王廣海　呂恩利　陸華忠等

摘要：通過(guò)搭建氣調(diào)保鮮試驗(yàn)平臺(tái)，以SIMENS S7-300為主控制器設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，提出了基于低溫保護(hù)優(yōu)先的控制策略，采用雙限值的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣調(diào)保鮮環(huán)境的自動(dòng)控制。以臍橙為試驗(yàn)物料，開(kāi)展液氮充注氣調(diào)保鮮試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，綜合實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、濾波、計(jì)算、控制、反饋、人機(jī)對(duì)話和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)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(yàn)

中圖分類號(hào)： TS255.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0368-05

氣調(diào)保鮮是現(xiàn)階段較為先進(jìn)的一種食品保鮮方法，滿足消費(fèi)者對(duì)食品安全和品質(zhì)的嚴(yán)格要求，氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)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(jī)作為控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、氣調(diào)參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)控和遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控等功能[9-12]。由于更多的電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)在氣調(diào)保鮮運(yùn)輸上的普遍應(yīng)用，對(duì)控制系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力、遠(yuǎn)程通信技術(shù)等提出了新的要求。單片機(jī)系統(tǒng)成本低，但抗干擾能力較差、系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定、遠(yuǎn)程通信復(fù)雜等特點(diǎn)給氣調(diào)保鮮運(yùn)輸系統(tǒng)的研究和應(yīng)用帶來(lái)不便[13-16]。可編程控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)在工程自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[17]。本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)果蔬保鮮運(yùn)輸現(xiàn)狀和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PLC（可編程邏輯控制器）的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，為進(jìn)一步氣調(diào)保鮮運(yùn)輸研究提供了試驗(yàn)控制平臺(tái)。

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

氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)采集廂體內(nèi)溫度、濕度、氣體（氧氣和二氧化碳）體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)，并能與預(yù)先設(shè)定的對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，繼而實(shí)現(xiàn)廂體內(nèi)溫度、濕度和氣體成分實(shí)時(shí)綜合調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)。對(duì)氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的要求包括：（1）為防止液氮充注對(duì)貨物造成低溫凍傷，控制系統(tǒng)應(yīng)基于低溫保護(hù)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(cè)、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(qiáng)大、體積小、可在線修改程序、易于與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域[18]。因此，設(shè)計(jì)了基于PLC的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(fēng)速控制機(jī)構(gòu)和通風(fēng)控制機(jī)構(gòu)等組成（圖1）。PLC主控制器負(fù)責(zé)通過(guò)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(dāng)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(guò)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(pán)管在廂體內(nèi)達(dá)到加速汽化的效果，從而實(shí)現(xiàn)廂體內(nèi)的快速降氧；制冷系統(tǒng)采用機(jī)械制冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)制冷；加濕系統(tǒng)采用超聲波加濕方式，通過(guò)超聲波霧化頭（12個(gè)）的振蕩作用，將部分液態(tài)水變成細(xì)小水滴通過(guò)加濕裝置的水霧槽送進(jìn)保鮮區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)加濕的效果；風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)變頻器改變離心風(fēng)機(jī)的工作頻率，從而達(dá)到風(fēng)速變頻調(diào)節(jié)的目的；通風(fēng)控制系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥控制廂體內(nèi)的進(jìn)氣和排氣，達(dá)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(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和通風(fēng)控制系統(tǒng)都是由PLC主控制器集中控制，通過(guò)傳感器組進(jìn)行反饋監(jiān)控。控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面由觸摸屏（HMI）構(gòu)成，并通過(guò)MPI線與PLC進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控廂體內(nèi)溫度、濕度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。無(wú)紙記錄儀記錄各傳感器的監(jiān)測(cè)值，并與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送和存儲(chǔ)。氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控平臺(tái)見(jiàn)圖2。

