（机械设计及理论专业论文）储粮机械通风智能控制管理系统的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 储粮机械通风智能控制管理系统的研究与开发 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。 针对当前安全储粮的紧迫性，本文根据由中华人民共和国国家粮食局发布的 储粮机械通风技术规程，并结合辽宁省前进国库的现场生产条件，成功地完成 了储食机械通风智能控制管理系统的研究与开发。本系统以确保储粮条件，减少 储粮损失为主要目标，重点对储食机械通风标准进行深入研究，最终实现灵活而 稳定的控制储粮机械通风和准确地掌握稂情变化规律。 本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 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，并确保通过该 控制柜能够准确控制仓底的离心风机和仓顶的轴流风机，以实现规程所要求 的4 种通风。 ( 2 ) 国内大部分粮库都有各自的粮温采集系统，它们的数据存储主要采用二进 制文件保存和数据库保存，针对这两种存储方式，本系统分别采用动态数据交换 法和数据库读取法来提取数据。然后将这些数据存储为二迸制的文件，这样不仅 能够节省存储空间，而且有利于数据的读写。 ( 3 ) 对于通风判断过程，在此根据规程的4 种机械通风的起动和停止条件， 将通风条件处理成逻辑算法，并实现储食机械通风的智能控制管理。然后根据通 风判断结果，通过对通信链路层r s 2 3 2 到r s 4 2 2 的标准转换完成计算机和p l c 的远距离的帧交换，最终实现对风机的控制。 ( 4 ) 设置入粮仓水分输入接口，并根据输入的水分值计算出粮食的温度梯度和 水分梯度，这样更容易掌握当前粮食情况。 ( 5 ) 通过单点历史数据统计模块和全局历史数据分析模块，总结出通风前过程 前，通风后和通风过程中粮情的变化规律，并确定储粮管理的最佳工艺参数、最 佳工艺措施和节能方式，从而避免粮情劣变，挠匣经济损失。 东北大学硕士学位论文摘要 关键词智能控制动态数据交换数据库机械通风故障诊断 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha 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 tc o n t r o l a n d m a n a g e m e n ts y s t e m o f s t o r i n gg r a i n m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n a b s 打a c t c h i n ai sah u g e a g r i c u l t u r a lc o u n t r y ，a n d t h en a t i o n a le c o n o m i c s y s t e mi sb a s e do n g r a i n a l t h o u g h t h et o t a lo u t p u to f g r a i ni su pt o5h u n d r e dm i l l i o nt o n se v e r yy e a r , o n l y 8 0 p e r c e n to f t h e m i su s e dr a t i o n a l l y t h em a i nr e a s o nf o rt h i sl o s e si st h a tm o s to f g r a i n w a r eo u ta n db e c o m eb a d i nt h ec o u r s eo f s t o r i n g t h eg r a i n r e s e a r c h i n gf o rm a n y y e a r s ， d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le x p e r t sh a v ec o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o s ts u i t a b l e m e t h o do fr e d u c i n gl o s e si st oa e r a t et h eb a r na tt h ep r o p e rt i m ea n dg u a r a n t e et h e s t o r i n gc o n d i t i o n b u ts of a rt h e r eh a s n o tb e e nas c i e n t i f i c ，i n t e l l i g e n t ，a u t o m a t i ca n d m o d e r ns a f es e c u r i t ys y s t e mo f s t o r i n gg r a i n a st ot h eu r g e n c yo f s t o r i n gu pg r a i ns a f e l ya tp r e s e n t ，w eh a v ea c c o m p l i s h e dt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mo