基于虛擬儀器技術(shù)的漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)研究

徐旻晟 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

基于虛擬儀器技術(shù)的漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)研究

徐旻晟 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

為了解決金槍魚漁船超低溫制冷控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，監(jiān)控效果不理想和監(jiān)控條件惡劣等問題，提出采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冷庫機(jī)組數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)曲線的顯示、數(shù)據(jù)的處理及保存、系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)定、電子膨脹閥實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)和電子膨脹閥控制及輸出顯示等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，測(cè)控及時(shí)準(zhǔn)確，人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)單，功能完善。

虛擬儀器技術(shù)；金槍魚漁船；復(fù)疊式制冷；超低溫

金槍魚漁船在捕撈季節(jié)需要在海上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，金槍魚在捕撈上船后需在第一時(shí)間經(jīng)處理后送入-55℃以下的超低溫冷庫進(jìn)行冷凍保藏，以保證魚肉的新鮮[1]。傳統(tǒng)的金槍魚漁船超低溫冷庫制冷控制系統(tǒng)多采用繼電器邏輯電路組成的控制器，這種控制方式自動(dòng)化程度低，需要有人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和操作。由于工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易造成調(diào)節(jié)滯后、誤操作等問題，并且無法自動(dòng)采集、保存數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析[2]?？紤]到漁船上空間緊張等因素，超低溫冷庫多采用單機(jī)雙級(jí)活塞式壓縮制冷系統(tǒng)，為達(dá)到節(jié)能減排的目的，國(guó)外一些學(xué)者[3-4]提出采用吸收式和吸附式制冷來回收利用漁船柴油機(jī)排除的大量廢氣余熱，提供部分制冷量。在遠(yuǎn)洋漁業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)、荷蘭和日本等漁業(yè)漁船[5]將制冷系統(tǒng)監(jiān)控信息，包括溫度、壓力值和系統(tǒng)報(bào)警信息等，整合到船只的自控系統(tǒng)中，方便船員監(jiān)控管理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器的測(cè)控系統(tǒng)因在數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)等方面的局限性，正逐步被虛擬儀器技術(shù)所替代。虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化控制。相較于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、開放性好、升級(jí)和復(fù)用便捷、操作方便等特點(diǎn)。倪漢華等[6-7]將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于漁船液壓舵和漁船捕撈設(shè)備的測(cè)控中，獲得了良好、準(zhǔn)確的測(cè)控效果，同時(shí)利用LabVIEW平臺(tái)編程，極大地降低了編程工作量，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。Gon?alves C等[8]利用LabVIEW進(jìn)行壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)值分析和試驗(yàn)，研究了一艘快速巡邏艇結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載下的靜態(tài)強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，基于LabVEIW平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了方便準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。段培永等[9]利用CAN總線技術(shù)，在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)了一套吸收式制冷機(jī)分散式參數(shù)采集和控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)。

本研究自行開發(fā)了一套基于LabVIEW平臺(tái)編程，可用于金槍魚漁船超低溫冷庫制冷系統(tǒng)等大多數(shù)冷庫制冷及低溫實(shí)驗(yàn)研究的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)組各測(cè)點(diǎn)壓力、溫度、電流、制冷量等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄，對(duì)機(jī)組異常情況的報(bào)警和處理，對(duì)機(jī)組、風(fēng)機(jī)和電加熱的啟?？刂疲瑤鞙睾驼舭l(fā)器出口過熱度的設(shè)定，以及對(duì)電子膨脹閥控制和仿真參數(shù)的調(diào)整。

