - n o d e l i n e a r c e ll i s b u i l t t o s h o w t h e g r a i n t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e f o r m o f t h r e e - d i m e n t i o n a l c o l o r f u l n e p h o g r a m j u s t l i k e t h e r e s u l t o f t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s , w h i c h p e r f e c t l y c o m b i n e s c o m p u t e r g r a p h i c s w i t h g r a i n s t a t u s i n s p e c t i o n s y s t e m . b y t h r e e - d i m e n t i o n a l c o l o r f u l n e p h o g r a m , t h e m a n a g e r s o f t h e b a rn s c a n m a s t e r t h e v a r i e t y 一i i i 一 东北大学硕士学位论文ab s t r ac t o f t h e g r a i n t e m p e r a t u r e , d i s c o v e r t h e f a u l t o n t i m e , a n d t a k e a c t io n a g a i n s t a l l k i n d s o f f a u l t a s s o o n a s p o s s i b l e . 4 . e x p e rt s y s t e m o f s t o r i n g m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n h a s b e e n b u i l t . t h e e x p e rt s y s t e m c o n s i s t s o f g r a i n s t a t u s f a u l t d i a g n o s i s e x p e rt s y s t e m a n d m e c h a n i c a l v e n t i l a t i v e c o n t r o l l i n g e x p e rt s y s t e m . e x p e rt s y s t e m i s b a s i c a l l y m a d e u p o f f a c t b a s e , k o w n l e d g e b a s e , r e a s o n i n g m e c h a n i s m , i n t e r p r e tt i n g m e c h a n i s m a n d h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e . i n t h e e x p e rt s y s t e m t h e d a t a o f g r a i n s t a t u s fr o m f a c t b a s e a r e c o l l e c t e d a n d m a d e t h e s t a t i s t i c s . t h e r e s u l t s o f s t a t i s t i c s w i l l b e t a k e n o u t t o m a t c h w it h r e g u l a t i o n s i n t h e k n o w l e d g e b as e . i f t h e ma t c h i n g r e g u l a t i o n i s f o u n d , t h e o n l y r e a s o n i n g s o l u t i o n w i l l b e a v a i l a b l e f o r s u r e . i n t e r p r e tt i n g m e c h a n i