f m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o ni nt h es t o r e so f g r a i n c o m b i n e dw i m t h eo n t h e - s p o tc o n d i t i o no fq i a n j i n n a t i o n a l t r e a s u r y i n l i a o n i n gp r o v i n c e ，a n da c c o r d i n g t ot h er u l e so fm e c h a n i c a l v e n t i l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h es t o r e so fg r a i n a i m i n ga te n s u r i n gt h ec o n d i t i o ni nt h e s t o r e so f g r a i na n dr e d u c i n gl o s e s t h es y s t e mp u t sa ne m p h a s i so n t h ef u r t h e rr e s e a r c h o fm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nr u l e si nt h es t o r e so fg r a i n ，a n di tc a nf l e x i b l ya n ds t e a d i l y c o n t r o ls t o r i n gg r a i nm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o na n dm a s t e rt h el a wo fg r a i nc o n d i t i o n c h a n g e a tl a s t t h em a i nc o n t e n t sa r en u m e r a t e d i sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n g t ot h eo n - t h e - s p o tc o n d i t i o n ，w ef i n i s ht h ed e s i g no fh a r d w a r ec o n t r o l s y s t e m t oc o n t r o lt h ec e n t r i f u g a lf a na tt h eb o t t o mo f b a r na n dt h ee x i l ef a no nt h et o po f b a m ，s ot h a tw ec a n r e a l i z e4k i n d so f v e n t i l a t i o n s ， 2 m o s to fd o m e s t i c g r a i nd e p o t s h a v et h em e a s u r e m e n t s y s t e m o fg r a i n t e m p e r a t u r e ，a n dt h e i rd a t aa r eo f t e ns a v e di nb i n a r yf i l eo rd a t a b a s e a s t ot h e2s t o r e w a y s ，o u rs y s t e mg e t sd a t af r o mo r i g i n a lg r a i nd e p o t sr e s p e c t i v e l yb yt h em e a n so f d y n a m i cd a t ae x c h a n g em e t h o da n dr e a d i n gd a t a b a s em e t h o d ，t h e ni t s a v ed a t ai n b i n a r yf i l e s ，s oi tc a n n o t o n l y s a v es t o r e s p a c e ，b u ta l s ob e n e f i t sa c c e s s i n g d a t a ， 3 a st ot h ep r o c e s so fv e n t i l a t i o nv e r d i c t ，w ed r a wt h el o g i ca r i t h m e t i cf r o ms t a r t a n ds t o p q u a l i f i c a t i o n so f4k i n d so fv e n t i l a t i o n s i nr u l e s ，a n dc a r r yo u ti n t e l l i g e n t i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o la n dm a n a g e m e n to fm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ni nt h es t o r e s o