自然冷資源保鮮庫自控系統設計及應用

張 飛，周福君

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

隨著人民生活水平的不斷提高，對水果和蔬菜的品質要求也在逐漸增長，但水果和蔬菜的采后損失十分嚴重，果蔬貯藏日益受到人們的關注。

目前果蔬的貯藏方式主要是人工降溫貯藏，即利用機械制冷來調節貯藏環境溫度。在傳統的冷庫中冷卻盤管表面溫度低于零度，空氣中的水分不斷冷凝和結霜，庫藏產品經一段時間的冷藏后水分損失[1-2]。此外，由于盤管周期性化霜，庫溫也就相應周期性波動，不利于保鮮。同時，由于制冷設備的容量設計按冷藏物從入庫溫度冷卻到冷藏溫度的尖峰負荷確定[3]，該符合比冷藏過程中平均負荷大得多，因此設備容量大，體積大，造價高。近些年隨著能源危機的加重及環保問題的日益迫切，使得人們研究更加完善的果蔬貯藏方法，來實現能源節約和低碳經濟來環境改善[4]。

我國北方有著獨特的氣候特點和豐富的自然冷資源，即冬冷夏熱，如果能把冬季自然冷資源儲存到夏季，這部分冷量就可以作為夏季的冷源來調節保鮮庫內的溫度。在北方利用自然冷資源貯藏蔬菜既節約能源又保護環境，這是一種綠色能源[5]。

隨著科技進步和計算機技術的不斷發展，利用虛擬儀器（Virtual instrumention，VI）實現保鮮庫的溫度和濕度的自動控制得以有效應用。通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶通過友好的圖形化操作界面來使用計算機完成測控任務，用戶根據自己的需要定義和制造各種儀器來測控環境的溫濕度。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數據采集和數字信號處理技術。目前廣泛使用的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW軟件。本設計基于LabVIEW軟件平臺，應用虛擬儀器技術實現對自然冷資源保鮮庫內的溫度、濕度參數自動監控，已達到提高果蔬保鮮質量的目的。

1 自控系統參數設計

無論是居室、畜禽舍及果品蔬菜保鮮，生物體和環境之間都存在能量的交換。以蔬菜為例，采摘后仍然進行呼吸作用，呼吸強度是一個衡量呼吸強弱的一個指標。呼吸強度越大，各種生理、生化過程經行的越快，營養物質消耗得越快，蔬菜衰老的也就越快，貯藏壽命也就越短了[6]。因此抑制蔬菜的呼吸強度成為蔬菜保鮮的重要環節之一。除了蔬菜種類和蔬菜本身的特性之外，影響蔬菜呼吸強度的主要環境因素有:溫度、濕度、氣體成分、機械傷害和其他微生物的侵染等。蔬菜本身的特性不易控制，所以控制蔬菜的外部環境因素成為延長蔬菜保鮮期的一個重要方法，在影響果蔬采后貯藏的環境因素中，溫度、濕度、二氧化碳影響最為顯著。

國內外對保鮮庫或溫室的檢測與控制進行了大量研究，其中用單片機和PLC模糊控制居多。單片機成本低廉，體積小，自動化程度高，環境因素控制精確，但單片機不夠穩定，設計復雜，系統開發周期比較長，給設計者帶來了難度；隨著PLC技術的成熟，PLC控制技術在自動化控制中所占的比重越來越大。PLC具有可靠性高、功能強、安裝簡單、維修方便、系統開發周期短、穩定性好等優點，但PLC成本高，不利于大范圍的推廣[7]。隨著計算機技術，虛擬測試技術模塊和控制模塊的高速發展，VI在測控領域越來越受到人們的青睬。虛擬測控技術具有開發周期短，成本低廉，系統穩定性和可靠性高等優點[8]。