s m w i l l p r o v i d e t h e r e a s o n i n g t r a c k a n d e x p l a n a t i o n o f t h e v e r y r e as o n i n g r e g u l a t i o n . h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e m a i n l y p r o v i d e t h e i n t e r f a c e b e t w e e n u s e r s a n d k n o w l e d g e b a s e p l u s i n p e r p r e t m e c h a n i s m . k e y w o r d s i n t e l l i g e n t c o n t r o l , m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n , d a t e b a s e , e x c e p t i o n d i a g n o s i s , e x p e r t s y s t e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 日期: 2 .o 叮1 2 黄 积友 .z 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日 期:z .o o 5 . 4 , 补 y 3 : 赵洛澎 导师签名: 签字日期:2 0 0 6 一 a、 a: 3 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的目的和意义 粮食是国民经济的基础，是关系到国计民生的特殊战略物资。粮食的数量、 质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。因此，粮食问题始终是 党中央、国务院密切关注的重点问题。 在当前农业和农村经济发展的新阶段，从 我国 粮食流通实际状况出发，依靠粮食仓储科技进步，提高粮食安全储藏技术水 平， 对贯彻国 务院 颁布的“ 农业科技发展纲 要( 2 0 0 1 2 0 0 5年) ， ， 促进以“ 三项政 策、一项改革”为主要内容的粮食流通体制改革和农业产业结构战略性调 整，保 持粮食生产能力，增加农民收入，保护农民利益和种粮积极性，稳定粮食市场， 保证国家粮食安全等方面， 均具有重大意义。同时，也是迎接中国加入wt o带来 的机遇和挑战不可缺少的重要措施。 粮食收购与储藏是粮食流通过程中的重要环节。目前，我国的粮食产量、流 通量、储存量均居世界首位。到2 0 3 0 年我国人口将增加到 1 6 亿，能否解决如此 众多人口的吃饭问题，除了继续依靠农业革命和技术进步外，保持必要、合理的 国家粮食储备，是保障人民生活、保证社会稳定与持续发展的重要条件。目 前， 在我国仅中央专储粮一项，目 前已增至 1 2 0 0 亿斤， 加上2 0 0 亿斤战备粮， 共 1 4 0 0 亿斤。由于原有粮食收储企业的仓储条件差、技术水平低，造成在储藏过程中粮 食 “ 质”与 “ 量”损失惊人。特别是粮食品质陈化和劣变极为严重，据不完全统 计， 现有粮食库存中约有2 0 % 的粮食趋于陈化状态。以辽宁省为例，1 9 9 9 年全省 陈化粮调查统计测算为1 0 0 亿斤左右，至2 0 0 1 年5 月，已 处理陈化粮6 0 亿斤， 造成直接经济损失 1 6 亿元，若全部处理己有的陈化粮将约有2 7 亿元的经济损失。 为了改善仓储设施，1 9 9 8 年以来，国家利用国 债资金3 5 0 亿元，在全国范围内新 建1 0 2 0 亿斤仓容的国家粮食储备库， 切实改善了 储粮条件， 提高了仓容能力。 而 且新建的国储库都配备了粮温检测系统，可以连续监测粮情的变化。当粮温达到 一定限度时，人工进行通风处理。 而粮情变化一般与原粮含水率、 仓储环境温度 和湿度的变化有关，而这种处理方法没有达到对储备粮变化历史进行科学化的处 理，更不能对粮情变化情况做出准确预测。例如:原粮品质、原粮含水率、当前 储粮温度、湿度、仓内粮堆温度梯度、过去粮食温度及梯度变化、环境条件变化 对粮情末来变化情况的影响、粮仓在特定条件通风过程中粮情变化规律与粮情末 来变化规律的影响等等。