f g r a i n t h e n ， a c c o r d i n g t 0t h er e s u ro fv e n t i l a t i o nv e r d i c t ，w ec a ne x c h a n g ef r a m e sb e t w e e np ca n d p l c ，a n dc o n t r o lf a n sb ys w i t c h i n gr s 2 3 2s t a n d a r dt or s 4 2 2s t a n d a r do nt h ec h a i n f l o o r 4 t h es y s t e ms e tt h ei n t e r f a c eo f b a r nm o i s t u r ei n p u t ，a n dg e t st e m p e r a t u r eg r a d e a n dm o i s t u r eg r a d eo f b a r nf o r mi t s oa st ol e a r nc u r r e n tg r a i nc o n d i t i o ne a s i l y 5 i nt h ef a v o ro fs i n g l e - p o i n th i s t o r yd a t as t a t i s t i cm o d u l ea n dt o t a lh i s t o r yd a t a a n a l y s e sm o d u l e ，w ec a ns u m m a r i z eb a r nc o n d i t i o nc h a n g el a w so f a h e a do f , b e h i n d a n di nc o u r s eo fv e n t i l a t i o n ，a n dg e tt h eo p t i m a lt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ，t h et e c h n o l o g y m e a s u r e sa n dw a y so fs a v i n ge n e r g y ，s ot h a tw ec a na v o i dg r a i n sb e c o m i n gb a da n d r e d e e me c o n o m i c a li o s e s k e y w o r d s i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，d y n a m i c d a t a e x c h a n g e ，d a t a b a s e ，m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s e s v 一 声明 本文声明所呈交的学位论文是在导师指导下完成的。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，也不包括本人获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同学和老师对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 西酬 沙她1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 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w t 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，目前己增至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，若全部处理已有的陈化粮将约有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 对粮隋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1 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。 储粮机械通风智能控制管理系统的开发目的有两个：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。我辽宁省粮食科学研究所与东北大学联合研究开发了储粮 机械通风智能控制管理系统。本系统功能是实现储粮机械通风过程的自动控制， 并定时记录根据粮情的变化情况，根据系统设置的功能需求，可以实现降温通风、 降水通风、调质通风和排热换气，对通风过程历史数据，可以实现统计分析，排 印出报表，指导管理人员具体操作。 1 2 课题研究的现状和发展 储粮机械通风技术的研究始于2 0 世纪3 0 年代，但一直到2 0 世纪5 0 年代才 在美国、英国、法国、荷兰、澳大利亚、俄罗斯、日本和阿根廷等国家得到推广 和应用。在过去5 0 多年中，各国学者对通风储粮的机理、通风条件下粮堆内部的 物理状态变化规律等作了广泛的研究，取得了许多有实际应用价值的研究成果， 使机械通风储粮技术形成一门独立的学科。 在一些发达国家，机械通风储粮技术已形成标准化和规范化，同时有一系列 的标准装置和完善的管理规程，有的已把计算机应用于储粮机械通风，实现机械 通风过程的全自动化控制。