基于PLC的果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計

王廣?！味骼￡懭A忠等

摘要：通過搭建氣調(diào)保鮮試驗平臺，以SIMENS S7-300為主控制器設(shè)計了基于PLC（可編程邏輯控制器）的果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)，提出了基于低溫保護優(yōu)先的控制策略，采用雙限值的控制方法，實現(xiàn)了對氣調(diào)保鮮環(huán)境的自動控制。以臍橙為試驗物料，開展液氮充注氣調(diào)保鮮試驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，綜合實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、濾波、計算、控制、反饋、人機對話和實時監(jiān)測等功能。研究結(jié)果為開發(fā)液氮充注氣調(diào)保鮮運輸裝備提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：PLC（可編程邏輯控制器）；氣調(diào)保鮮；調(diào)控系統(tǒng)；試驗

中圖分類號： TS255.3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0368-05

氣調(diào)保鮮是現(xiàn)階段較為先進的一種食品保鮮方法，滿足消費者對食品安全和品質(zhì)的嚴格要求，氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)是氣調(diào)保鮮技術(shù)的核心，直接影響保鮮環(huán)境的調(diào)控質(zhì)量[1-8]。以往氣調(diào)保鮮系統(tǒng)多采用單片機作為控制系統(tǒng)核心，實現(xiàn)自動控制、氣調(diào)參數(shù)實時測控和遠程無線監(jiān)控等功能[9-12]。由于更多的電子設(shè)備和計算機通信技術(shù)在氣調(diào)保鮮運輸上的普遍應(yīng)用，對控制系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力、遠程通信技術(shù)等提出了新的要求。單片機系統(tǒng)成本低，但抗干擾能力較差、系統(tǒng)運行不夠穩(wěn)定、遠程通信復(fù)雜等特點給氣調(diào)保鮮運輸系統(tǒng)的研究和應(yīng)用帶來不便[13-16]?？删幊炭刂破骶哂锌煽啃愿?、抗干擾能力強、編程簡單、通用性強、使用方便等特點，已經(jīng)在工程自動化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[17]。本研究結(jié)合國內(nèi)果蔬保鮮運輸現(xiàn)狀和特點，設(shè)計了基于PLC（可編程邏輯控制器）的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)，為進一步氣調(diào)保鮮運輸研究提供了試驗控制平臺。

1 果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計

氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)能實時采集廂體內(nèi)溫度、濕度、氣體（氧氣和二氧化碳）體積分數(shù)等參數(shù)，并能與預(yù)先設(shè)定的對應(yīng)參數(shù)進行對比，繼而實現(xiàn)廂體內(nèi)溫度、濕度和氣體成分實時綜合調(diào)節(jié)的控制目標。對氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的要求包括：（1）為防止液氮充注對貨物造成低溫凍傷，控制系統(tǒng)應(yīng)基于低溫保護優(yōu)先；（2）系統(tǒng)能快速調(diào)節(jié)廂體內(nèi)環(huán)境參數(shù)；（3）系統(tǒng)能完成規(guī)定的檢測、控制、反饋和顯示功能；（4）降低系統(tǒng)能耗，起到節(jié)能的效果。PLC是邏輯控制的理想控制器，它以高可靠性、邏輯功能強大、體積小、可在線修改程序、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制等特點已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制領(lǐng)域[18]。因此，設(shè)計了基于PLC的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)由PLC主控制器、液氮充注系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、風速控制機構(gòu)和通風控制機構(gòu)等組成（圖1）。PLC主控制器負責通過處理溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器和二氧化碳傳感器的信息，根據(jù)當前廂體內(nèi)的溫度值、濕度值、氧氣和二氧化碳濃度值作出控制決策。液氮充注系統(tǒng)通過自增壓液氮罐充氮電磁閥控制液氮的出口流量，使液氮流經(jīng)汽化盤管在廂體內(nèi)達到加速汽化的效果，從而實現(xiàn)廂體內(nèi)的快速降氧；制冷系統(tǒng)采用機械制冷機組實現(xiàn)制冷；加濕系統(tǒng)采用超聲波加濕方式，通過超聲波霧化頭（12個）的振蕩作用，將部分液態(tài)水變成細小水滴通過加濕裝置的水霧槽送進保鮮區(qū)內(nèi)實現(xiàn)加濕的效果；風機控制系統(tǒng)通過變頻器改變離心風機的工作頻率，從而達到風速變頻調(diào)節(jié)的目的；通風控制系統(tǒng)通過進氣電磁閥和排氣電磁閥控制廂體內(nèi)的進氣和排氣，達到氣體交換的目的。

