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基于雙監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2012-06-19 04:42:50張東霞呂恩利陸華忠許錦鋒
關(guān)鍵詞:廂體冰點(diǎn)溫度傳感器

張東霞,呂恩利,陸華忠,許錦鋒,趙 磊

(1佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系,廣東佛山528137;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642)

保鮮運(yùn)輸廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均勻是影響果蔬保鮮運(yùn)輸品質(zhì)的主要問題,運(yùn)輸廂體內(nèi)的溫差可達(dá)15℃[1],溫度高的區(qū)域,果蔬新陳代謝強(qiáng),保鮮期短;溫度低的區(qū)域,果蔬可能發(fā)生凍害[2].目前果蔬保鮮運(yùn)輸普遍通過采集單點(diǎn)溫度對(duì)廂內(nèi)溫度進(jìn)行控制[3].此方法易造成廂體內(nèi)溫度分布不均勻.針對(duì)單點(diǎn)溫度控制存在的問題,有學(xué)者提出采用多點(diǎn)溫度的平均值對(duì)保鮮環(huán)境溫度進(jìn)行控制[4-5],該方法可減小溫度過低區(qū)域的范圍,但不能防止局部低溫的出現(xiàn)且多路溫度傳感器布置會(huì)影響貨物裝載.

為此,本文設(shè)計(jì)了基于壓差原理的溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),以可編程控制PLC(西門子子S7-300,CPU為314)為核心控制器,開發(fā)了基于雙測(cè)點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng),既能將運(yùn)輸廂內(nèi)的溫度控制在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi),又能防止運(yùn)輸廂體前端的果蔬被凍傷.

1 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 試驗(yàn)裝置

基于壓差原理的保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示.廂體結(jié)構(gòu)基于壓差原理設(shè)計(jì),規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為2.38 m×1.28 m×1.40 m,開孔隔板將其分為壓力室和保鮮室,保鮮室底部設(shè)有高為30 mm的氣流導(dǎo)軌,頂部設(shè)有回風(fēng)道.離心風(fēng)機(jī)(型號(hào):HYA250;功率:250 W;最大靜壓:860 Pa;最大風(fēng)量:500 m3/h)安裝在風(fēng)機(jī)安裝板上,風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與懸掛于壓力室上方的蒸發(fā)器正對(duì),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制.制冷裝置的核心部件壓縮機(jī)(法國(guó)泰康,型號(hào)為FH4524F)功率為1 491 W.風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),回風(fēng)道形成負(fù)壓,壓力室內(nèi)產(chǎn)生高壓.在壓差的作用下,保鮮室內(nèi)的氣體經(jīng)過回風(fēng)道進(jìn)入壓力室,與制冷裝置的蒸發(fā)器進(jìn)行換熱,然后通過開孔隔板進(jìn)入保鮮室,如此循環(huán).由于冷氣首先到達(dá)保鮮室近開孔隔板處,該處溫度最低;在冷氣向后方流動(dòng)過程中不斷與果蔬換熱,溫度逐步升高,廂體后端溫度最高.因此,在廂體后端布置后溫度傳感器(型號(hào):CT-D/I,量程:-20~80℃,精度:±0.3℃),作為控制系統(tǒng)的主監(jiān)測(cè)點(diǎn),以監(jiān)測(cè)保鮮環(huán)境溫度;在開孔隔板處布置前溫度傳感器(型號(hào):CT-D/I,量程:-20~80℃,精度:±0.3℃),作為控制系統(tǒng)的輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn),以監(jiān)測(cè)保鮮室內(nèi)低溫,防止果蔬低溫傷害.

圖1 保鮮運(yùn)輸溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Testing platform of temperature control system in fresh-keeping transportation

通過PLC采集前溫度傳感器和后溫度傳感器的數(shù)據(jù),控制變頻器、制冷和融霜.通過變頻器控制風(fēng)機(jī),以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速.通過人機(jī)交互界面顯示前溫度傳感器、后溫度傳感器的采集值,以及設(shè)定果蔬的目標(biāo)保鮮溫度和冰點(diǎn)溫度.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用廣東產(chǎn)香蕉,總質(zhì)量350 kg,購(gòu)于水果批發(fā)市場(chǎng),未預(yù)冷,未經(jīng)任何催熟處理,果實(shí)七成熟,果實(shí)規(guī)則,無病蟲害,無損傷,表皮呈青綠色,色彩光鮮.香蕉用瓦楞紙箱包裝,堆棧方式采用滿載.

為獲得前溫度傳感器的控制參數(shù),需計(jì)算香蕉的冰點(diǎn)溫度.果蔬的冰點(diǎn)溫度與果蔬內(nèi)的糖分、蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān),它的計(jì)算公式如下[6]:

式中,TL—水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ww時(shí)初始凍結(jié)溫度(K)=173.05 K;L—純水在時(shí)的摩爾融化熱,6.003 kJ;R—?dú)怏w摩爾常數(shù),8.314 J/(mol·K);xs—可溶性固體摩爾分?jǐn)?shù),由1-xw所得;xw—水在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù);ws—溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ww—水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(果蔬含水量);Mw—水的摩爾質(zhì)量;Ms—溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量.

經(jīng)計(jì)算,香蕉的冰點(diǎn)溫度約為0℃.據(jù)文獻(xiàn)[7]報(bào)道,香蕉的保鮮溫度為12~16℃.