他们采用通风储粮技术的目的，一是降低储粮温度， 改善储藏条件，延长谷物防护剂的药效；二是干燥高水分粮，以利安全储藏，如 在澳大利亚新南威尔士州的稻谷生产区，通风降水已成为处理高水分稻谷( 水分高 达2 3 1 的主要手段，基本上取代了烘干机。 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 风技术规程中，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 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 坼市等地研制的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 l l 8 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 l 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，实时检测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 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 本文以辽宁省“前进”国家粮库的3 2 座浅圆仓为研究对象，每隔1 0 到3 0 分 钟从每个粮仓里读取大约2 0 0 个数据。然后根据储粮机械通风技术规程的有 关标准，对提取来的数据进行温度和湿度处理，判断出哪个粮仓满足相对应的通 风条件而启动电机。最终实现粮仓内部温度和湿度恒定或避免粮食局部变质。同 时也要对采集的数据进行局部、单点和全局历史变化进行比较分析，从中提取粮 仓或仓内某点温度在一年内的变化趋势。本文的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 根据“前进”国家粮库的实际情况对系统进行全面分析，构造了储食机械 通风控制系统的硬件和软件，设计出一套储食机械通风自动化管理控制系统。 ( 2 ) 对硬件部分的控制柜进行了强电和弱电的设计和开发。 f 3 ) 初始p l c 内部程序，满足每隔一端时间输出一个闭合量，然后用s y s m a c 将程序载如p l c 存储单元。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 4 ) 利用动态数据交换( d d e ) 从o p l 2 0 0 0 中读取数据，或通过访问s q l s e r v e r 读取二进制大数据( b l o b ) 2 1 1 密数据库。 ( 5 ) 将规程的通风条件处理为逻辑算法，并根据需要进行通风的仓号和类 型向p l c 发送帧命令。 ( 6 ) 实现当前粮仓水分输入，并将温度和水分转换为温度梯度和水分梯度。 ( 7 ) 记录所有历史数据，分析通风前、通风后和通风过程中的数值变化，找出 通风数据变化规律，并实现全局历史趋势分析，确定工艺参数，工艺措施和节能 方式，掌握储粮机械通风规律。 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 第2 章储食机械通风系统的总体设计 2 1 系统组成 沈阳前进中央直属粮库扩建工程是国家计委、国家粮食储备局以计粮办 1 9 9 8 1 5 9 5 号文件批准建设的。在原库区扩建浅园仓3 2 座，总仓容7 5 万吨，新 扩建的3 2 个浅圆仓，呈四排布置，每排8 个浅圆仓，仓内径2 5 米，装粮高度1 6 5 米，单仓容量6 2 0 0 吨，四排浅圆仓之间间距为3 米，仓与仓之间间距5 米。每个 仓体四周有4 个7 5 k w 的离心风机来实现向仓体内部鼓风，仓顶有两个1 1 k w 的 轴流风机来完成从仓体内部向仓外排风。浅圆仓具有占地面积小，适应性强，便 于实现粮仓机械化，并且防鼠、防雀、防火、防水条件好。浅圆仓采用了目前国 内和国际先进的储粮技术，每栋仓都配置了储粮机械通风系统，保粮熏蒸系统， 粮情检测系统和谷物冷却机。通过上述设备，可随时进行粮情检测，通风降温， 粮食熏蒸杀虫杀菌确保粮食安全。 结合“前进”国家粮食储备库的浅圆粮仓结构及储粮机械通风技术规程， 根据粮库现场实际情况，经过全面的系统分析，设计出3 2 仓储食机械通风控制系 统，如图2 1 所示。 l j 输入 一一输出 图2 - 1 储食机械通风系统组成 f i g 2 - 1t h ec o m p o s i t i o no f s t o r i n gu pg r a i n m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ns y s t e m 图中k 1 ，k 2 ，k 3 2 指的是各个粮仓所配备的控制柜。由图2 - 1 可以看出， 系统通过输入线从o p l 2 0 0 0 ( 数据采集系统) 中读取实际数据，系统的检测数据根据 系统设定的值和粮情变化情况，自动处理统计分析数据，判别通风系统的启动条 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 件，然后通过系统串行总线将指令下达给控制柜内的p l c ，启动通风系统；当粮 温下降到指定值时，再下达停机指令，停止通风系统各电机。同时记录每次通风 的时间、当时的温度条件和通风前后变化情况，进行长期地统计分析，积累历史 数据，由自学习算法和人工输入语言描述相互配合，建立系统智能知识库，对系 统进行自行诊断处理。