液氮充注系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、風機控制系統(tǒng)和通風控制系統(tǒng)都是由PLC主控制器集中控制，通過傳感器組進行反饋監(jiān)控。控制系統(tǒng)的人機交互界面由觸摸屏（HMI）構(gòu)成，并通過MPI線與PLC進行通信，實時監(jiān)控廂體內(nèi)溫度、濕度、氧氣體積分數(shù)和二氧化碳體積分數(shù)等參數(shù)。無紙記錄儀記錄各傳感器的監(jiān)測值，并與PC機實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的實時傳送和存儲。氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控平臺見圖2。

1.2 設(shè)備選型

主控制器設(shè)計采用SIMATIC S7-300可編程控制器，是德國西門子公司針對中低性能要求設(shè)計的模塊化中小型PLC，最多可擴展32個模塊。S7-300的CPU單元采用CPU314，裝配有微處理器、擴展存儲器和多點接口MPI。微處理器每條二進制指令執(zhí)行時間約100 ns，每條浮點數(shù)運行指令約3 μs；微存儲卡作為程序的裝載存儲器；內(nèi)置MPI接口可以最多同時建立12個與S7-300/400或與PG、PC、OP的連接。

果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)需完成以下任務(wù)：（1）通過PLC與觸摸屏（HMI）通信，決策當前設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)；（2）采集溫度、濕度、氧氣和二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)；（3）計算出充氮電磁閥、制冷機組、超聲波加濕裝置、進氣電磁閥、排氣電磁閥、變頻器頻率等控制狀態(tài)；（4）接受溫度、濕度、氧氣和二氧化碳傳感器的反饋信息，調(diào)整控制量；（5）保持相關(guān)數(shù)據(jù)，如遇系統(tǒng)故障，發(fā)出警報信號。

主控制器系統(tǒng)由電源模塊（PS300）、主機模塊（CPU314）、模擬量輸入模塊（SM331）、數(shù)字量輸入輸出模塊（SM323）和觸摸屏（HMI）等組成，控制系統(tǒng)主控制器硬件配置見表1。

控制系統(tǒng)的硬件配置還包括溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等反饋裝置和自增壓液氮罐、充氮電磁閥、制冷機組、超聲波加濕裝置、進氣電磁閥、排氣電磁閥、變頻器、離心風機等執(zhí)行設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)主要設(shè)備的硬件配置見表2。

2 控制策略

主控制器功能主要在定時器中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)，定時器中斷服務(wù)程序流程見圖3。STEP7提供了一個以固定間隔循環(huán)運行（定時中斷）的組織塊OB35，用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的定時中斷服務(wù)。系統(tǒng)工作周期T（采樣周期）設(shè)定為100 ms，控制量刷新周期為800 ms（8×T）。這樣設(shè)定目的在于對傳感器采樣的數(shù)據(jù)進行8次平均值濾波處理。主程序完成程序初始化后，每次定時中斷服務(wù)程序（周期T）均讀取廂體內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結(jié)束，否則進行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當前相關(guān)數(shù)據(jù)。endprint

為防止貨物低溫凍害，在氣調(diào)環(huán)境調(diào)控過程中，廂體內(nèi)的溫度值設(shè)定為控制系統(tǒng)的最優(yōu)先控制因素，采用基于低溫保護優(yōu)先的雙限值控制策略。當開孔隔板處溫度傳感器接收到實際溫度值低于溫度設(shè)定極限值時，關(guān)閉液氮充注系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，直至隔板處溫度值高于溫度設(shè)定極限值+2 ℃或當廂體后部溫度傳感器接收到的實際溫度值低于溫度設(shè)定下限值時，關(guān)閉液氮充注系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，直至廂體后部溫度值高于溫度設(shè)定下限值+2 ℃，以免造成廂體內(nèi)溫度過低。