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 系統(tǒng)控制線路

系統(tǒng)的控制線路如圖2所示.前溫度傳感器和后溫度傳感器連接于PLC的模擬量輸入模塊.手/自動(dòng)切換控制線、制冷控制線、融霜控制線分別與繼電器 KA1、KA2、KA3 連接,繼電器 KA1、KA2、KA3 和變頻器連接于PLC的數(shù)字量輸出模塊,PLC通過繼電器KA1、KA2、KA3的通斷來控制手/自動(dòng)切換開關(guān)、制冷、融霜工作,通過變頻器來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.PLC的RS485串口通過MPI線與人機(jī)交互界面的RS485連接[8-11].

圖2 溫度控制系統(tǒng)控制電路Fig.2 Circuit diagram of temperature control system

2.2 控制策略

通過監(jiān)測(cè)廂體前端冷氣出口溫度,防止溫度過低凍傷果蔬;通過監(jiān)測(cè)廂體后端的溫度,調(diào)節(jié)廂內(nèi)香蕉適宜的保鮮環(huán)境溫度.設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)流程如圖3所示.將前溫度傳感器的信號(hào)記作θ1,將后溫度傳感器的信號(hào)記作θ2.

開啟系統(tǒng),PLC首先切斷手動(dòng)控制線路,以保障系統(tǒng)穩(wěn)定.在人機(jī)交互界面上設(shè)定香蕉的保鮮溫度的上限值16℃、下限值12℃和冰點(diǎn)溫度0℃.PLC讀取人機(jī)交互界面設(shè)定的參數(shù)和廂體前、后溫度傳感器采集到的溫度信號(hào),判斷后溫度傳感器與香蕉適宜保鮮溫度的關(guān)系、判斷前溫度傳感器與香蕉冰點(diǎn)溫度的關(guān)系,以采取對(duì)應(yīng)的控制方法.若θ2>16℃,θ1<5℃(自定義為冰點(diǎn)保護(hù)值:冰點(diǎn)溫度+5℃),則只開啟風(fēng)機(jī),風(fēng)速為6 m/s(頻率31.5 Hz).若θ2>16℃、θ1>5℃,開啟制冷和風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為8 m/s(頻率42 Hz).當(dāng)θ2<12℃或者θ1<0℃時(shí),則關(guān)閉制冷和風(fēng)機(jī).若制冷連續(xù)工作2 h,則關(guān)閉制冷和風(fēng)機(jī),開啟融霜,融霜工作4 min后關(guān)閉,重新開啟制冷和風(fēng)機(jī).若θ2<16℃、θ1>0℃,則溫控系統(tǒng)不工作.若θ2<16℃、θ1<0℃,則開啟風(fēng)機(jī),風(fēng)速為6 m/s,當(dāng) θ1>5℃時(shí),關(guān)閉風(fēng)機(jī).其中,冰點(diǎn)保護(hù)值的設(shè)定是為避免風(fēng)機(jī)、制冷裝置頻繁起動(dòng)[12-16].

3 試驗(yàn)結(jié)果

啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng),進(jìn)行59 h試驗(yàn),廂體內(nèi)前溫度傳感器和后溫度傳感器的數(shù)值變化如圖4所示.

從圖4可以看出,溫度控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定,既能夠調(diào)節(jié)廂體內(nèi)的保鮮環(huán)境溫度至目標(biāo)值,又可以防止低溫出現(xiàn).從試驗(yàn)開始至42 h,廂體前端的溫度保持在果蔬冰點(diǎn)溫度之上,保鮮環(huán)境溫度能夠穩(wěn)定控制在設(shè)定的12~16℃,香蕉果肉溫度逐步降低.42 h后,冷氣出口溫度在制冷時(shí)易達(dá)到果蔬的冰點(diǎn)溫度,為避免廂體前端果蔬被凍傷,控制系統(tǒng)停止制冷,待前溫度傳感器采樣溫度大于5℃且后溫度傳感器采樣溫度大于16℃時(shí),開啟制冷.運(yùn)輸廂體內(nèi)的溫度控制與控制策略相符合.

圖3 溫度控制流程圖Fig.3 Work flow chart of temperature control system

圖4 試驗(yàn)實(shí)時(shí)溫度曲線Fig.4 Real time temperature curve in experience

4 結(jié)論

針對(duì)運(yùn)輸廂內(nèi)溫差過大易導(dǎo)致部分果蔬被凍傷的問題,設(shè)計(jì)了基于雙監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn):以保鮮室后端的溫度為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn),作為調(diào)節(jié)果蔬保鮮環(huán)境溫度;以保鮮室前端冷氣出口溫度為輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn),防止廂體前端果蔬被凍傷.經(jīng)試驗(yàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,既能將運(yùn)輸廂內(nèi)的溫度控制在果蔬適宜的保鮮溫度范圍內(nèi),又能防止部分果蔬在運(yùn)輸中被凍傷.研究結(jié)果對(duì)提高保鮮運(yùn)輸技術(shù)水平具有一定的參考價(jià)值.

值得討論的是,溫度調(diào)節(jié)還與廂體內(nèi)通風(fēng)速度有關(guān),應(yīng)基于節(jié)約能源和降低干耗的原則,開發(fā)變頻通風(fēng)系統(tǒng),本課題組正對(duì)此進(jìn)行深入研究.

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