1 系統(tǒng)硬件組成

金槍魚漁船超低溫冷庫制冷系統(tǒng)構(gòu)成和系統(tǒng)實(shí)物圖見圖1、2，該系統(tǒng)為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，高溫級(jí)制冷劑選用R404A，低溫級(jí)制冷劑選用R23，采用擱架式蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度-65℃，制冷量5 kW，系統(tǒng)按照船用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建。針對(duì)要求的低溫環(huán)境，電子膨脹閥選用美國(guó)HANSEN PXV電子膨脹閥，制冷劑溫度范圍-51～115℃。根據(jù)測(cè)控要求，該系統(tǒng)總共有17個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、7個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)、1個(gè)制冷劑質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)和6個(gè)電流測(cè)點(diǎn)，需要控制的參數(shù)包括庫溫和蒸發(fā)器出口過熱度，電子膨脹閥的開度和控制參數(shù)。機(jī)組溫度采用型號(hào)JWB/Pt100/C熱電阻溫度傳感器測(cè)量，測(cè)溫范圍-200～1 600℃，庫內(nèi)測(cè)點(diǎn)采用PT100熱電偶進(jìn)行測(cè)量；壓力測(cè)點(diǎn)采用Danfoss型號(hào)AKS 33-060G2112和AKS 33-060G2100壓力傳感器測(cè)量，測(cè)量范圍-0.1～0.5 MPa；制冷劑質(zhì)量流量采用EMERSON型號(hào)CMF200質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量范圍0～225 t/h(m3/h)；電流采用多功能電力儀表測(cè)量。

1. 高溫級(jí)壓縮機(jī) 2. 高溫級(jí)油分 3. 冷凝器 4. 高溫級(jí)回?zé)崞?5. 高溫級(jí)節(jié)流裝置 6. 蒸發(fā)冷凝器 7. 高溫級(jí)氣液分離器 8. 低溫級(jí)壓縮機(jī) 9. 低溫級(jí)油分 10. 低溫級(jí)回?zé)崞?11. 低溫級(jí)節(jié)流裝置 12. 冷庫風(fēng)機(jī) 13. 擱架式蒸發(fā)器 14. 膨脹容器

圖2 超低溫復(fù)疊式制冷系統(tǒng)機(jī)組部分實(shí)物圖Figure 2 Image of cascade refrigeration system (Unit)

金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，主要由采用虛擬儀器技術(shù)的上位機(jī)和基于PLC構(gòu)建的下位機(jī)構(gòu)成，兩者通過通信協(xié)議完成通信，進(jìn)行信號(hào)的相互傳遞。下位機(jī)選用SIMENS公司型號(hào)S7-300系列PLC(CPU315-2DP)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送上位機(jī)指令等功能。上位機(jī)程序基于LabVIEW平臺(tái)編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的控制和對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理和分析，上位機(jī)與下位機(jī)通過OPC(OLE for Process Control)通信協(xié)議PLC進(jìn)行通信。系統(tǒng)的溫度、壓力、電流和質(zhì)量流量信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，這些電信號(hào)經(jīng)過放大濾波等處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)流通過通信協(xié)議傳遞給上位機(jī)程序處理，處理后由LabVIEW實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，并接受操作人員的控制指令。該系統(tǒng)具有可靠性高、處理速度快、體積小、適用于露天惡劣條件等特點(diǎn)，特別適用于金槍魚漁船超低溫制冷控制系統(tǒng)。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序使用的編程軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，NI)推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，它采用圖形化的語言，數(shù)據(jù)流的形式，利用其完善的功能模塊，配合多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能，可以較容易地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器難以完成的復(fù)雜功能，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。

上位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)發(fā)送操作人員的控制指令，定時(shí)接收和保存下位機(jī)PLC返回的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)下位機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，異常狀態(tài)時(shí)向操作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)據(jù)采集以曲線的形式顯示在操作界面上，系統(tǒng)的溫度、壓力、電流和制冷劑質(zhì)量流量自動(dòng)定時(shí)測(cè)量，同一類的不同的參數(shù)可以通過下拉菜單進(jìn)行切換，測(cè)量數(shù)據(jù)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成Excel文件，方便后續(xù)查看和進(jìn)一步的處理。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 3 Architecture diagram of the monitoring system

系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)見圖4，軟件編寫采用模塊化的思想，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分，系統(tǒng)狀態(tài)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊及電子膨脹閥控制和仿真模塊。其中每個(gè)模塊包含2個(gè)子模塊，操作人員可通過主要操作界面完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)曲線的顯示、數(shù)據(jù)的處理及保存、系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)定、電子膨脹閥實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)和電子膨脹閥控制和仿真輸出顯示。

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)模塊

系統(tǒng)狀態(tài)模塊如圖5所示，主要是用于實(shí)時(shí)顯示超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)狀態(tài)，報(bào)警顯示，系統(tǒng)設(shè)備的啟停以及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定。