本控制系統中，保鮮庫環境參數確定為溫度（多點）、濕度（多點）以及CO2氣體濃度。采用傳感器將信號經數據采集模塊輸入計算機，通過虛擬儀器加以控制。

2 自動控制系統設計

自控系統有硬件部分和軟件部分組成。本系統中硬件部分主要有溫度傳感器、濕度傳感器、Rma411遠端模擬量采集模塊、RM4024遠端模擬量輸出模塊、PC機等組成。軟件部分采用美國NI公司的Labview軟件。

2.1 硬件部分

2.1.1 數據采集模塊

Rma411是遠端輸入采集模塊，適用于各類工業現場，可采集16路模擬量，并轉換成相應的環境參數，通過RS485接口，與上位機實時通訊。Rma411采用maX132CNGA/D轉換芯片進行18位雙積分模數轉換。同時采用了光電隔離技術，使模塊的抗干擾能力進一步加強。Rma411模塊有上下兩排接線端子，共2×24=48個點，每個輸入端子占用三個點，共可接16個傳感器。

2.1.2 數據輸出模塊

RM4024選用AT89C2051單片機和BB公司的DAC7625 D/A轉換芯片進行12位數模轉換，可輸出0～5 V電壓信號，并通過RS485與上位機通訊。它同時采用了光電隔離技術，使供電電源和通訊與模擬輸出分開，使模塊的抗干擾能力進一步提高。RM4024遠端模擬量輸出模塊適用于各類工業現場,可輸出4路電壓信號，并通過RS485接口，與上位機進行實時通訊。

2.1.3 溫度傳感器

傳感器的種類多種多樣，選用適合本采集模塊的pt100熱電阻式與外接變送器組合成的的分體式溫度傳感器。鉑熱電阻是一種精確度高，靈敏度高的傳感器，其線性溫度阻值優于其他電阻式熱傳感器，性能穩定，可靠性高。Pt100溫度傳感器采用三線制接線方式，這種連接方式達到了試驗的要求。由于工作過程中傳感器探頭要與水接觸，所以接線處帶有防水封裝，通過pt100將溫度信號轉換為電流信號，再由變送器轉化為采集卡所需要的標準信號。

2.1.4 濕度傳感器

濕度傳感器采用的SC系列濕度傳感器，該傳感器比較適宜現場測量環境的相對濕度。

2.1.5 硬件連接

將所有硬件設備按照相應的技術要求進行連接，原理圖如圖1所示。其中Rma411模塊采用24 V穩壓電源供電。溫度傳感器PT100與變送器組合的方式與Rma411實現連接。RA411通過RS232/485轉換器實現和計算機的連接，接線方法采用兩線制。上述連接構建所有數據的采集通道。RM4024模塊也采用24 V穩壓電源供電，它與Rma411共用1個電源。控制系統的信號輸出，通過RS232/485轉換器與RM4024模塊連接，接線方法采用兩線制。輸出信號經RM4024模塊編譯后，傳輸給開關量輸出模塊，信號經其放大后驅動繼電器實現對高壓電器的操作。

圖1 硬件系統總體設計Fig.1 Design of the total configuration on system

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件選取

VI是美國國家儀器公司（National instruments crop，NI）于1986年推出的感念，是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是計算機輔助測試（CAT）領域的一項重要技術[9]。它突破了傳統儀器的感念，即軟件就是儀器，儀器就是軟件，虛擬儀器將現代計算機技術、軟件設計技術、測試技術和高性能模塊化技術結合在一起的一種功能強大而又靈活的軟件儀器，與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優勢[10]。

目前流行的VI軟件開發工具有兩類:文本式編程語言有C、C++、VB、Labvindows/CVI等；圖形化編程語言有LabVIEW、AgilentVEE等。其中LabVIEW最流行，是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件[11]。

LabVIEW的開發環境分為三部分:前面板（Pane1）、框圖程序（Diagram program）和圖標/連接端口（Icon/termina1）。前面板是圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出量[12]。

為了實現對整個試驗過程中的溫度數據的采集和動態顯示、分析、自動控制，該自然冷資源保鮮庫自動控制系統具有以下幾個主要功能:

①傳感器的校準，保證采集數據的精度；②可同時對多個測點進行溫度測試，并實時顯示測試點的溫度數據及變化曲線；③為了試驗數據分析的需要，自行設定數據采集周期，將采集來的數據進行存儲；④試驗過程中，完成對溫度等數據的自動控制；⑤計有試驗過程中采集數據防溢出程序。

2.2.2 程序和界面設計

保鮮庫環境自動控制系統一般采用位式調節。它通常由溫度傳感器、溫度指示調節器和供液電磁閥等組成，使庫溫下降。當庫溫升高到設定值時，在控制系統作用下，電磁閥自動開啟。向換熱器供液，使庫溫下降。當庫溫降到設定下限值時，則切斷電磁閥的供電，使電磁閥關閉，停止向蒸發器供液。圖2所示為設計的控制系統的程序界面。該系統實現了數據的自動采集、溫度和濕度自動控制、自動顯示。

圖2 自動控制系統的程序界面Fig.2 Block diagram of automatic control system

3 應用與討論

結合本試驗采集數據的特點及要求，首先對數據采集函數進行初始化，制定適當的采集頻率、采集數據保存路徑、采集數據的實時顯示以及動態變化等試驗方案，完成自然冷資源保鮮試驗溫度采集系統程序設計的應用。

利用上述自控系統對實際保鮮庫進行溫、濕度自控試驗。試驗環境為2 m×2 m×2 m密閉空間，采用20 cm厚度的聚氨酯苯板作為維護結構，環境初始溫度為20℃，目標溫度為5℃，環境濕度65%，啟動該自控系統，通過Rma411遠端熱電阻采集模塊，實現對溫、濕度信號傳輸、處理、顯示和儲存，借助RM4024遠端模擬量輸出模塊，達到了對風機、水泵的控制，5.5 min后環境溫度達到目標值并穩定在（5.0±0.5）℃。自動控制系統的應用試驗取得預期效果。

通過對整個系統的應用，表明自動控制部分自動化程度較高，能夠實時觀察到保鮮室的溫度、濕度變化和數據顯示情況，能把環境參數的變化情況時時記錄和保存下來，并實現自動控制。

上述研究表明利用自然冷資源保鮮技術具有適應性強、節能、保濕性好等特點，符合果蔬貯藏保鮮技術發展方向。而基于虛擬儀器的濕冷保鮮庫溫、濕度自控系統因采用了最新測控技術，應用前景廣闊，具有很大的發展空間，有待于深入研究。

[1]Vigneaut C. Natural ice used to refrigerate a storage building[J].International Winter Meeting.American Society of Agri Eng Paper,1989:10.

[2]Neto J H M,Krarti M.Deterministic model for an internal melt ice-on-cool thermal storage tank[J].ASHRAE Transactions,1997,103(1):113-124.

[3]劉巖.自然冷資源輔助空調系統研究[D].哈爾濱:東北農業大學,2007.

[4]李里特.關于利用冷資源貯藏生鮮農產品的研究現狀與前景[J].農業工程學報,1991,7(1):18-23.

[5]周福君,劉健,喬穎.利用自然冷資源貯藏保鮮的應用研究[J].農機化研究,2001(1):93-94.

[6]馮雙慶.果蔬貯運學[M].北京:化學工業出版社,2008:50-54.

[7]吳九輔.現代工程檢測及儀表[M].北京:石油出版社,2004.

[8]張景輝.基于虛擬儀器的多路溫度測控試驗裝置[J].傳感器資訊,2003(7):101-103.

[9]馬草原,郭雙強,李國欣.基于LABVIEW的串口調試與數據分析[J].工礦自動化報,2005,26(4):74-75.

[10]張桐,陳國順,王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京:電子工業出版社,2008:3-7.

[11]樊琦.基于LabVIEW的溫室環境智能測控系統軟件設計實現[D].杭州:浙江大學,2006.

[12]楊忠仁,饒程,鄒建,等.基于LabVIEW數據采集系統[J].重慶大學學報,2004,24(2):32-35.