農產品保鮮冷庫的PLC控制與關鍵技術研究

付煥森+王郭全+夏華鳳+曹健+彭楊

摘要：增加農民收入是國家發(fā)展農村經濟的重要內容，提高農產品的收入是其重要組成部分。農產品從傳統(tǒng)依靠天氣種植轉變?yōu)闇厥掖笈锱嘤?，改善了種植方法，提高了經濟效益，但是溫室農產品僅限于果蔬產品，而且品質相比于當季農產品有所下降。保鮮冷庫技術的發(fā)展解決了夏秋季豐富果實的貯藏問題，受到了企業(yè)的重視和農民的歡迎，利用可編程邏輯控制器（PLC）控制技術設計小型冷庫，控制過程分為預冷入庫、恒溫保持、智能通風和升溫出庫等階段，各階段對冷庫溫度、濕度、二氧化碳濃度和氧氣濃度進行智能化處理，并對控制過程中的一些關鍵程序和技術作了詳細分析。通過測試表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，溫度誤差小于5%，濕度誤差小于1.67%，精度較高，滿足工業(yè)設計的要求，并能實現(xiàn)本地、遠程控制以及無線報警，有一定的推廣價值。

關鍵詞：農產品保鮮冷庫；PLC控制；智能處理；遠程控制；無線報警；程度設計

中圖分類號： TP273+.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0233-03

收稿日期：2017-02-10

基金項目：江蘇省高?！扒嗨{工程”；江蘇省泰州市科技支撐計劃（編號：TS201632）。

作者簡介：付煥森（1982—），男，江蘇興化人，博士研究生，講師，研究方向為智能自動化理論與工程。E-mail：fuhuansen@163.com。 提高農民收入是國家發(fā)展農村經濟的重要組成部分，隨著人們生活水平的提高，對綠色農產品有了更高的品質要求。盡管溫室大棚解決了傳統(tǒng)農產品依靠天氣種植和生存的困難，但是在農產品營養(yǎng)方面，當季農產品營養(yǎng)的認可度要高于溫室大棚農產品。因此，如果能對當季農產品進行保質保鮮，將會成為增加農民收入的重要途徑。如何保鮮成為當前農村發(fā)展綠色農產品的瓶頸，一方面在技術上要難于溫室大棚的控制，另一方面在成本上和管理上有一定的實施難度，保鮮冷庫的控制精確度決定了農產品的保鮮質量，特別是溫度、濕度的控制，其中溫度相對更為重要。李喜宏等設計出便攜式微型保鮮冷庫，對冷庫材料、結霜量和耗電量進行了分析[1]；胡云峰等設計1種梯度冷庫，分析了梯度冷庫的溫度彈性效應、溫度場效應[2]；郭曉琳等對保鮮技術作了對比試驗和評價研究[3]；雷靜等利用LED紅藍弱光照射農產品，嘗試開發(fā)保鮮新技術[4]。本研究給出了利用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制器，設計農產品保鮮冷庫控制系統(tǒng)，分別從預冷入庫、恒溫保持、智能通風和升溫出庫等階段進行軟硬件設計，為方便使用和統(tǒng)計，設計上位機操作管理系統(tǒng)，并對部分關鍵處理技術和程序進行了分析。

1 整體設計

農產品保鮮冷庫的系統(tǒng)設計如圖1所示，系統(tǒng)分為3個部分：輸入部分、控制部分和執(zhí)行部分，輸入部分主要由溫度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳、氧氣濃度傳感器等組成；控制部分是S7-200 PLC對輸入信號進行處理、算法控制；輸出部分是控制溫濕度的制冷機、加濕控制閥以及電加熱除霜和二氧化碳、氧氣等設備。此外，本地控制器的組態(tài)觸摸屏、遠程控制的電腦上位機和短信報警設備等，用來對冷庫進行數據統(tǒng)計和分析，以及預冷入庫、恒溫保持、智能通風和升溫出庫等階段的智能處理[5-7]。

2 技術要求

農產品多數成熟于夏秋季，在溫度較高的環(huán)境中容易腐爛變質，同一農產品品種在不同的成熟階段，最佳保鮮溫度有一定的區(qū)別，如綠熟西紅柿保鮮溫度為11～13 ℃，紅熟時為7～10 ℃，但是大多數農產品適宜的保鮮溫度為0 ℃左右，果蔬保鮮最低溫度為-2 ℃，溫度再低時，農產品容易凍壞；相對濕度一般控制在90%～95%，普通保鮮冷庫難以達到該濕度，所以需要增加加濕設備。冷庫除了溫濕度控制外，二氧化碳、氧氣含量對農產品保鮮也有很大影響，如果能夠精確地控制冷庫氣體含量，就可以使農產品處于休眠狀態(tài)，減少自身能量的損耗，在出庫時保持最好的品質。

3 程序設計

如圖2所示，系統(tǒng)開機后，操作人員可以根據農產品的狀況選擇工作模式，一般是農產品采摘后，第1階段先進入預冷入庫模式，使農產品在高溫采摘后先預冷，大概在20 ℃的環(huán)境里存放12 h，以減少制冷機的熱負荷；第2階段是預冷后根據保鮮的農產品特點，進入-2～13 ℃溫度，90%左右濕度的恒溫保鮮模式；第3階段根據冷庫內二氧化碳、氧氣的濃度進行調節(jié)，使得農產品處于休眠模式，減少能量損耗；第4階段是升溫出庫階段，也就是農作物在出庫之前適當提高溫度，減少與外界的溫度差，保持農產品的品質。