在人機交互界面上設(shè)定參數(shù)控制的上限值、下限值和極限值。結(jié)合項目經(jīng)驗，控制系統(tǒng)流程分為首次降氧和非首次降氧階段。系統(tǒng)處于首次降氧時，為縮短氣調(diào)環(huán)境調(diào)控時間，根據(jù)初始溫度值條件，計算液氮充注和制冷之間的耦合關(guān)系，實現(xiàn)降氧和降溫的綜合控制。根據(jù)預(yù)試驗，液氮充注使廂體內(nèi)氧氣濃度從21%降至氧氣設(shè)定下限值的過程，環(huán)境溫度降低了T1；液氮充注和制冷同時開啟完成降氧過程環(huán)境溫度降低了T2。為防止廂體內(nèi)溫度低于設(shè)定下限值，當初始環(huán)境溫度與溫度設(shè)定下限值之差T-T0≤T1時，只開啟液氮充注；當T-T0≥ T2時，同時開啟液氮充注和制冷；當T1

3 試驗結(jié)果與分析

選用臍橙作為試驗材料，總質(zhì)量500 kg，采購自華南農(nóng)業(yè)大學水果農(nóng)貿(mào)市場，未經(jīng)任何催熟處理，果實8成熟，大小規(guī)則，無病蟲害，無機械損傷，表皮呈橘黃色。將臍橙放入冷庫預(yù)冷，直至果肉平均溫度達到5 ℃，裝入水果塑料筐，并置于試驗廂體內(nèi)進行氣調(diào)保鮮試驗。據(jù)相關(guān)文獻[19-20]，結(jié)合臍橙的氣調(diào)保鮮環(huán)境參數(shù)，設(shè)定控制系統(tǒng)溫度上限值為10 ℃，下限值為5 ℃，極限值（隔板處溫度值）為-0.8 ℃；設(shè)定濕度上限值為90%，下限值為85%；設(shè)定氧氣體積分數(shù)上限值為9%，下限值為6%，極限值為5%；設(shè)定二氧化碳體積分數(shù)極限值為5%。結(jié)合預(yù)試驗數(shù)據(jù)分析，首次充氮或制冷階段，變頻器設(shè)定頻率為42 Hz；環(huán)境微調(diào)階段，換氣、制冷、加濕和氣調(diào)過程變頻器設(shè)定頻率依次為31.5、21.0、10.5、10.5 Hz；執(zhí)行設(shè)備不工作時，變頻器設(shè)定頻率為0 Hz。設(shè)定T0為5 ℃，T1為3 ℃，T2為12 ℃，S=34-（T-8）/0.2813。將設(shè)定值通過人際交互界面上載至PLC主控制器，啟動控制系統(tǒng)，進行參數(shù)調(diào)控試驗，驗證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。氣調(diào)保鮮環(huán)境參數(shù)調(diào)控曲線見圖6。

從圖6可以看出，在持續(xù)4 d的試驗數(shù)據(jù)中，廂體內(nèi)溫度、濕度、氧氣體積分數(shù)和二氧化碳體積分數(shù)均控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具備良好的人機交互。其中氧氣體積分數(shù)調(diào)控實現(xiàn)了快速降氧的目標，氣調(diào)過程工作平穩(wěn)；濕度控制存在一定的超調(diào)現(xiàn)象，原因是濕度控制具有明顯的滯后性，充氮和降溫過程對濕度存在一定的影響。試驗過程系統(tǒng)的能耗為10.66 kW·h，消耗液氮量14.6 kg。

4 結(jié)論

以SIMENS S7-300為主控制器設(shè)計了基于PLC的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)，搭建了該控制系統(tǒng)下的試驗平臺，控制策略采用基于低溫保護優(yōu)先的雙限值自動控制方法，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，參數(shù)控制平穩(wěn)；控制系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、濾波、計算、控制、反饋、人機對話和實時監(jiān)測等功能；系統(tǒng)能耗較低，節(jié)能效果明顯。

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