当达到粮情危机临界条件时，给出提示信息和以往的处理 办法，使粮仓降温或改善其它储粮条件，最后再由o p l 2 0 0 0 返回通风后的实际数 据。这样依次循环下去，直到粮仓内部的实际数据满足设定值及停止通风的条件 后，系统就发出停机命令，完成通风。 系统主要由三部分组成：软件部分，从o p l 2 0 0 0 到p l c ，负责从o p l 2 0 0 0 中 读取数据，完成实际数据和设定值的比较计算并向p l c 发出命令：弱电部分，从 p l c 个控制柜，完成对交流接触器的开启和闭合；强电部分，从控制柜到个粮仓， 主要实现控制通风电机。 2 2 硬件方案 p l c 仓顶轴流j 控制系统 仓顶 轴流风机 计算机k - t 骼2 转3 2 换- - r 器s 4 2 2h 孔嗜黼辫强h 离怠 图2 - 2 储粮机械通风智能控制系统硬件 f i g 2 - 2h a r d w a r eo f s t o r i n g u pg r a i n m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 控制系统硬件包括p l c 仓顶轴流风机控制系统和仓底离心风机控制系统两部 分。而根据各粮库的具体情况，仓顶轴流风机控制与仓底离心风机控制可配置多 套。根据具体情况，配置方案可由实行一个p l c 控制1 6 个仓的通风电机( p l c 加 扩展单元) 。 2 2 1 粮食通风控制硬件原理 ( 1 ) 强电控制原理 为了便于说明问题，我们以单仓为研究对象，其它各仓原理相同。根据前进 库现场条件，每个粮仓的通风过程由4 台7 5 k w 的仓底离心风机和2 台1 1 k w 的 仓顶轴流风机来完成，要求每隔1 分钟起动一台风机，其中有2 台风轴流风机要 同时起动。我们选用5 个空气开关和5 个交流接触器来控制电机的开启，具体原 理实现如图2 - 3 所示。 在储食机械通风强电控制原理图中，3 8 0 v 的三相电从a 、b 、c 端进入， 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 & o ii6 愈 严引 、 a - 、 k 、 l 主6 基l 嗡l 2 3衄3m 3 札2l 2 2 啦3时3 a 3q 2 llli q t l 精鞘鞲鞴鞴_ 谢 q f o 、q f i 、q f 2 、q f 3 、q f 4 、q f 5 一空气开关：k m l 、k m 2 、k m 3 、k m 4 、k m 5 一交流接 触器；f u l 、f u 2 、f u 3 、f u 4 、f u 5 一熔断器；a 、b 、c 、c 4 、n 一分别指a 相、b 相、c 相、 中线；c 与q f 0 之问的元件是电磁线圈。 图2 - 3 储食机械通电机控制原理图 f i g 2 - 3s t o r i n gu pg r a i nm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nc o n t r o lm o t o rp r i n c i p l e 经过总空开q f 0 分别连接到l a 、l b 、l c 上。为了在特殊情况下控制各个电机的 开启与闭合，我们在l ：m 和l n 之间串联5 个小空开，这样不仅能够保证现场操作 的方便和安全，而且能够对交流电机起到过载保护的作用。根据要求，要同时开 启最后两台风机，所以选用交流接触器k m 5 来控制两台风机。图中右面有三个指 示灯和一个电流表，用来显示各相通电情况和当前电流大小。 在单仓的方案中我们将p l c 和其他电器元件一起放在了控制柜里，这里从l a 和l n 引出两条线用来给p l c 提供电源。在工业生产中，电流、电压不很稳定， 经常会产生跃变，这样将有可能损坏p l c 中的部件。为了克服上述困难，我们在 l a 和l n 和p l c 之间连接了一个隔离变压器，用来剔除输入电流中的毛刺，以保 证p l c 正常工作。 在正常情况下，总空开和其它5 个小空开全都闭合，最后由继电器( 中间继电 器) 来闭合k m 主交流接触器开启风机。 r 2 ) p l c 控制系统电路原理 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 3 彗要 占占5 t n ：l ，2 ，3 - 4 ，5 】 c p m i a 一2 0 c d r - a v 1 ：o m r o n p l c ：q f o 、q f i 、q f 2 、q f 3 、q f 4 、q f 5 ：空气开关：k m l 、 k m 2 、k m 3 、k m 4 、k m 5 ：交流接触器；j i k m 、j 2 k m 、j 3 k m 、j 4 k ，、j s k m ：继电器。 图2 4 储食机械通风p l c 控制原理图 f i g 2 - 4s t o r i n gu pg r a i nm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o np l cc o n t r o lp r i n c i p l e 图2 - 4 为储食机械通风p l c 控制系统电路原理图。其核心部件是 c p m l a - 2 0 c d rp l c ，它有1 2 个输入和8 个输出。为了避免p l c 受到强电电流的 影响，我们将p l c 的5 个输出和交流接触器之间连接了5 个中间继电器 j 1 k m ，j 2 k m ，j 3 k m ，j 4 k _ m 和j 5 k m 。