一个科学化、智能化与自 动化的现代储粮安全保障体系 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的目的和意义 粮食是国民经济的基础，是关系到国计民生的特殊战略物资。粮食的数量、 质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。因此，粮食问题始终是 党中央、国务院密切关注的重点问题。 在当前农业和农村经济发展的新阶段，从 我国 粮食流通实际状况出发，依靠粮食仓储科技进步，提高粮食安全储藏技术水 平， 对贯彻国 务院 颁布的“ 农业科技发展纲 要( 2 0 0 1 2 0 0 5年) ， ， 促进以“ 三项政 策、一项改革”为主要内容的粮食流通体制改革和农业产业结构战略性调 整，保 持粮食生产能力，增加农民收入，保护农民利益和种粮积极性，稳定粮食市场， 保证国家粮食安全等方面， 均具有重大意义。同时，也是迎接中国加入wt o带来 的机遇和挑战不可缺少的重要措施。 粮食收购与储藏是粮食流通过程中的重要环节。目前，我国的粮食产量、流 通量、储存量均居世界首位。到2 0 3 0 年我国人口将增加到 1 6 亿，能否解决如此 众多人口的吃饭问题，除了继续依靠农业革命和技术进步外，保持必要、合理的 国家粮食储备，是保障人民生活、保证社会稳定与持续发展的重要条件。目 前， 在我国仅中央专储粮一项，目 前已增至 1 2 0 0 亿斤， 加上2 0 0 亿斤战备粮， 共 1 4 0 0 亿斤。由于原有粮食收储企业的仓储条件差、技术水平低，造成在储藏过程中粮 食 “ 质”与 “ 量”损失惊人。特别是粮食品质陈化和劣变极为严重，据不完全统 计， 现有粮食库存中约有2 0 % 的粮食趋于陈化状态。以辽宁省为例，1 9 9 9 年全省 陈化粮调查统计测算为1 0 0 亿斤左右，至2 0 0 1 年5 月，已 处理陈化粮6 0 亿斤， 造成直接经济损失 1 6 亿元，若全部处理己有的陈化粮将约有2 7 亿元的经济损失。 为了改善仓储设施，1 9 9 8 年以来，国家利用国 债资金3 5 0 亿元，在全国范围内新 建1 0 2 0 亿斤仓容的国家粮食储备库， 切实改善了 储粮条件， 提高了仓容能力。 而 且新建的国储库都配备了粮温检测系统，可以连续监测粮情的变化。当粮温达到 一定限度时，人工进行通风处理。 而粮情变化一般与原粮含水率、 仓储环境温度 和湿度的变化有关，而这种处理方法没有达到对储备粮变化历史进行科学化的处 理，更不能对粮情变化情况做出准确预测。例如:原粮品质、原粮含水率、当前 储粮温度、湿度、仓内粮堆温度梯度、过去粮食温度及梯度变化、环境条件变化 对粮情末来变化情况的影响、粮仓在特定条件通风过程中粮情变化规律与粮情末 来变化规律的影响等等。一个科学化、智能化与自 动化的现代储粮安全保障体系 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 在国内一直没有建立起来。正是由于缺乏与之配套的现代储粮安全保障体系，很 难确保中央储备粮品质良 好，不利中央储备粮垂直管理体系的生存和发展。因此， 研究并建立中央储备粮库安全储粮系统，实现储粮管理的科学化、智能化与自 动 化，已成为当前刻不容缓的一项重要研究任务。 粮仓机械通风控制专家系统开发目的是:一是实现储粮机械控制的自动化与 智能化，以减轻操作操作者的劳动强度;二是系统自 动积累通风经验，提高系统 的智能水平，以合理的选择参数设置，保证粮食品质，降低储粮成本，提高企业 的经济效益。本系统的智能性在于具有能够进行粮情温度变化长期统计分析自 学 习功能。这个功能主要体现在系统长期积累变化的数据，统计分析每次通风前后 仓内原粮品质、环境温度变化历程、温度变化情况与仓内粮食品质的关系，自 动 创建一个人机交互自 学习智能诊断分析专家系统。 1 .2课题研究的现状和发展 机械通风储粮技术近几年来有了 较大的发 展1 2 1 。 它的 作用不仅可以 均衡粮食 温度、防止水分迁移、降低粮食含水量，还能对粮食进行调质，改善其加工品质， 能在很大程度上减少储粮品质劣变，防止微菌和抑制害虫，另外，机械通风储粮 技术投资少、结构简单、布置方便、容易管理、大大减轻了劳动强度，因此，美 国专家称:有效的通风系统是现代工程技术对粮食储藏的主要贡献。 在国外，机械通风技术已 得到普遍使用。美国农村大部分的筒仓都配有固定 式通风设施;在法国，几乎所有，粮库都配有固定或移动通风设备;其他国家如 德国、阿根廷、日本及澳大利亚等国都广泛使用这一技术。