數(shù)據(jù)讀取方面，通過LabVIEW提供的數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控(Datalogging and Supervisory Control，DSC)模塊，根據(jù)實(shí)際制冷系統(tǒng)連接情況制作出形象的系統(tǒng)流程圖，并在對(duì)應(yīng)的位置放置顯示控件，通過共享變量引擎(NI-PSP)綁定OPC服務(wù)器中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，刷新時(shí)間100 ms，在程序運(yùn)行時(shí)即可實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的溫度、壓力等數(shù)據(jù)；在機(jī)組出現(xiàn)異常情況下，對(duì)應(yīng)故障的報(bào)警燈閃爍，蜂鳴器持續(xù)鳴叫，以提醒操作人員對(duì)故障進(jìn)行排查，故障解除后報(bào)警自動(dòng)復(fù)位。

在數(shù)據(jù)寫入方面，采用LabVIEW自帶的Datasocket系列函數(shù)完成操作人員控制指令向下位機(jī)PLC的寫入。以庫溫設(shè)定為例，如圖6所示，通過Datasocket open、Datasocket write和Datasocket close函數(shù)，配合while循環(huán)，完成庫溫設(shè)定值的寫入。操作人員可以根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)進(jìn)行庫溫的設(shè)定，操作人員可以通過該部分旋鈕或下方輸入控件直接輸入庫溫的設(shè)定值，輸入的范圍定在-60～20℃，如超出這個(gè)范圍，會(huì)直接設(shè)定在最接近值；機(jī)組、風(fēng)機(jī)和電加熱啟停開關(guān)，出于安全考慮，需要操作人員手動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，軟件首先開啟復(fù)疊式制冷系統(tǒng)高低溫級(jí)的供液閥，再啟動(dòng)高溫級(jí)壓縮機(jī)，等待10～15 s后，再啟動(dòng)低溫級(jí)壓縮機(jī)；電加熱用于模擬貨物負(fù)荷和穩(wěn)定庫溫，操作人員可在需要的時(shí)候進(jìn)行開啟。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要操作界面見圖7。使用LabVIEW的圖表控件可以方便地對(duì)實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行操作，用鼠標(biāo)選擇各個(gè)圖表左下角的工具按鈕，可以獲得相應(yīng)工具的功能，包括圖表的移動(dòng)，所選范圍數(shù)據(jù)的放大縮小等功能。操作人員可以通過單擊下拉列表來選擇顯示在圖表中的數(shù)據(jù)，分別為溫度參數(shù)，庫溫測(cè)點(diǎn)和壓力參數(shù)。被選中的參數(shù)在右側(cè)顯示“√”符號(hào)，并在相應(yīng)的圖表中顯示實(shí)時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集采用寫入測(cè)量文件Express VI進(jìn)行編寫，以壓力和電流為例，見圖8。使用該函數(shù)可以將采集到的數(shù)據(jù)輸出包括文本(LVM)、二進(jìn)制(TDMS)、和Excel表格等4種格式，方便操作人員對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理和分析。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能模塊Figure 4 Main functions of the monitoring system

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)操作界面Figure 5 The interface of system state

圖6 利用Datasocket函數(shù)寫入庫溫設(shè)定值Figure 6 Write storage temperature set point with Datasocket

界面左上是溫度顯示曲線圖，左下是壓力顯示曲線圖，右上是選擇顯示參數(shù)的多項(xiàng)選擇下拉菜單和數(shù)據(jù)采集的控制按鈕，右下是制冷機(jī)質(zhì)量流量顯示

當(dāng)操作人員需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以通過點(diǎn)擊右側(cè)的數(shù)據(jù)采集按鈕，按鈕變綠，則進(jìn)行采集，采集間隔30 s，采集的數(shù)據(jù)保存在對(duì)應(yīng)的Excel表格中，操作人員可以通過彈出的對(duì)話框來選擇數(shù)據(jù)保存的位置，操作人員可以在之后進(jìn)行查看和進(jìn)一步的處理。如果需要停止，則單擊停止采集按鈕，按鈕變綠，同時(shí)數(shù)據(jù)采集按鈕變暗。

圖8 部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序Figure 8 Data acquisition program

