粮库平房仓平推式机械通风窗自动化改造

王 威 孙 强 张继勇

（1.上海电机学院电气学院，上海201306；2.上海电机学院电子信息学院，上海201306；3.上海达联电子科技有限公司，上海200331）

0 引言

粮食储备库对我国的粮食安全起着重要的保障作用。在我国，应用最广泛的粮库类型是高大平房仓[1]，其仓房容积率大，储粮数量多，实际应用中，平房仓的数量占80%以上[2]。

由于粮食在存储过程中因为外界环境的影响容易发生质变，例如，高温不但易使存储的粮食生虫，而且会加速粮食的新陈代谢，加快粮食的老化[3]。因此，在粮库中通常设置有多个通风口，用以对粮食通风，降低其内部产生的积热。通风口大多采用机械通风窗结构[4]，机械通风窗以平推式为主，因为平推式通风窗在开关窗的操作上十分方便，因此其在平房仓中得到了广泛使用。目前，在我国的大部分地区，大多数粮库的通风采用机械通风的技术，在通风管理方式上全靠人力操作。此技术的缺点是人工劳动强度很大，工作效率偏低，温度变化时不能做到及时准确的通风降温。近年来，随着科技的发展，智能粮库也发展起来，各地政府纷纷投入大量资金用于粮库的智能化改造。

老式粮库平房仓平推式机械通风窗的自动化改造采取的常规做法是用PLC实现的，该方法包括五条控制路线：电机启动按钮线路、电机停止按钮线路、通风窗全开限位开关线路、通风窗全关限位开关线路、接地线。但老式粮库的机械通风窗所在墙壁内一般仅布有两条隐藏式电源线路，倘若采用常规的PLC方案，势必要对粮库墙壁进行开凿以埋设线管。倘若对墙体进行开凿埋管，不但会破坏墙壁内的隔热层，影响粮库的隔热效果，而且会降低粮库墙壁的承重力。

综合考虑之后，本文在不增加控制线路，不破坏原有粮库墙壁的情况下，仅借助粮库已布设的两条线路，实现了对原有老式粮库平推式机械通风窗的自动化改造。与常规的PLC方案相比较，本设计不仅能实现对通风窗的自动化控制，而且对粮库墙壁没有破坏，同时节约了施工成本。

1 方案的总体设计

通风窗的执行命令来自主控系统，根据通风的目的（排积热、降温等）控制通风窗或通风窗和风机的开启与关闭对粮库进行通风降温。其中主控系统通过采集粮堆温湿度、仓温、环境温湿度信息，实现对粮情的实时监控，根据对粮情的监控数据，或根据接收到的操控端工作人员发送的操控命令，把执行命令发送到控制器，然后由控制器开启通风窗、风机，对粮堆进行降温。

通风窗的控制系统中只有两条电源线，窗机状态采集信号线和控制线共用一条线路。通风窗在执行动作命令前，通过继电器K1、K2、K3切换到检测状态，检测通风窗此时的状态（全开、部分开启、全关），根据此时通风窗的状态情况，再次通过继电器K1、K2、K3切换到命令执行状态，执行通风窗的动作命令。此设计用有限状态机（FSM，Finite State Machine）分析控制器控制通风窗的状态及其在事件驱动下的状态迁移。

FSM没有出口，入口为上电事件，初始化后进入空闲状态待命，离开空闲状态FSM主要有开窗和关窗两个方向，根据本地/远程状态审核开窗/关窗命令。开窗/关窗按键触发时，通风窗根据设定的开窗/关窗全程标准时长进行开窗/关窗，倘若开窗/关窗动作结束后经过检测发现结果未达到预期目标，则启动辅助延时。辅助延时为全程标准时长的1/N（N=10），总延时不超过标准时长的两倍（总延时时长为标准时长×开/关窗百分比），开窗/关窗延时即为最大可能时间，超时即停止并报警。倘若通风窗已开/关到位，则控制器拒绝任何开窗/关窗命令。

2 检测与控制电路设计

通风窗的状态检测与状态控制是由控制器控制光耦继电器K1、K2、K3的状态切换从而接通相应电路（检测、控制）实现的。检测与控制电路如图1所示。控制器接收到主控系统发出的指令后，首先对推杆电机进行正向和反向检测，因为推杆电机的状态与通风窗的状态相关联：电机正转时把推杆伸出，窗户关闭；电机反转时把推杆收回，窗户开启。推杆的状态分别为：全部伸出、部分伸出和全部收回。由推杆状态对应的通风窗的状态分别为：全关、部分开启和全开。

图1 推杆窗机的控制回路

2.1 检测

通风窗在执行下一个状态前要进行正向检测和反向检测。正向检测时，控制器的DO口（DO1、DO2、DO3）对光耦继电器K1、K2、K3发出动作指令，使K1断开、K2闭合、K3断开；反向检测时，K1断开、K2断开、K3闭合。

控制器的DI口属于单线发射与接收口，而且推杆电机内部自带限位开关，当推杆全部伸出或全部收回时，对应的限位开关动作，电机通路会断开。正向检测时DI口发出一个高电平，根据此时电路所处的状态DI口会接收到一个确定的状态反馈信号：若电路处于开路（即悬空）状态，则DI口收到的状态反馈为高电平即DI=“1”，表明此时推杆已完全伸出，通风窗所处的状态为全关，接下来只能被开启；若DI处于通路状态，则DI反馈为低电平即DI=“0”，表明此时推杆未完全伸出，通风窗所处的状态为部分开启，接下来可以被开启，也可以被关闭。同理，反向检测时DI口也会得到两种不一样的状态反馈：若DI反馈为高电平即DI=“1”，则表明此时推杆已完全收回，通风窗所处的状态为全开，接下来只能被关闭；若DI反馈为低电平即DI=“0”，表明此时推杆未完全收回，通风窗所处的状态为部分开启，接下来可以被开启，也可以被关闭。

2.2 开窗执行

开窗命令审核通过后，则控制器执行开窗命令（假设P1、P2均是闭合状态），接通开窗电路：K1闭合、K2断开、K3闭合，向推杆电机加载反向220 V电压，电流从P2流向P1，推杆电机反向转动，通过推杆的收回打开通风窗。

2.3 关窗执行

关窗命令审核通过后，则控制器执行关窗命令（假设P1、P2均是闭合状态，且风机已停止），接通关窗电路：K1闭合、K2闭合、K3断开，向推杆电机加载正向220 V电压，电流从P1流向P2，推杆电机正向转动，通过推杆的伸出关闭通风窗。

关窗流程与开窗流程执行过程相似，但是，关窗流程执行前相较于开窗流程多了关联排风扇是否关闭的检测，关窗前须关闭排风扇，否则不执行关窗命令。

3 结语

本设计和改造的自动化通风窗已在国家部分地区的平房仓型粮库实际应用，并得到了使用者的一致认可。改造后的通风窗在实际应用上解决了机械通风窗手动控制的弊端，实现了通风窗的自动控制，提高了粮库智能通风系统的自动化水平。本设计实现了用两条电源线既可以对通风窗进行状态检测又可以进行命令控制的工程应用。