目前世界各地对机械 通风储粮技术的研究主要集中在以下几个方面。 i . 应用机械通风冷却技术控制昆虫和霉苗的生长 如何防治储粮中的害虫，防止昆虫残物、真菌和微生物对粮食的污染，一直 是人们所关注的问题，在过去，化学防治是主要的防治方法，但是由于昆虫本身 的抗性和随着人们生活的提高，越来越注意到粮食中农药的残留及毒性，很多农 药已 不再使用， 注册和开发一种新农药要花费高额费用，从环境方面考虑，有些 农药的生产会对环境造成污染，也是不允许的。因此研究使用非化学物质防治的 方法来防治储粮中的害虫越来越受到人们的重视。机械通风冷却储粮技术是一种 非传统的、非化学处理的可用以防止粮食变质、昆虫生长的一项技术，通过通风 降 温使昆 虫在储粮生态环境中的生存力降低。 美国储粮专家 d e m a i e r 1 9 9 2年在 美国西部进行了这样的试验， 把储藏于四个容积相同的筒仓内的玉米，故意使它 们受到虫害感染， 然后采用四 种不同的处理方法熏蒸、通风冷却、通风、不通风， 一 2一 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 在国内一直没有建立起来。正是由于缺乏与之配套的现代储粮安全保障体系，很 难确保中央储备粮品质良 好，不利中央储备粮垂直管理体系的生存和发展。因此， 研究并建立中央储备粮库安全储粮系统，实现储粮管理的科学化、智能化与自 动 化，已成为当前刻不容缓的一项重要研究任务。 粮仓机械通风控制专家系统开发目的是:一是实现储粮机械控制的自动化与 智能化，以减轻操作操作者的劳动强度;二是系统自 动积累通风经验，提高系统 的智能水平，以合理的选择参数设置，保证粮食品质，降低储粮成本，提高企业 的经济效益。本系统的智能性在于具有能够进行粮情温度变化长期统计分析自 学 习功能。这个功能主要体现在系统长期积累变化的数据，统计分析每次通风前后 仓内原粮品质、环境温度变化历程、温度变化情况与仓内粮食品质的关系，自 动 创建一个人机交互自 学习智能诊断分析专家系统。 1 .2课题研究的现状和发展 机械通风储粮技术近几年来有了 较大的发 展1 2 1 。 它的 作用不仅可以 均衡粮食 温度、防止水分迁移、降低粮食含水量，还能对粮食进行调质，改善其加工品质， 能在很大程度上减少储粮品质劣变，防止微菌和抑制害虫，另外，机械通风储粮 技术投资少、结构简单、布置方便、容易管理、大大减轻了劳动强度，因此，美 国专家称:有效的通风系统是现代工程技术对粮食储藏的主要贡献。 在国外，机械通风技术已 得到普遍使用。美国农村大部分的筒仓都配有固定 式通风设施;在法国，几乎所有，粮库都配有固定或移动通风设备;其他国家如 德国、阿根廷、日本及澳大利亚等国都广泛使用这一技术。目前世界各地对机械 通风储粮技术的研究主要集中在以下几个方面。 i . 应用机械通风冷却技术控制昆虫和霉苗的生长 如何防治储粮中的害虫，防止昆虫残物、真菌和微生物对粮食的污染，一直 是人们所关注的问题，在过去，化学防治是主要的防治方法，但是由于昆虫本身 的抗性和随着人们生活的提高，越来越注意到粮食中农药的残留及毒性，很多农 药已 不再使用， 注册和开发一种新农药要花费高额费用，从环境方面考虑，有些 农药的生产会对环境造成污染，也是不允许的。因此研究使用非化学物质防治的 方法来防治储粮中的害虫越来越受到人们的重视。机械通风冷却储粮技术是一种 非传统的、非化学处理的可用以防止粮食变质、昆虫生长的一项技术，通过通风 降 温使昆 虫在储粮生态环境中的生存力降低。 美国储粮专家 d e m a i e r 1 9 9 2年在 美国西部进行了这样的试验， 把储藏于四个容积相同的筒仓内的玉米，故意使它 们受到虫害感染， 然后采用四 种不同的处理方法熏蒸、通风冷却、通风、不通风， 一 2一 东北人学硕士学位论文 第一章 绪论 在一年中测量不同时期粮食的温度、水分、霉菌的形成和害虫的头数，实验表明: 理想的冷却通风，能够保持谷物的最佳品质，是防治害虫和霉菌生长的一个有效 方法。 2 . 改进和加强通风系统的管理，保持粮食的品质 通风系统如果能够同温度监测系统联系起来，则通风技术是保持谷物品质和 降低设备操作费用的最好的保护技术，过去由于缺乏实践经验，使得通风系统的 装配和管理很差，正常的通风系统的管理要考虑以下几个方面。 ( 1 ) 供风管系统的设计要减少压力损失，正常的 流速为5 - 1 5 m / s o ( 2 ) 风机的型号要根据不同的 粮食品 种进行选择。 ( 3 ) 风机的工作方式的确定非常重要， 因为每升高8 5 0 帕斯卡的 静压就会导致 温度上升 1 度，而正常情况下静压为2 - 8千帕斯卡，因此除非粮仓的高度很低， 从技术角度看，采用吸气或将新鲜空气从粮仓顶部吸入，再从底部将废气排出， 这样可减轻压力，并取得更好的冷却效果; 通风季节每天要吸气4 - 1 0 小时，并要 待续几个晚上。 ( 4 ) 要采用温度调节器来控制温度。 法国储粮专家 7 c . l a s s e r a n , d . b e r h a n t 等针对上面的几个因素进行实验， 实验 在一个5 0 0 吨、高1 6 米的中型仓中进行。研究表明，在低温气候下，从夏季到秋 季经2 - - 3 次通风每次要持续几个晚上， 每夭 4 - 1 0 小时， 可将温度从 3 0 0 c降到 s c ( 在英国气候条件下) ，在冬天粮温可保持不变，并在春天有所上升，经过一年的 实践表明:不仅卫生状况良 好，而且粮食的品质没有变化。 3 . 机械通风系统计算机控制和控制器的研制 机械通风系统的计算机控制在我国八十年代就己开始研究，1 9 8 7年我国 吴子 丹 一等报道了储粮机械通风的计算机控制系统，根据在仓房内通风试验得到的数据， 建立一个数学模型表示粮食平衡水分的关系。用该模型编制电算程序，观察粮食 的通风效果，并根据物理参数的变化，确定控制通风的有效方式。1 9 8 8年王善顺 等报道了机械通风储粮与自动控制，并介绍了机械通风控制器的试验情况，澳大 利亚g i b 等专家最近研究了一种以p c 机为基础的可遥控和监侧通风系统的通风控 制器，该控制器包括一台p c机和相关的软件、气象预报台和粮堆中的灵敏元件。 它能灵活地、有效地控制通风系统，减少通风费用，并可以实行联网，从而不必 依靠仓库管理人员收集的情况， 就能得到通风系统的有关数据和系统的运行情况。 目前，他们正进一步完善该通风控制系统并建立通风过程中热量和物质水分转换 的数学模型。 4 . 适于粮食冷却通风的一神新颖的太阳能冷却通风系统 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 我们知道，对谷物进行冷却通风具有很大的功效，可减缓害虫的生长、保持 作物的良 好品质、降低由于粮堆中温差引起的水分转移，但是往往由于冷空气中 的相对湿度大，而使通风效果受到影响，对谷物通风不能使谷物的温度降到周围 的环境温度，因为高相对湿度的空气通风，会使谷物吸收其中的水分而释放出能 量，但相对湿度较低的空气往往温度又较高。目 前，澳大利亚正致力于研究一种 新型装置，即利用太阳能干燥二氧化硅胶体，使得空气相对湿度降低，在夜晚， 相对湿度大的冷空气经过这一装置等温干燥后通入粮堆中，使粮堆温度降低，这 一装置除需建两个简单低价的自 控阀外，对传统的通风系统不需增加其他设备。 我国的储粮机械通风技术的研究工作起始于2 0世纪 5 0年代。当时武汉、北 京、南京、苏州等地都采用过前苏联的机械通风装置，对稻谷或大米进行通风试 验， 取得了一些经验。 但是， 这一技术在我国的发展却很缓慢，直到1 9 8 6 年 “ 全 国 机械通风储粮技术经验交流会”之后，经过 “ 七五” 、 “ 八五” 、 “ 九五”国家攻 关课题的研究，机械通风设计的主要参数已经确定，并相继吸收在 “ 储粮机械通 ia 技术规程”中，在全国3 0 个省、市、自 治区得到推广和应用。 在2 0 世纪 8 0年代，储粮机械通风自 动控制技术已引起我国广大储粮工作者 的关注，并研究设计了多种多样的储粮机械通风控制设备。典型的产品有湖北蒲 诉市等地研制的t p - b型储粮机械通风自 控仪; 广东省粮食科学研究所和广东羊城 电子设备厂共同研制的d a 8 7 - 1 型储粮机械通风温差自 控器; 河南灵全市5 0 1 粮库 研制成功并由天津第二电子仪器厂批量生产的 e d 1 1 8 1 1 1 9型仓库定温、定湿自 动 通风控制仪等。这些装置在使用时，操作人员可根据通风目的和粮食的温度、水 分等参数，预先调定允许通风的大气温度范围和相对湿度范围，或预先调定开机 时间、关机时间，装置即可自 动控制风机的运行。这对于减轻操作者的劳动强度 具有明显作用。但是对操作者的经验和技术素质要求却很高。如果预置的通风条 件不当，可能造成不良的通风结果。同时这些装置也不能实时检测通风过程中有 关参数的变化，即使通风开始时的条件选择是正确的，也不能保险通风过程中不 出现影响通风效果的 “ 逆转点” 1 9 8 8 - 1 9 8 9年原商业部粮食储备局和天津市南开区中环电子设备厂根据粮食 通风数学模型，研制生产z h 1 2 6 型储粮机械通风微机自 动控制系统。