面向果品冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)的研究

雷志偉，張?zhí)稞?，宮 哲

（1.河北省自動(dòng)化研究所有限公司，河北石家莊 050081；2.河北省工業(yè)測(cè)控技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050081）

冷庫(kù)作為一種特殊建筑物，主要用于儲(chǔ)存水果、蔬菜等物質(zhì)，通過人工制冷的方式延長(zhǎng)物品的保質(zhì)期。近年來(lái)，冷庫(kù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，規(guī)模也日益增大，對(duì)冷庫(kù)的制冷效果要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)冷庫(kù)控制已不能滿足人們的要求，因此，對(duì)先進(jìn)的冷庫(kù)智能系統(tǒng)進(jìn)行研究尤為重要。

1 冷庫(kù)制冷系統(tǒng)工作原理

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的工作原理是制冷循環(huán)，其過程如圖1所示。制冷循環(huán)的第一步是將制冷劑通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。壓縮機(jī)將低壓低溫的制冷劑氣體吸入，然后通過壓縮作用將其壓縮成高壓高溫的氣體。壓縮后的高壓高溫氣體進(jìn)入冷凝器，通過與外界的冷卻介質(zhì)（通常是空氣或水）接觸，使制冷劑的溫度降低，從而將熱量釋放到外界。在該過程中，制冷劑從氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)。冷凝后的高壓液體制冷劑通過膨脹閥（也稱為節(jié)流閥）進(jìn)入蒸發(fā)器。膨脹閥的作用是降低制冷劑的壓力和溫度，使其進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)變成低壓低溫的狀態(tài)。制冷劑在蒸發(fā)器中與冷庫(kù)內(nèi)部的空氣或物品接觸，吸收空氣中的熱量，從而使冷庫(kù)內(nèi)部的溫度降低。在這個(gè)過程中，制冷劑從液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w狀態(tài)。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)后，以氣體形式再次進(jìn)入壓縮機(jī)，開始新一輪的制冷循環(huán)。

圖1 冷庫(kù)制冷循環(huán)原理

通過不斷的制冷循環(huán)，冷庫(kù)制冷系統(tǒng)可將冷庫(kù)內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)移至外界，從而降低冷庫(kù)內(nèi)部的溫度，實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)的制冷效果。同時(shí)，制冷劑在循環(huán)過程中的相態(tài)變化也起到了傳遞熱量的作用。

2 冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)

冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)是一種應(yīng)用于冷庫(kù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，通過引入自動(dòng)化技術(shù)和智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)環(huán)境和設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)、控制及優(yōu)化。其主要目的是提高冷庫(kù)的運(yùn)行效率、節(jié)能降耗，并對(duì)儲(chǔ)存果品進(jìn)行保鮮。

2.1 系統(tǒng)功能及溫度控制模型

通過安裝溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷庫(kù)內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。系統(tǒng)通過可編程控制器PLC 采集冷庫(kù)溫度、壓縮機(jī)檔位等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，控制壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等完成自動(dòng)制冷過程，并根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)模型對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行制冷。冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)定的目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)整冷庫(kù)的運(yùn)行參數(shù)，如制冷溫度、濕度、風(fēng)速等，以實(shí)現(xiàn)最佳的儲(chǔ)存條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)水果等食品的保鮮。系統(tǒng)通過4G 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和觸屏的實(shí)時(shí)同步功能，實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)的無(wú)人值守。

圖2 冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)框架

冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)包括冷庫(kù)的自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停止、壓縮機(jī)保護(hù)、蒸發(fā)冷自啟動(dòng)、模式切換等功能。系統(tǒng)制冷模式設(shè)計(jì)了時(shí)間制冷模式、溫度制冷模式、自動(dòng)降溫模式3種模式，分別適用于不同的制冷工藝。

以儲(chǔ)存皇冠梨為例，建立冷庫(kù)制冷溫度控制模型。選擇需要制冷的冷庫(kù)編號(hào)，入庫(kù)期間使冷庫(kù)溫度保持在13 ℃，因入庫(kù)時(shí)人員頻繁進(jìn)出，冷庫(kù)內(nèi)溫度回溫快，須進(jìn)行高頻次的制冷，使停機(jī)溫度設(shè)定在13 ℃，此時(shí)采用溫度制冷模式，當(dāng)溫度過高時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)制冷，溫度降至13 ℃時(shí)，制冷自動(dòng)停止。庫(kù)入滿后，需要封庫(kù)降溫，以降低梨的活性，從而能夠更長(zhǎng)時(shí)間的保鮮。此時(shí)，控制系統(tǒng)切換為自動(dòng)降溫模式，一天制冷5次，每次降溫0.2 ℃，實(shí)現(xiàn)皇冠梨活性逐步降低，以延長(zhǎng)其保鮮時(shí)間。在經(jīng)過多天拉低溫度后，溫度降到-1 ℃時(shí)，降溫模式結(jié)束，該庫(kù)封庫(kù)，系統(tǒng)切換為時(shí)間制冷模式，進(jìn)行定時(shí)制冷，保持冷庫(kù)溫度在-1 ℃。