4 部分關鍵技術分析

結合企業(yè)工程項目實際設計和調試，對相關關鍵技術進行分析[8-10]，主要是自動控制方面的模擬量處理、防頻繁啟動和比例-積分-微分（PID）控制技術等。

4.1 溫濕度等模擬量處理

在圖3中S7-200的I_to_R模擬量轉換子程序中，IN表示PLC模擬量通道實際采集的整形數值，范圍一般在0～32 000；InLow、InHigh分別是PLC對應于溫濕度傳感器輸入信號的上限、下限值，本研究采用的是西門子QFM2160溫濕度傳感器，輸出信號是0～10 V，所以InLow、InHigh分別取值0、32 000，如果選擇4～20 mA的傳感器，InLow、InHigh分別取值 6 400、32 000；OutLow、OutHigh分別是溫、濕度傳感器的測量范圍，溫度為0～50 ℃，濕度為0～100%，所以在圖3的2個模擬量處理模塊中，OutLow取0，OutHigh分別取50、100；XZ是對實際輸出值的偏差進行修正。

在模擬量轉換過程中，處理過程可以用式（1）來表示：

y=[（OutHigh-OutLow）×（IN-InLow）/（InHigh-InLow）]+OutLow+XZ。

由于篇幅限制，把梯形圖轉化成上述指令語句，讀者可以通過編程軟件轉換成梯形圖，較便于直觀理解，式（1）轉換成梯形圖時，要注意數據格式之間的轉換，否則編程軟件會認為錯誤。為方便理解，對上述指令語句中出現(xiàn)的變量給出在PLC中對應的數據類型，詳見表1。endprint

4.2 防頻繁起動處理

制冷設備一般是壓縮機制冷，不宜頻繁啟動、停止，在設計PLC程序時要采用防頻繁啟動處理，也就是如果簡單地比較冷庫的當前溫度和設定溫度，由于傳感器采集溫度時會上下波動，就會造成觸發(fā)控制壓縮機的線圈頻繁啟動和停止?？梢詤⒖紙D4程序，其中VD100為冷庫實時溫度，VD300為冷庫設定溫度，VD304為VD300減去2 ℃的值，Q0.0為控制壓縮機的觸發(fā)線圈，這里2 ℃可以根據傳感器、控制溫度的精度作調整，如果簡單比較VD100和VD300，會頻繁啟動壓縮機，造成制冷設備損壞。

4.3 PID控制

保鮮冷庫有預冷入庫、恒溫保持等4個階段，每個階段控制的溫度不同，所以通過變頻器控制壓縮機的制冷輸出，一方面可以實現(xiàn)軟啟動，另一方面可以實現(xiàn)節(jié)能控制。常用PID的控制方法見式（2）：

u（k）=u（k-1）+KP[e（k）-e（k-1）]+K1e（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]。

（2）

式中：u（k）為控制變頻器頻率的輸出量，0～32 000；e（k）為冷庫溫度和設定溫度的誤差，℃；KP、K1、KD分別是比例、積分、微分參數，對于一般工業(yè)控制，調節(jié)KP、K1 2個參數就可以。在S7-200中，有自帶的PID控制模塊，只要按照PID向導調節(jié)就可以生成，如圖5所示。

在調節(jié)PID參數時，可以參考圖6、圖7，給定值范圍的低限和高限是指傳感器溫度的量程，比例增益和積分時間分別為2.0、2.00 min，采樣時間設定1.0 s。比例增益一般控制在1～10之間，不宜過大，否則會造成超調振蕩，積分時間一般控制在2～4 min。PID調節(jié)與工業(yè)現(xiàn)場的復雜度有關系，在實際工作時需要一個積累重復的過程。

5 通信設置

S7-200通信口采用RS-485通信協(xié)議，不同的型號具有1～2個RS-485通信口，維綸觸摸屏和S7-200的通信接

線如圖8所示。不同的觸摸屏型號所定義的通信讀、寫狀態(tài)針不一樣，實際通信時要注意接線，一般需要自制通信接口。維綸觸摸屏串口定義1針為RX+，2針為RX-，S7-200定義3針為D+，8針為D-，5針一般都是GND（隔離地），還需要注意波特率、奇偶檢驗等設置。

同樣，與上位機電腦監(jiān)視通信時，PLC也采用圖8的接口定義，但是上位機電腦與多個PLC監(jiān)視通信時，采用485通信協(xié)議時，要按照“手拉手接線”方式，如圖9所示，如果有2路手拉手接線方式， 不能在終端合并接入電腦的同一個232轉485接線口，必須使用“一分二485轉換模塊”才可以通信。

6 測試結果

觸摸屏和上位機界面設計如圖10所示，其中15個監(jiān)測點的溫度、濕度數據，能夠清楚地在橫向、縱向距離上監(jiān)測保鮮冷庫的溫、濕度。

綜合利用PLC技術和PID控制方法，建立了農產品保鮮冷庫模型，在冷庫內不同高度、多個位置安裝了溫濕度傳感器，經過運行測試，觸摸屏和上位機監(jiān)測數據穩(wěn)定。在圖10中，冷庫設定溫度12 ℃，濕度90%，溫度誤差范圍控制在5%以內，濕度誤差范圍控制在1.67%以內，滿足工業(yè)設計要求，有一定的推廣價值。

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