该系统按通 风目的、粮种、水分等基本参数，实时检钡粮堆内外各种参数的变化，按照一定 的通风条件判断通风时机，实现通风过程的自 动控制。但该系统一些关键技术没 能解决，在推广应用中存在着一定的局限性:首先，系统设定的通风条件很难适 应我国广大区域不同自然气候条件、不同仓型、不同通风阶段储粮机械通风的需 要;其次，该系统是采用大功率移动式离心风机通风，通风时需要人工在通风口 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 处临时安装移动式离心风机，通风结束时又要拆卸风机;第三，该系统没有安装 由计算机控制的自动开关风门和自动开关窗，在通风开始时或不具备通风条件时 仍然需要人工到现场操作，实际上并不能实现通风过程的自 动化控制。 1 . 3本文的主要工作 本系统能够实现与现有的粮情监测系统连接，在系统运行过程中自 动引导粮 情监测系统对粮堆温度、仓内温度、仓内湿度和气象条件进行定时监测和动态监 测，并应用储粮机械通风专家系统中的粮情智能分析决策系统，根据储粮具体情 况 ( 粮食种类、质量、水分、当前粮情、虫害等) 、地理环境条件 所处储粮生态 区域、气候条件、当前季节和时段等)和仓房条件 ( 仓型、保温隔热性能、空气 温湿度等) ，对粮种、水分、温度变化率、临界值等参数进行综合、快速的智能分 析，自 动形成粮情整体变化趋势，给出客观的粮情分析结论。当粮情存在隐患时， 还将自 动找出粮情特殊点 ( 或异常点)并连续跟踪变化规律，及时输出预警预报 信息，从专家的角度提出操作建议。在开展通风期间，系统除实时监测和动态监 测粮情和气象条件以外，还通过储粮机械通风专家系统中的机械通风智能判断控 制系统，准确判断允许通风的各项条件，捕捉最佳的时机，自 动调整风机运行的 组合方式、运行时间、启停以及通风窗和通风门的开闭等，根据通风目的的不同 ( 降温、均温、排积热、降水、保水、调质) ，灵活开展自 然通风、降温通风、排 积热通风、环流均温通风、降水通风、调质通风、谷物冷却机通风、保水降温通 风、正负压通风这 9种储量通风操作，并实现通风的全自动控制和经济高效智能 控制。 本文的主要工作有以下几个方面。 ( 1 ) 首先根据现场生产条件， 完成该系统的硬件控制柜的设计， 根据控制柜的 大小对电 器元件进行强电和弱电的布置，并画出机械通风强电控制图和p l c弱电 控制图。 ( 2 ) 用o m r o n提供的c x es p r o g r a m m e r 设计p l c 梯形图， 当软件根据不同的 通风方式对内部继电器写入控制字后， 利用p l c载入的程序， 完成风机延时启动、 停止，通风门通风窗的开启、闭合及其通风门 通风窗与风机的连接与自 锁。 ( 3 ) 针对通风目 的和通风方式的多元化， 开发了 控制系统软件。 主要包括p l c 无线通讯部分的实现、通风控制模块、硬件诊断模块。 ( 4 ) 通过对数据库粮情信息的提取，获得各个测温结点的温度。根据三维 s e r e n d ip i ty 8节 点 线性单 元构 造插 值函 数， 将计 算机图 形学 与 粮 情监 测系 统相 结 合，用图形显示粮堆的温度分布，得到类似有限元分析结果的三维彩色云图，以 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 处临时安装移动式离心风机，通风结束时又要拆卸风机;第三，该系统没有安装 由计算机控制的自动开关风门和自动开关窗，在通风开始时或不具备通风条件时 仍然需要人工到现场操作，实际上并不能实现通风过程的自 动化控制。 1 . 3本文的主要工作 本系统能够实现与现有的粮情监测系统连接，在系统运行过程中自 动引导粮 情监测系统对粮堆温度、仓内温度、仓内湿度和气象条件进行定时监测和动态监 测，并应用储粮机械通风专家系统中的粮情智能分析决策系统，根据储粮具体情 况 ( 粮食种类、质量、水分、当前粮情、虫害等) 、地理环境条件 所处储粮生态 区域、气候条件、当前季节和时段等)和仓房条件 ( 仓型、保温隔热性能、空气 温湿度等) ，对粮种、水分、温度变化率、临界值等参数进行综合、快速的智能分 析，自 动形成粮情整体变化趋势，给出客观的粮情分析结论。当粮情存在隐患时， 还将自 动找出粮情特殊点 ( 或异常点)并连续跟踪变化规律，及时输出预警预报 信息，从专家的角度提出操作建议。