1.2 設(shè)備選型

主控制器設(shè)計(jì)采用SIMATIC S7-300可編程控制器，是德國(guó)西門(mén)子公司針對(duì)中低性能要求設(shè)計(jì)的模塊化中小型PLC，最多可擴(kuò)展32個(gè)模塊。S7-300的CPU單元采用CPU314，裝配有微處理器、擴(kuò)展存儲(chǔ)器和多點(diǎn)接口MPI。微處理器每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約100 ns，每條浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)行指令約3 μs；微存儲(chǔ)卡作為程序的裝載存儲(chǔ)器；內(nèi)置MPI接口可以最多同時(shí)建立12個(gè)與S7-300/400或與PG、PC、OP的連接。

果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)需完成以下任務(wù)：（1）通過(guò)PLC與觸摸屏（HMI）通信，決策當(dāng)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(jì)算出充氮電磁閥、制冷機(jī)組、超聲波加濕裝置、進(jìn)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(bào)信號(hào)。

主控制器系統(tǒng)由電源模塊（PS300）、主機(jī)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(jiàn)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(jī)組、超聲波加濕裝置、進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、變頻器、離心風(fēng)機(jī)等執(zhí)行設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)主要設(shè)備的硬件配置見(jiàn)表2。

2 控制策略

主控制器功能主要在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程見(jiàn)圖3。STEP7提供了一個(gè)以固定間隔循環(huán)運(yùn)行（定時(shí)中斷）的組織塊OB35，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的定時(shí)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(duì)傳感器采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(jìn)行控制量計(jì)算，刷新控制量輸出并保存當(dāng)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(guò)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(hù)優(yōu)先的雙限值控制策略。當(dāng)開(kāi)孔隔板處溫度傳感器接收到實(shí)際溫度值低于溫度設(shè)定極限值時(shí)，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(dāng)廂體后部溫度傳感器接收到的實(shí)際溫度值低于溫度設(shè)定下限值時(shí)，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(guò)低。

在人機(jī)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，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(shí)，為縮短氣調(diào)環(huán)境調(diào)控時(shí)間，根據(jù)初始溫度值條件，計(jì)算液氮充注和制冷之間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)降氧和降溫的綜合控制。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，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(guò)程，環(huán)境溫度降低了T1；液氮充注和制冷同時(shí)開(kāi)啟完成降氧過(guò)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(dāng)初始環(huán)境溫度與溫度設(shè)定下限值之差T-T0≤T1時(shí)，只開(kāi)啟液氮充注；當(dāng)T-T0≥ T2時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟液氮充注和制冷；當(dāng)T1

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選用臍橙作為試驗(yàn)材料，總質(zhì)量500 kg，采購(gòu)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水果農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，未經(jīng)任何催熟處理，果實(shí)8成熟，大小規(guī)則，無(wú)病蟲(chóng)害，無(wú)機(jī)械損傷，表皮呈橘黃色。將臍橙放入冷庫(kù)預(yù)冷，直至果肉平均溫度達(dá)到5 ℃，裝入水果塑料筐，并置于試驗(yàn)廂體內(nèi)進(jìn)行氣調(diào)保鮮試驗(yàn)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[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?jǐn)?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?jǐn)?shù)極限值為5%。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)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(guò)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(shí)，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(guò)人際交互界面上載至PLC主控制器，啟動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)控試驗(yàn)，驗(yàn)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(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，在持續(xù)4 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，廂體內(nèi)溫度、濕度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和二氧化碳體積分?jǐn)?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(jī)交互。其中氧氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了快速降氧的目標(biāo)，氣調(diào)過(guò)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(guò)程對(duì)濕度存在一定的影響。試驗(yàn)過(guò)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(jì)了基于PLC的氣調(diào)保鮮環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，搭建了該控制系統(tǒng)下的試驗(yàn)平臺(tái)，控制策略采用基于低溫保護(hù)優(yōu)先的雙限值自動(dòng)控制方法，試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、濾波、計(jì)算、控制、反饋、人機(jī)對(duì)話和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能；系統(tǒng)能耗較低，節(jié)能效果明顯。

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