2.3 電子膨脹閥控制和仿真模塊

美國(guó)HANSEN PXV脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)電子膨脹閥采用電磁線圈控制開閉閥，脈沖寬度的調(diào)制信號(hào)周期為T0s，控制器輸出信號(hào)是脈沖寬度，即一個(gè)高電平加載到電磁線圈上的持續(xù)時(shí)間T決定電子膨脹閥的開度大小，T=T0時(shí)對(duì)應(yīng)的閥開度為100%，T=0.5T0時(shí)對(duì)應(yīng)的開度是50%，T為0時(shí)對(duì)應(yīng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。這種控制方式邏輯簡(jiǎn)單，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，相較于常見的步進(jìn)電機(jī)控制的電子膨脹閥，硬件成本和維護(hù)成本得到了大幅的降低，但控制精度還有待提高。

為了優(yōu)化PWM的控制精度，本系統(tǒng)采用模糊控制進(jìn)行電子膨脹閥控制的優(yōu)化。以蒸發(fā)器出口過熱度為控制目標(biāo)，選取實(shí)際和目標(biāo)過熱度誤差e(℃)和誤差變化率ec(℃/s)為輸入變量，電子膨脹閥一個(gè)周期內(nèi)的開啟時(shí)間ot(s)為輸出變量。根據(jù)實(shí)際情況和仿真要求，誤差e的實(shí)際論域?yàn)閇-10，10]，模糊化后為模糊語言變量E，模糊集合{NH，NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，PH}，模糊論域{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；誤差變化率ec的實(shí)際論域?yàn)閇-0.6，0.6]，模糊化后為模糊語言變量EC，模糊集合{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；開啟時(shí)間ot的實(shí)際論域?yàn)閇0，6]，模糊集合{CB，CM，CS，H，OS，OM，OB }，模糊化后為模糊語言變量OT，模糊論域{0，1，2，3，4，5，6}。根據(jù)專家知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[10]，用IF-THEN語句表達(dá)模糊邏輯推理控制規(guī)則：IF{誤差E為NH}AND{誤差變化率EC為NB}THEN{電子膨脹閥開啟時(shí)間OT為OB}；IF{誤差E為NS}AND{誤差變化率EC為PB}THEN{電子膨脹閥開啟時(shí)間OT為CS}。諸如此類，模糊控制規(guī)則見表1。規(guī)則共63條，輸入輸出的隸屬函數(shù)均采用高斯型隸屬函數(shù)，去模糊化方法采用最大隸屬度法。

電子膨脹閥控制和仿真模塊的主要操作界面見圖9。操作人員可以在這個(gè)界面上監(jiān)測(cè)電子膨脹閥的運(yùn)行狀態(tài)、電子膨脹閥控制的輸出和蒸發(fā)器出口過熱度曲線，進(jìn)行控制模式的選擇以及相應(yīng)的控制參數(shù)設(shè)定。在系統(tǒng)未接入電子膨脹閥時(shí)，還可以進(jìn)行電子膨脹閥仿真控制，包括各個(gè)參數(shù)的設(shè)定和相應(yīng)的輸出曲線的顯示。

表1 模糊規(guī)則控制表Table 1 Rules of fuzzy logical control

圖9 電子膨脹閥控制和仿真操作界面Figure 9 The interface of control and simulation of electronic expansion valve

在未接入電子膨脹閥或需要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)提供了電子膨脹閥的仿真控制，包括仿真控制參數(shù)的設(shè)定和輸出曲線的顯示。本系統(tǒng)提供了兩種控制算法的仿真：PID控制器和模糊控制器。地址欄內(nèi)需要操作人員選擇編寫好的Fuzzy控制.fz文件?！癝P”為仿真控制過熱度的設(shè)定值。右側(cè)3個(gè)值分別為P值、I值、D值，操作人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定?！癝T”為仿真持續(xù)的時(shí)間值。模糊因子和解模糊因子為Fuzzy-PID控制的設(shè)定參數(shù)，操作人員可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，采用Fuzzy控制算法來優(yōu)化PID控制器的KP、KI和KD3個(gè)參數(shù)。PID控制和Fuzzy-PID控制的輸出曲線可以在右側(cè)兩個(gè)圖表中獲得。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理