在自動(dòng)降溫模式時(shí)，建立系統(tǒng)降溫模型，通過智能控制系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，使冷庫(kù)按照該溫度模型進(jìn)行制冷控制。

2.2 程序開發(fā)

系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200 SMART 作為下位機(jī)控制器進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，通過STEP 7-Micro/WIN SMART 編程軟件，將子程序轉(zhuǎn)化成指令塊，與普通指令塊一樣，直接拖拽到編程界面就能完成調(diào)用，方便完成復(fù)雜工藝流程的編程。

根據(jù)制冷系統(tǒng)智能控制生產(chǎn)工藝流程編寫制冷啟動(dòng)功能塊、制冷停機(jī)功能塊、壓縮機(jī)加減檔功能塊、冷庫(kù)啟停智能判斷功能塊、降溫模式功能塊、保鮮保護(hù)功能塊、程序保護(hù)功能塊等。以制冷啟動(dòng)功能塊為例，根據(jù)工藝生產(chǎn)流程繪制制冷啟動(dòng)程序流程圖，如圖3所示。根據(jù)庫(kù)存選取需要制冷的冷庫(kù)庫(kù)號(hào)，將系統(tǒng)切換為自動(dòng)模式，啟動(dòng)壓縮機(jī)水泵及制冷管路的進(jìn)氣閥門和回氣閥門，啟動(dòng)完后，啟動(dòng)壓縮機(jī)并進(jìn)行壓縮機(jī)掛擋加載，隨后啟動(dòng)所選冷庫(kù)的制冷風(fēng)機(jī)，以及調(diào)節(jié)閥等，制冷劑流入冷凝器開始冷風(fēng)循環(huán)制冷。

圖3 制冷啟動(dòng)程序流程

系統(tǒng)上位機(jī)采用了繁易FE6100M 工業(yè)觸屏，并配備了Flink 物聯(lián)網(wǎng)模塊。通過二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)PLC 程序的遠(yuǎn)程下載和監(jiān)控功能。觸屏端界面開發(fā)完成后，還可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的同步功能。

系統(tǒng)上位機(jī)界面包括觸屏主界面、手動(dòng)界面、手動(dòng)壓縮機(jī)控制、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)補(bǔ)償、延時(shí)設(shè)置、系統(tǒng)定時(shí)等界面的開發(fā)。

主界面主要用于對(duì)冷庫(kù)當(dāng)前各個(gè)庫(kù)的溫度、制冷、風(fēng)機(jī)等的狀態(tài)整體顯示，一目了然，便于監(jiān)控。冷庫(kù)系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 冷庫(kù)主界面

參數(shù)設(shè)置界面是對(duì)各種控制模式的選擇切換，如圖5所示，在不同的制冷時(shí)期，系統(tǒng)切換為不同的制冷模式，系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定好的溫度變化模型，在一定時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)的自動(dòng)制冷。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

3 系統(tǒng)保鮮及節(jié)能效果分析

系統(tǒng)在趙縣梨庫(kù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試后，經(jīng)過半年的儲(chǔ)存，采用冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)的冷庫(kù)相比于常規(guī)冷庫(kù)，在相同品種的梨上表現(xiàn)出了極大的品相和口感提升。由此得出，果品冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)水果具有長(zhǎng)時(shí)間保鮮的功能，通過對(duì)入庫(kù)時(shí)梨活性的降低再儲(chǔ)存，極大地延長(zhǎng)了果品的保鮮時(shí)間，確保了果品長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后的口感及品相。

通過對(duì)能耗的測(cè)試對(duì)比同一時(shí)期使用智能控制系統(tǒng)前后電費(fèi)統(tǒng)計(jì)得出：通過對(duì)制冷時(shí)間的精確控制，以及制冷時(shí)循環(huán)風(fēng)機(jī)的啟停的控制，冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)對(duì)冷庫(kù)能耗具有明顯的降低。在采用智能控制系統(tǒng)前各月份電費(fèi)及采用智能控制系統(tǒng)后各月份電費(fèi)統(tǒng)計(jì)表顯示，采用冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)后年總能耗減少5.6%左右。通過對(duì)能耗和無(wú)人化的管理，可在一定程度上減少果品冷庫(kù)的能源消耗成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

果品冷庫(kù)智能控制系統(tǒng)可通過對(duì)現(xiàn)有操作冷庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電氣自動(dòng)化改造及智能提升，通過建立系統(tǒng)溫控模型，在水果入庫(kù)后，降低水果活性，從而極大地提高果品保鮮和儲(chǔ)存時(shí)間，解決水果在長(zhǎng)期冷藏儲(chǔ)存后果品質(zhì)量變差的問題，對(duì)果品冷藏儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。