在开展通风期间，系统除实时监测和动态监 测粮情和气象条件以外，还通过储粮机械通风专家系统中的机械通风智能判断控 制系统，准确判断允许通风的各项条件，捕捉最佳的时机，自 动调整风机运行的 组合方式、运行时间、启停以及通风窗和通风门的开闭等，根据通风目的的不同 ( 降温、均温、排积热、降水、保水、调质) ，灵活开展自 然通风、降温通风、排 积热通风、环流均温通风、降水通风、调质通风、谷物冷却机通风、保水降温通 风、正负压通风这 9种储量通风操作，并实现通风的全自动控制和经济高效智能 控制。 本文的主要工作有以下几个方面。 ( 1 ) 首先根据现场生产条件， 完成该系统的硬件控制柜的设计， 根据控制柜的 大小对电 器元件进行强电和弱电的布置，并画出机械通风强电控制图和p l c弱电 控制图。 ( 2 ) 用o m r o n提供的c x es p r o g r a m m e r 设计p l c 梯形图， 当软件根据不同的 通风方式对内部继电器写入控制字后， 利用p l c载入的程序， 完成风机延时启动、 停止，通风门通风窗的开启、闭合及其通风门 通风窗与风机的连接与自 锁。 ( 3 ) 针对通风目 的和通风方式的多元化， 开发了 控制系统软件。 主要包括p l c 无线通讯部分的实现、通风控制模块、硬件诊断模块。 ( 4 ) 通过对数据库粮情信息的提取，获得各个测温结点的温度。根据三维 s e r e n d ip i ty 8节 点 线性单 元构 造插 值函 数， 将计 算机图 形学 与 粮 情监 测系 统相 结 合，用图形显示粮堆的温度分布，得到类似有限元分析结果的三维彩色云图，以 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 便用户即时发现粮堆的温度变化情况，从而发现异常及时处理。 ( ) 构建储粮机械通风专家系统， 其中 包括粮情故障诊断专家系统和机械通风 控制专家系统两部分。专家系统主要包括事实库、知识库、推理机、解释机、人 机接口 这 5个方面内容。从事实库中提取粮情数据进行统计，统计结果与知识库 里的规则进行匹配，即正向推理得到结论。解释机可向用户显示推理路径和推理 规则的详细解释。人机接口主要提供用户与知识库和解释机的接口。 东北大学硕士学位论文第二章 储粮机械通风控制系统硬件设计 第二章 储粮机械通风控制系统硬件设计 2 . 1硬件方案 本系统采用中央控制室的p c机基于现场控制柜中的o mr o n p l c组成计算 机集散式控制系统， 通过s t r - 1 5 型微功率无线通信系统将两者连接起来。 中央控 制室的p c机软件与原有的粮情测控系统的数据库连接， 获取粮情信息。 当中央控 制室的p c 机通过无线通信系统向 现场的p l c系统发出通风起止命令时， 现场p l c 系统通过强电控制继电器系统有序开启或关闭粮仓的通风窗、通风门及其它通风 设备，同时现场p l c系统向中央控制室的p c机报告现场各个设备的状态，并在 系统界面显示出来，确保粮仓通风过程实现全自 动化控制。系统硬件控制流程如 图2 . 1 所示。 图2 . 1储粮机械通风智能控制系统硬件 f i g .2 . 1 g r a i n m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m h a r d w a r e 系统硬件由中央控制室的p c机、 无线通讯模块、 p l c电 器控制系统、 通风系 统电控设备、自 控开启保温通风窗和保温通风门、各种通风电机六部分组成， 。 硬件部分包括强电和弱电两部分。 p l c由隔离变压器供电， 利用s t r - 1 5 型微 功率无线发射模块接收到命令，根据其改变自 身内部寄存器中的相应值，实现对 p l c输出口辅助继电器的控制。一部分辅助继电器控制与其常开触点相串联对应 交流接触器的开启和闭合，另一部分辅助继电器的常开触点代替自动通风窗通风 门的打开和关闭触点，控制通风窗通风门的打开和关闭。弱点部分是从p l c到控 制柜，完成对交流接触器的开启和闭合。强电部分是由交流接触器控制仓顶的 4 台排风扇和仓底的 3台离心风机或者可逆转轴流风机的起停，辅助继电器控制自 东北大学硕士学位论文第二章 储粮机械通风控制系统硬件设计 第二章 储粮机械通风控制系统硬件设计 2 . 1硬件方案 本系统采用中央控制室的p c机基于现场控制柜中的o mr o n p l c组成计算 机集散式控制系统， 通过s t r - 1 5 型微功率无线通信系统将两者连接起来。 中央控 制室的p