為了驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的性能以及可靠性，進(jìn)行了模擬負(fù)荷降溫實(shí)驗(yàn)。采用4個(gè)電加熱模塊進(jìn)行負(fù)荷模擬，每個(gè)電加熱模塊的功率為1.5 kW，可進(jìn)行0～100%無級(jí)調(diào)節(jié)。為了使模擬負(fù)荷均勻分布在庫內(nèi)，將4個(gè)電加熱模塊分別安裝在4個(gè)冷風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，通過風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對(duì)流作用，將熱量及時(shí)、均勻地分散到擱架式蒸發(fā)器上。

實(shí)驗(yàn)前，保持庫溫在15℃。打開冷卻水開關(guān)，保證冷卻水路通暢。首先啟動(dòng)冷庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)，開啟電加熱模塊，調(diào)節(jié)每個(gè)電加熱模塊為30%的加熱量，即總共1.8 kW的模擬熱負(fù)荷。啟動(dòng)高溫級(jí)壓縮機(jī)，等待15 s后，啟動(dòng)低溫級(jí)壓縮機(jī)。每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，直至降到-60℃，數(shù)據(jù)被保存至指定的Excel表格內(nèi)。在獲得數(shù)據(jù)后，每5 min取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。圖10為模擬負(fù)荷實(shí)驗(yàn)自動(dòng)采集到的壓力數(shù)據(jù)曲線，圖11為模擬負(fù)荷實(shí)驗(yàn)溫度曲線圖。

圖10 模擬負(fù)荷實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)Figure 10 Simulated load experiment pressure data

圖11 模擬負(fù)荷實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線Figure 11 Simulated load experiment temperature curve

實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)顯示，模擬負(fù)荷實(shí)驗(yàn)的整個(gè)降溫過程共用時(shí)5.5 h。在降溫過程中庫內(nèi)溫度穩(wěn)步下降，庫內(nèi)溫度，蒸發(fā)器進(jìn)、出口的溫度變化趨勢(shì)較為平緩，低溫級(jí)冷凝溫度和低溫級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)口溫度在實(shí)驗(yàn)中略有波動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，性能穩(wěn)定，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，采集后的數(shù)據(jù)處理方便，減輕了后續(xù)數(shù)據(jù)分析的負(fù)擔(dān)，高度自動(dòng)化的監(jiān)控系統(tǒng)有效地提高了金槍魚漁船冷庫監(jiān)控的工作效率。

3.2 電子膨脹閥控制仿真

仿真時(shí)間設(shè)置為1 000 s，步長(zhǎng)1 s，采樣周期取2 s。PID控制器的參數(shù)整定采用臨界比例法，獲得參數(shù)初始值分別為：KP=30.03，KI=0.429，KD=300，仿真系統(tǒng)輸入信號(hào)為10℃的過熱度階躍信號(hào)，分別使用PID控制器和Fuzzy-PID控制器進(jìn)行電子膨脹閥控制仿真，得到的控制器響應(yīng)曲線見圖12。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能、自然環(huán)境因素等諸多原因的干擾，實(shí)際控制過程的輸入信號(hào)中往往會(huì)帶有一定的隨機(jī)波動(dòng)，為了獲得控制器在實(shí)際控制情況下的控制效果，同樣的條件下，采用在階躍信號(hào)中加入高斯噪聲來仿真實(shí)際輸入信號(hào)，獲得的控制器響應(yīng)曲線見圖13。同時(shí)，實(shí)際控制過程中，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)等都會(huì)影響控制器的控制效果，為了驗(yàn)證控制器在受到擾動(dòng)的情況下自動(dòng)修正控制量出現(xiàn)偏離的能力，同樣條件下，在350 s加入一個(gè)幅值為2，持續(xù)時(shí)間30 s的鋸齒波，用于仿真實(shí)際控制過程中由于參數(shù)變化帶來的擾動(dòng)，獲得的控制器響應(yīng)曲線見圖14。

