基于雙監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張東霞，呂恩利，陸華忠，許錦鋒，趙 磊

(1佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，廣東佛山528137;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642)

保鮮運(yùn)輸廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均勻是影響果蔬保鮮運(yùn)輸品質(zhì)的主要問(wèn)題，運(yùn)輸廂體內(nèi)的溫差可達(dá)15℃［1］，溫度高的區(qū)域，果蔬新陳代謝強(qiáng)，保鮮期短;溫度低的區(qū)域，果蔬可能發(fā)生凍害［2］.目前果蔬保鮮運(yùn)輸普遍通過(guò)采集單點(diǎn)溫度對(duì)廂內(nèi)溫度進(jìn)行控制［3］.此方法易造成廂體內(nèi)溫度分布不均勻.針對(duì)單點(diǎn)溫度控制存在的問(wèn)題，有學(xué)者提出采用多點(diǎn)溫度的平均值對(duì)保鮮環(huán)境溫度進(jìn)行控制［4-5］，該方法可減小溫度過(guò)低區(qū)域的范圍，但不能防止局部低溫的出現(xiàn)且多路溫度傳感器布置會(huì)影響貨物裝載.

為此，本文設(shè)計(jì)了基于壓差原理的溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，以可編程控制PLC(西門(mén)子子S7-300，CPU為314)為核心控制器，開(kāi)發(fā)了基于雙測(cè)點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng)，既能將運(yùn)輸廂內(nèi)的溫度控制在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，又能防止運(yùn)輸廂體前端的果蔬被凍傷.

1 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 試驗(yàn)裝置

基于壓差原理的保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示.廂體結(jié)構(gòu)基于壓差原理設(shè)計(jì)，規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為2.38 m×1.28 m×1.40 m，開(kāi)孔隔板將其分為壓力室和保鮮室，保鮮室底部設(shè)有高為30 mm的氣流導(dǎo)軌，頂部設(shè)有回風(fēng)道.離心風(fēng)機(jī)(型號(hào):HYA250;功率:250 W;最大靜壓:860 Pa;最大風(fēng)量:500 m3/h)安裝在風(fēng)機(jī)安裝板上，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與懸掛于壓力室上方的蒸發(fā)器正對(duì)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制.制冷裝置的核心部件壓縮機(jī)(法國(guó)泰康，型號(hào)為FH4524F)功率為1 491 W.風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，回風(fēng)道形成負(fù)壓，壓力室內(nèi)產(chǎn)生高壓.在壓差的作用下，保鮮室內(nèi)的氣體經(jīng)過(guò)回風(fēng)道進(jìn)入壓力室，與制冷裝置的蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，然后通過(guò)開(kāi)孔隔板進(jìn)入保鮮室，如此循環(huán).由于冷氣首先到達(dá)保鮮室近開(kāi)孔隔板處，該處溫度最低;在冷氣向后方流動(dòng)過(guò)程中不斷與果蔬換熱，溫度逐步升高，廂體后端溫度最高.因此，在廂體后端布置后溫度傳感器(型號(hào):CT-D/I，量程:-20～80℃，精度:±0.3℃)，作為控制系統(tǒng)的主監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)保鮮環(huán)境溫度;在開(kāi)孔隔板處布置前溫度傳感器(型號(hào):CT-D/I，量程:-20～80℃，精度:±0.3℃)，作為控制系統(tǒng)的輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)保鮮室內(nèi)低溫，防止果蔬低溫傷害.

圖1 保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Testing platform of temperature control system in fresh-keeping transportation

通過(guò)PLC采集前溫度傳感器和后溫度傳感器的數(shù)據(jù)，控制變頻器、制冷和融霜.通過(guò)變頻器控制風(fēng)機(jī)，以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速.通過(guò)人機(jī)交互界面顯示前溫度傳感器、后溫度傳感器的采集值，以及設(shè)定果蔬的目標(biāo)保鮮溫度和冰點(diǎn)溫度.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用廣東產(chǎn)香蕉，總質(zhì)量350 kg，購(gòu)于水果批發(fā)市場(chǎng)，未預(yù)冷，未經(jīng)任何催熟處理，果實(shí)七成熟，果實(shí)規(guī)則，無(wú)病蟲(chóng)害，無(wú)損傷，表皮呈青綠色，色彩光鮮.香蕉用瓦楞紙箱包裝，堆棧方式采用滿(mǎn)載.

為獲得前溫度傳感器的控制參數(shù)，需計(jì)算香蕉的冰點(diǎn)溫度.果蔬的冰點(diǎn)溫度與果蔬內(nèi)的糖分、蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，它的計(jì)算公式如下［6］:

式中，TL—水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ww時(shí)初始凍結(jié)溫度(K)=173.05 K;L—純水在時(shí)的摩爾融化熱，6.003 kJ;R—?dú)怏w摩爾常數(shù)，8.314 J/(mol·K);xs—可溶性固體摩爾分?jǐn)?shù)，由1-xw所得;xw—水在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù);ws—溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ww—水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(果蔬含水量);Mw—水的摩爾質(zhì)量;Ms—溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量.

經(jīng)計(jì)算，香蕉的冰點(diǎn)溫度約為0℃.據(jù)文獻(xiàn)［7］報(bào)道，香蕉的保鮮溫度為12～16℃.