图左下角的小图说明继电器是如何控制交流 接触器的，当p l c 输出闭合时，继电器输出闭合也就使l a l n 导通，进而导通交 流接触器。 在这里p l c 即能实现对交流接触器的控制，又可以利用输入端的闭合情况来 实时反映空气开关和交流接触器工作情况。由于微机可以通过读取p l c 的返回信 息，判断输入口0 0 一1 1 输入开关量的连通情况，这样只须将空气开关和交流接触器 的触点接入p l c 的输入端口，就可以通过p l c 返回信息来确定各元件的工作状态。 2 2 2 硬件实现 根据强电控制原理和p l c 系统控制电路原理，我们设计的硬件结构如图2 5 所示。电流互感器为电流表提供电流信息：总空开控制控制电压3 8 0 v ，下面的5 个小空开都是2 2 0 v ，它们分别控制最下层的5 个交流接触器的供电情况；变压器 辫 、一 h 甲_对“。 东北大学硕士学位论文第2 章储食机械通风系统的总体设计 在为p l c 供电的同时也起到保护的作用。 图2 5 储食机械通风控制柜布局幽 f i g 2 5s t o r i n gu pg r a i nm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nc o n t r o lb o xl a y o u t 2 3 软件方案 2 3 1p l c 载入程序 可编程控制器p l c 的程序载入有两种常用的方法，一是利用编程器写入，二 是利用产品的相应p l c 编程软件通过微机的串行口写入；这里我们采用了欧姆龙 p l c 编程软件s y s m a c c p tv i o l 。通过此程序我们可以规定p l c 通讯的各种参 数设置，这里采用的设置如下： 端口：c o m l ； 波特率：9 6 0 0 ； 数据位：7 ； 奇偶校验：无： 停止位：2 ； 流量控制：无。 载入成功之后，任何与此p l c 的相关通讯的参数设置都要和以上设置相同， 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 否则上位机和下位机的通讯将无法完成。 2 3 2 系统软件设计 根据现场采集的数据情况，用户层上的系统程序主要由一个主界面、三个参 数设置界面和三个辅助界面组成，图2 - 6 为系统功能的主界面图。 图2 - 6 系统主界面 f i g 2 - 6m a i ni n t e r f a c eo f s y s t e ms o f t w a r e 本系统功能是实现储粮机械通风过程的自动控制。并定时记录根据粮情的变 化情况。根据通风参数的设置，可以实现降温通风、降水通风、调质通风和排气 换热通风，并同时记录通风过程历史数据，实现统计分析，排印出报表，指导管 理人员具体操作。从系统设计角度，本系统历史数据存储，采用二迸制数据存储， 自定义数格式。和通用的数据库相比这种数据格式的特点是节省存储所用的磁 盘空间，适合于海量实时数据的存储。这种处理方法为建立全智能的自动通风控 制系统奠定了基础，也为仓储粮食的保质、保鲜的理论与试验研究积累了试验数 据。本系统正进行自组织自学习智能系统的进一步开发工作。 图2 7 为系统现有软件的功能方块图。按功能可划分为仓结构搜索与设置模 块、p l c 通信模块、系统故障诊断与监测模块、粮堆及环境数据获取模块、通风 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 控制模块、采样周期设置模块、数据统计分析及打印处理模块。图2 8 为系统软件 与数据结构方框图，这里以数据结构和数据文件为基础，以数据在模块间的连接 为纽带，将所有系统模块和系统窗口紧密的联系在一起。 i 一一一一一_ j 匠两丽一一一一一一一 2 3 2 1 系统功能模块 图2 7 系统软件功能框图 f i g 2 7b l o c k - d i a g r a mo f s y s t e ms o r f t w a r e ( 1 ) 结构搜索与设置模块 粮仓的结构参数是系统数据结构的前提条件。它直接影响数据的采集，存储 和比较，是系统正常运行不可缺少的条件。由于o p l 2 0 0 0 系统并没有输出粮仓的 结构参数，所以我们根据o p l 2 0 0 0 系统的输出数据格式建立了结构搜索和设置模 块。仓结构设置由两个模块组成，即自动搜索模块和仓结构设置模块。仓结构参 数存储在系统的结构文件( s t r u c t d a t ) 中。当系统会自动查找此文件，如果能够 查找到该文件，则将对应系统参数所设仓号的结构数据读入；否则，调用自动搜 索程序，根据测温系统是通过数据库方式还是d d e ( w i n d o w s 动态数据交换) 方 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 图2 - 8 系统软件与数据结构方框图 f i g 2 - 8b l o c k d i a g r a mo f s y s t e ms o f t w a r ea n ds t r u c t u r eo f d a t a 式共享测温数据，在数据中搜索仓的结构，包括有多少仓与系统连接，每个仓体 的测温电缆有多少根，每根电缆有几个节点，存入仓结构文件中。而仓结构设置 模块完成电缆豹有效结点数和粮层高度的设置。 ( 2 ) p l c 通信模块 p l c 透信是控制软件系统设计中的重要环节，它直接决定着上位机对下位枫 控制效果。