在輸入信號(hào)未加入噪聲的情況下，采用PID控制的階躍響應(yīng)超調(diào)量為60%，調(diào)節(jié)時(shí)間(2%誤差帶)為310 s；采用模糊PID控制的階躍響應(yīng)超調(diào)量在25%，調(diào)節(jié)時(shí)間(2%誤差帶)為215 s。在加入高斯噪聲后，采用PID控制的超調(diào)量達(dá)到了68%，調(diào)節(jié)時(shí)間(5%誤差帶)為350 s；采用模糊PID控制的超調(diào)量在23%，調(diào)節(jié)時(shí)間(5%誤差帶)為210 s。在加入鋸齒擾動(dòng)后，PID控制器20 s后得到響應(yīng)，進(jìn)行調(diào)整，過熱度波動(dòng)為0.9℃，調(diào)節(jié)時(shí)間(2%誤差帶)為40 s；模糊PID控制器對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)延遲更大，但過熱度波動(dòng)更小，約為0.5℃，調(diào)節(jié)時(shí)間(2%誤差帶)90 s。

圖12 采用PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應(yīng)曲線Figure 12 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller

圖13 加入高斯噪聲后PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應(yīng)曲線Figure 13 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller with Gaussian noise

圖14 加入鋸齒擾動(dòng)后PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應(yīng)曲線Figure 14 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller with saw-tooth disturbance

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用PID控制器階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，在加入噪聲之后，PID控制器的穩(wěn)定性較差，受擾動(dòng)的影響較大，但響應(yīng)能更快回到穩(wěn)定狀態(tài)；采用模糊PID控制器能夠獲得更小的超調(diào)量，系統(tǒng)魯棒性更好，穩(wěn)定性強(qiáng)，受擾動(dòng)的影響更小，但響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間更長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本研究采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行了低溫冷庫模擬負(fù)荷降溫試驗(yàn)，并通過LabVIEW仿真模塊進(jìn)行了電子膨脹閥控制仿真。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明：① 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于制冷控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單便捷、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，控制及時(shí)迅速，后期數(shù)據(jù)分析處理方便直觀，能夠降低冷庫管理的人工成本投入，對(duì)節(jié)能、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度有實(shí)際意義；② 相較于傳統(tǒng)PID控制器，模糊PID控制器在電子膨脹閥控制系統(tǒng)超調(diào)量和抑制外界擾動(dòng)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但調(diào)節(jié)時(shí)間顯著長(zhǎng)于PID控制器。今后可針對(duì)優(yōu)化模糊PID控制的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步的研究；③ 電子膨脹閥的控制仿真中，默認(rèn)系統(tǒng)傳遞函數(shù)不變，但在實(shí)際應(yīng)用中，制冷劑流量變化時(shí)，蒸發(fā)器出口過熱度對(duì)電子膨脹閥的開度響應(yīng)會(huì)發(fā)生改變，控制器性能也會(huì)有所降低，如果能夠通過構(gòu)建控制目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型來建立模糊控制系統(tǒng)，則會(huì)更加接近實(shí)際應(yīng)用的工況，對(duì)電子膨脹閥控制的研究更加深入。

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Refrigeration monitoring system of ultra-low temperature cold storage onfishing boat based on virtual instruments

XU Min-shengXIEJingWANGJin-feng

(1.CollegeofFoodScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China; 2.ChinaShanghaiAquaticProductsProcessingandStorageEngineeringTechnologyResearchCenter,Shanghai201306,China)

There are several problems in the ultra-low temperature refrigeration control system on the tuna fishing boat, including the low degree of automation, unsatisfactory monitoring effect and poor monitoring conditions. In order to solve these problems, a tuna fishing boat ultra-low temperature cold storage refrigeration monitoring system was designed and developed by using the virtual instrument technology, based on LabVIEW. This system achieved a real-time monitoring, and displayed a unit’s data and dynamic curves. Moreover, it also included a data processing and storage, a control parameter settings, an electronic expansion valve real-time status monitoring, a valve control and an output display. The experimental results indicated that this system could be operated stably and automatically, and used to get detection timely and accurately, with a friendly human-machine interface.

tuna fishing boat; cascade refrigeration; cryogenic; monitoring; virtual instruments; LabVIEW

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目課題(編號(hào)：2016YFD0400303)；上海市科委平臺(tái)能力提升項(xiàng)目(編號(hào)：16DZ2280300)

徐旻晟，男，上海海洋大學(xué)在讀碩士研究生。

謝晶(1968—)，女，上海海洋大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師。E-mail：jxie@shou.edu.cn

2016-09-05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.029