智能排油煙控制系統(tǒng)在商用廚房的應(yīng)用研究

王 莉

引言

據(jù)統(tǒng)計，廚房排油煙系統(tǒng)的能耗通常占整個廚房能耗的30%以上，并且會產(chǎn)生大量的負(fù)壓，導(dǎo)致整個餐廳的空調(diào)冷量被廚房大量消耗。隨著科技的飛速發(fā)展，近年來，在商用廚房的使用中逐步形成了以計算機(jī)控制為基礎(chǔ)的排油煙控制系統(tǒng)，從而使廚房排油煙以最小的能耗達(dá)到最佳的運行效果，并能滿足整體空間的風(fēng)量平衡，達(dá)到高效節(jié)能的要求。因此，研究廚房智能排油煙的控制系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

排油煙智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及運行原理

排油煙智能控制系統(tǒng)采用的是算法控制，由傳感器、電動風(fēng)閥、變頻器及計算機(jī)控制主板組成，需在每一個烹飪設(shè)備上安裝傳感器，并在烹飪設(shè)備上方的排油煙風(fēng)管上加裝電動風(fēng)閥。下文以某企業(yè)員工廚房排油煙系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)為例，研究商用廚房排油煙的控制。

首先將廚房的烹飪設(shè)備進(jìn)行分類，并對不同的烹飪設(shè)備進(jìn)行風(fēng)量需求的分配。以該廚房為例，有炒爐、湯爐、蒸柜及烤箱等各類設(shè)備，共計26個，根據(jù)各類不同設(shè)備給予一個固定的分值（即風(fēng)量需求），例如每一個炒鍋為300 分值，每一個湯鍋為100 分值，每個蒸柜為200 分值，這些設(shè)備分值的總和即整個廚房所需求的總分值。在廚房使用時，烹飪設(shè)備開始熱加工并發(fā)生熱輻射，這時傳感器檢測出烹飪設(shè)備對象的溫度變化后，將變化傳輸?shù)街骺刂齐娔X，所得到的溫差值即為該烹飪設(shè)備的使用狀態(tài)變化。根據(jù)溫差的大小，系統(tǒng)可以給出該烹飪設(shè)備的需求分值大小，溫度變化越高，則給予的分值越大，直至達(dá)到原設(shè)定的最大固定分值。根據(jù)不同類型的烹飪設(shè)備的需求，可以設(shè)計不同的計算方法（例如炒爐的單位計算量為15分/℃，煮湯爐的單位計算量為10 分/℃）。在這個值變化過程中，主控制器會控制烹飪設(shè)備上方排油煙風(fēng)管的電動風(fēng)閥，使其根據(jù)分值的變化同步進(jìn)行開度調(diào)節(jié)。將不同使用狀態(tài)下的烹飪設(shè)備需求風(fēng)量進(jìn)行分布式的調(diào)節(jié)：高峰使用的，加大風(fēng)閥開度；低峰或不使用的，減少開度。主控制電腦會將目前使用中所有烹飪設(shè)備的風(fēng)量需求分值之和與設(shè)定的固定總分值進(jìn)行比例計算，得出目前廚房所需要的風(fēng)量值的百分比，按這個百分比對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行時，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如果廚房需要的實際風(fēng)量減少為原來的50%，則風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降為原來的50%，功率則降為原來的12.5%。通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)的功率輸入，從而節(jié)省大量的電能。

在廚房內(nèi)，除了排油煙風(fēng)機(jī)外，還設(shè)置了補(bǔ)風(fēng)機(jī)。對排油煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻的同時，也對補(bǔ)風(fēng)機(jī)進(jìn)行同步大小變頻，這樣就可以將廚房的環(huán)境穩(wěn)定在微小負(fù)壓的狀態(tài)下，從而避免廚房的通風(fēng)系統(tǒng)與餐廳的通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生過多的矛盾，調(diào)節(jié)整體空間的風(fēng)平衡。

智能排油煙系統(tǒng)設(shè)計

1.控制系統(tǒng)組成原理圖

下圖為智能排油煙分布式控制系統(tǒng)原理圖。其上位機(jī)采用雙主芯片，帶有FPU 的ARM32 位Cortex-M4CPU、主頻180MHz，LCD 并行接口，時鐘、復(fù)位和電源管理，3 個12 位的2.4MSPS ADC 24 通道，2 個12 位D/A 轉(zhuǎn)換器等，與通信接口等組成中央主控制器?？刂破魍ㄟ^通信接口和RS-485 總線冷連接，實現(xiàn)上位機(jī)與下位控制器的正常通信。下位機(jī)采用16 層深硬件堆棧和49 個指令，提供高達(dá)8 個MIP、7 千字節(jié)程序存儲器、256 字節(jié)RAM 和256 字節(jié)數(shù)據(jù)EEPROM 的主芯片。其主要功能是讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制存儲和解讀邏輯算法及執(zhí)行各種運算程序、輸出運算結(jié)果、執(zhí)行系統(tǒng)診斷程序、完成與中央主控制器和外部設(shè)備的通信。各種控制設(shè)備因有下位機(jī)，可獨立運行，完成各自的功能；各控制設(shè)備也可以在上位機(jī)的控制和協(xié)調(diào)下運行，實現(xiàn)預(yù)定的各種功能。由于各控制設(shè)備可以脫離上位機(jī)工作，上位機(jī)的故障影響面大大減小，系統(tǒng)運行更加安全、可靠。