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 系統(tǒng)控制線(xiàn)路

系統(tǒng)的控制線(xiàn)路如圖2所示.前溫度傳感器和后溫度傳感器連接于PLC的模擬量輸入模塊.手/自動(dòng)切換控制線(xiàn)、制冷控制線(xiàn)、融霜控制線(xiàn)分別與繼電器 KA1、KA2、KA3 連接，繼電器 KA1、KA2、KA3 和變頻器連接于PLC的數(shù)字量輸出模塊，PLC通過(guò)繼電器KA1、KA2、KA3的通斷來(lái)控制手/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)、制冷、融霜工作，通過(guò)變頻器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.PLC的RS485串口通過(guò)MPI線(xiàn)與人機(jī)交互界面的RS485連接［8-11］.

圖2 溫度控制系統(tǒng)控制電路Fig.2 Circuit diagram of temperature control system

2.2 控制策略

通過(guò)監(jiān)測(cè)廂體前端冷氣出口溫度，防止溫度過(guò)低凍傷果蔬;通過(guò)監(jiān)測(cè)廂體后端的溫度，調(diào)節(jié)廂內(nèi)香蕉適宜的保鮮環(huán)境溫度.設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)流程如圖3所示.將前溫度傳感器的信號(hào)記作θ1，將后溫度傳感器的信號(hào)記作θ2.

開(kāi)啟系統(tǒng)，PLC首先切斷手動(dòng)控制線(xiàn)路，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定.在人機(jī)交互界面上設(shè)定香蕉的保鮮溫度的上限值16℃、下限值12℃和冰點(diǎn)溫度0℃.PLC讀取人機(jī)交互界面設(shè)定的參數(shù)和廂體前、后溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)，判斷后溫度傳感器與香蕉適宜保鮮溫度的關(guān)系、判斷前溫度傳感器與香蕉冰點(diǎn)溫度的關(guān)系，以采取對(duì)應(yīng)的控制方法.若θ2＞16℃，θ1＜5℃(自定義為冰點(diǎn)保護(hù)值:冰點(diǎn)溫度+5℃)，則只開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，風(fēng)速為6 m/s(頻率31.5 Hz).若θ2＞16℃、θ1＞5℃，開(kāi)啟制冷和風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為8 m/s(頻率42 Hz).當(dāng)θ2＜12℃或者θ1＜0℃時(shí)，則關(guān)閉制冷和風(fēng)機(jī).若制冷連續(xù)工作2 h，則關(guān)閉制冷和風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟融霜，融霜工作4 min后關(guān)閉，重新開(kāi)啟制冷和風(fēng)機(jī).若θ2＜16℃、θ1＞0℃，則溫控系統(tǒng)不工作.若θ2＜16℃、θ1＜0℃，則開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，風(fēng)速為6 m/s，當(dāng) θ1＞5℃時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī).其中，冰點(diǎn)保護(hù)值的設(shè)定是為避免風(fēng)機(jī)、制冷裝置頻繁起動(dòng)［12-16］.

3 試驗(yàn)結(jié)果

啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行59 h試驗(yàn)，廂體內(nèi)前溫度傳感器和后溫度傳感器的數(shù)值變化如圖4所示.

從圖4可以看出，溫度控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，既能夠調(diào)節(jié)廂體內(nèi)的保鮮環(huán)境溫度至目標(biāo)值，又可以防止低溫出現(xiàn).從試驗(yàn)開(kāi)始至42 h，廂體前端的溫度保持在果蔬冰點(diǎn)溫度之上，保鮮環(huán)境溫度能夠穩(wěn)定控制在設(shè)定的12～16℃，香蕉果肉溫度逐步降低.42 h后，冷氣出口溫度在制冷時(shí)易達(dá)到果蔬的冰點(diǎn)溫度，為避免廂體前端果蔬被凍傷，控制系統(tǒng)停止制冷，待前溫度傳感器采樣溫度大于5℃且后溫度傳感器采樣溫度大于16℃時(shí)，開(kāi)啟制冷.運(yùn)輸廂體內(nèi)的溫度控制與控制策略相符合.

圖3 溫度控制流程圖Fig.3 Work flow chart of temperature control system

圖4 試驗(yàn)實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)Fig.4 Real time temperature curve in experience

4 結(jié)論

針對(duì)運(yùn)輸廂內(nèi)溫差過(guò)大易導(dǎo)致部分果蔬被凍傷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于雙監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn):以保鮮室后端的溫度為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，作為調(diào)節(jié)果蔬保鮮環(huán)境溫度;以保鮮室前端冷氣出口溫度為輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn)，防止廂體前端果蔬被凍傷.經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，既能將運(yùn)輸廂內(nèi)的溫度控制在果蔬適宜的保鮮溫度范圍內(nèi)，又能防止部分果蔬在運(yùn)輸中被凍傷.研究結(jié)果對(duì)提高保鮮運(yùn)輸技術(shù)水平具有一定的參考價(jià)值.

值得討論的是，溫度調(diào)節(jié)還與廂體內(nèi)通風(fēng)速度有關(guān)，應(yīng)基于節(jié)約能源和降低干耗的原則，開(kāi)發(fā)變頻通風(fēng)系統(tǒng)，本課題組正對(duì)此進(jìn)行深入研究.

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