p l c 通信模块主要完成向p l c 发送启动、停机、读取p l c 输入输出口 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 的状态等，配合系统控制与故障状态诊断功能，p l c 通信包括发送和接收两个模 块，通信使用微软m s c o m m 控件。 ( 3 ) 系统故障诊断与监测模块 控制硬件诊断信息由两部分，一个在主界面上状态反映的硬件连接信息，另 一部分是运用动画显示硬件信息，即系统设置了专用的诊断窗口，如图2 5 所示。 在系统处于停机状态时，主界面底部状态条显示电机安装与否及各电机的电源准 备是否就绪；当处于通风状态时，主界面底部状态条显示各交流接触器的闭合情 况。当系统诊断窗口被打开时，界面中没有就绪的部件会产生闪动的效果。 ( 4 ) 采样周期设置模块 在亚热带地区，四季的气候对粮食储藏的影响各不相同。春秋温差较大，粮 食温度变化就快，虽然夏季温差不大，但夏季温度较高而且湿度很大，也是通风 最频繁的时候。所以为了能够及时改变通风频率，使系统具有更强的适应性，我 们建立了采样周期设置模块，采样周期共有两项内容，即仓内外湿度温度和粮堆 温度的获取周期和历史数据的存储周期。粮情采集周期可由1 分钟到1 个小时任 选，而历史数据存储周期可从1 0 分钟到2 4 小时之间任意选择。 ( 5 ) 粮堆及环境数据采集模块 在国内，很多库点已配置了粮情检测系统。对于已有粮情检测系统的库点， 储粮机械通风智能控制管理系统不配置粮温检测系统：对于新建粮库，本系统可 以配置我们自己的粮温度检测系统。粮堆及环境数据获取模块根据粮情采样周期 设置要求，定时地利用d d e 通信或通过o l ed b 在系统数据库中提取最新的粮堆 温度和仓内外温湿度的检测数据，并按历史数据采样周期的要求定时存储数据于 历史记录系统中。 ( 6 ) 通风控制模块 通风控制是本系统的核心，它是启动电机的根本。其算法要遵守中华人民共 和国患食彳亍业际准和实际生产要求，专为通风过程中对粮情跟踪分析使用的。可以 对通风过程分析，通过对过程数据的对比，决定下一步应采取何种措施进行处理。 通风控制的设置将被保存在s e t f i l e d a t 文件里。 ( 7 ) 数据统计分析及打印处理模块 系统采集到的数据一方面通过通风模块与设定值比较而起动电机；另一方面 可以通过统计分析，预测粮情变化的规律，合理安排通风频率，从而降低生产成 本。系统统计程序自动查找当前历史数据文件，而且基本数据分析以年数据为最 大单位，在数据年限下拉框内显示出数据库中现有数据的所属的年限。分析过程 通过数据年限下拉条选择分析数据的年限。在缺省条件下，系统将以所选择年限 东北大学硕士学位论文 第2 章储食机械通风系统的总体设计 的所有数据为分析对象，进行全面分析。 2 3 2 2 数据文件 为了保存系统设置，仓体结构设置等数据，系统建立了以下二进制文件。 ( 1 ) 历史数据文件h i s t n b i n ( n 为大于等于2 0 0 0 的整数) 历史数据是系统的精髓，任何模块都是以它为基础进行工作的，所以历史文 件的存取处理的是否合理直接影响整个系统的稳定性。为了便于查找和管理，规 定每年一个历史文件，文件名是h i s t + 年份。这样历史文件将随着时间的增长而 逐步增加，首先是h i s t 2 0 0 0 b i n 然后是h i s t 2 0 0 1 b i n 。每个文件里记录着当 年的所有有关粮食温度和相对湿度的数据。由于采样周期不固定，所以每个文件 记录数据的密度和文件大小各不一样。图2 - 9 示历史数据存储结构图。 第一次记录 第n 次记录 单仓数据结构体 当前记录点 图2 - 9 历史数据存储结构图 f i g 2 - 9s a v i n gf r a m eo f h i s t o r yd a t a 历史文件的存贮以单仓历史数据的结构体为单位，每隔一段时间记录一次， 每次按顺序记录所有仓体( 可能是l 到m ) 的数据。当需要读取数据时，系统将根据 记录时1 8 ( l o g t i m e ) 从头到尾地检索一便，然后将指针移动到被读取数据的起始位 置即可实现数据提取。 历史数据文件还有两个作用：一是方便使用者查询和打印历史数据，二是计 算当年大气湿度和相对湿度的历史变化趋势。由于系统要根据采样周期定时记录 数据，所以当年的历史文件随系统开启而打开，一直到结束系统才关闭。而其它 文件操作并不频繁，只是打开后马上又被关闭。 ( 2 ) 仓体结构参数文件s t r u c t b i n 第一次使用时，系统能够自动根据采集数据的格式计算仓体结构参数。通常 粮仓在短期内是不会改变设置的，所以为了提高系统的性能和运行速度，我们将 东北大学硕士学位论文第2 章储食机械通风系统的总体设计 第一次计算出的仓体结构数据保存在一个文件里，该文件为s t r u c t b i n ，放在 根目录为b i n 或d a t 的文件夹里。从第二次开始，每次启动该软件时，系统会自 动搜索s t r u c t b i n 文件是否存在，如果存在，则打开这个文件将里面的数据写 到内存中：如果意外损坏或丢失，系统会通过搜索模块重新该文件。当然，当仓 体结构发生变化时，我们也可以通过 设置重新搜索 命令强制执行搜索模块， 刷新s t r u c t b i n 中的数据。它的结构固定由m 个仓体结构的结构体组成，由于 只需要记录第一次开启是系统检测的数据，所以文件的大小也是固定的。 ( 3 ) 系统参数设置文件s e t f i l e b i n 系统参数设置文件记录了每个