智能排油煙分布式控制系統(tǒng)原理圖

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計理論基礎(chǔ)

該系統(tǒng)為一個完整的算法系統(tǒng)。因為烹飪只有在熱加工的狀態(tài)下，才會產(chǎn)生油煙氣或蒸汽。系統(tǒng)利用這個原理，采用溫度傳感器的采集方式，對烹飪點的熱輻射進(jìn)行采集，并通過不同烹飪設(shè)備上升溫度變化與環(huán)境溫度進(jìn)行差值計算，將該溫度差值結(jié)合這個烹飪設(shè)備的屬性，進(jìn)行風(fēng)量變化需求計算，從而得出該工作位的當(dāng)前實時風(fēng)量需求。然后與這個工作位最大風(fēng)量值進(jìn)行比例計算，得出該工作位的風(fēng)閥開度。例如，一個炒爐烹飪工作位，設(shè)置它的最大風(fēng)量值為300 分值。當(dāng)系統(tǒng)通過傳感器得到該工作點溫度上升了10℃，按每上升1 度為15 分值設(shè)計，則該烹飪點當(dāng)前風(fēng)量需求為150 分值，是最大分值的50%，系統(tǒng)可以按此比例開啟風(fēng)閥50%的開度。如果這個工作位的溫度上升了20℃，則當(dāng)前風(fēng)量需求為300 分值，已經(jīng)達(dá)到了最大分值，則風(fēng)閥開度就應(yīng)該是100%。假設(shè)該廚房總共有10 個炒爐組成的，所有工作位的最大分值總和為3000 分值。當(dāng)有5 個工作位上升10℃，5 個工作位上升20℃，則當(dāng)前分值為10x15x5+20x15x5=2250，2250/3000x100%=75%，當(dāng)前的風(fēng)量需求為總值的75%。根據(jù)公式n=60f/p（n-轉(zhuǎn)速，f-電源頻率，p-電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)），系統(tǒng)將變頻器工頻50Hz 調(diào)節(jié)至37.5Hz，就能滿足廚房風(fēng)量需求。當(dāng)然，我們還需要將廚房想象得更復(fù)雜一些，廚房會有不同的烹飪設(shè)備，使用時的分值也是會有很多種的組合，有些分值大，有些分值小，有些分值隨溫度變化波動大，有些分值隨溫度變化波動小，這些都需對各類烹飪設(shè)備的實際運行情況進(jìn)行不斷的研究和調(diào)試，從而達(dá)到最佳使用效果。此外，我們還需要將風(fēng)壓的因素考慮在內(nèi)，對靜態(tài)及動態(tài)風(fēng)壓變化進(jìn)行考慮。在一些情況下，也需要對風(fēng)閥的開度和風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最佳效果。

3.智能排油煙系統(tǒng)的節(jié)能率分析

以該員工廚房改造系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)為例（表1 為該廚房的節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計表）。該員工廚房每天開設(shè)3 餐，工作日每天使用時間為白天8 小時，晚上4小時，周末與節(jié)假日每天使用10 小時，設(shè)有2 臺18.5kW 的排油煙風(fēng)機(jī)，2 臺5.5kW 的補(bǔ)風(fēng)機(jī)以及一臺11kW 空調(diào)風(fēng)機(jī)。實測這5 臺電動機(jī)50Hz 工頻運行下的實際能耗：炒鍋排油煙16.2kW·h、蒸車排風(fēng)15.6 kW·h、炒鍋新風(fēng)3.2 kW·h、蒸車新風(fēng)5.4 kW·h、空調(diào)新風(fēng)7.6 kW·h。分析為時一周的使用數(shù)據(jù)，總的使用時間約為78 小時，實際抄表用電1132 kW·h。如果未安裝智能排油煙系統(tǒng)，按照工頻實際功率來計算，該廚房排油煙需要使用3724.6kW·h。對比安裝系統(tǒng)前后，該廚房使用一周的節(jié)電量為2592.6 kW·h，節(jié)能率達(dá)到了69.6%，實現(xiàn)了高效的節(jié)能。

節(jié)能系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)表

結(jié)語

本文設(shè)計了以搭建廚房烹飪工作點的模糊模型算法為核心的智能排油煙分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了排油煙使用系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的自動控制、并使各烹飪工作位子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，達(dá)到整體的風(fēng)系統(tǒng)平衡，最終使得商用廚房的排油煙系統(tǒng)更可靠，更高效，更節(jié)能。