基于虛擬儀器技術的漁船超低溫冷庫制冷監控系統研究

徐旻晟 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306)

基于虛擬儀器技術的漁船超低溫冷庫制冷監控系統研究

徐旻晟 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306)

為了解決金槍魚漁船超低溫制冷控制系統自動化程度低，監控效果不理想和監控條件惡劣等問題，提出采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW平臺設計開發了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監控系統，實現了冷庫機組數據的實時監測、數據及動態曲線的顯示、數據的處理及保存、系統控制參數的設定、電子膨脹閥實時狀態檢測和電子膨脹閥控制及輸出顯示等功能。試驗結果表明：該系統運行穩定，自動化程度高，測控及時準確，人機交互界面友好，操作簡單，功能完善。

虛擬儀器技術；金槍魚漁船；復疊式制冷；超低溫

金槍魚漁船在捕撈季節需要在海上進行長時間作業，金槍魚在捕撈上船后需在第一時間經處理后送入-55℃以下的超低溫冷庫進行冷凍保藏，以保證魚肉的新鮮[1]。傳統的金槍魚漁船超低溫冷庫制冷控制系統多采用繼電器邏輯電路組成的控制器，這種控制方式自動化程度低，需要有人員現場監控和操作。由于工作環境惡劣，勞動強度大，容易造成調節滯后、誤操作等問題，并且無法自動采集、保存數據，對機組運行狀態進行分析[2]。考慮到漁船上空間緊張等因素，超低溫冷庫多采用單機雙級活塞式壓縮制冷系統，為達到節能減排的目的，國外一些學者[3-4]提出采用吸收式和吸附式制冷來回收利用漁船柴油機排除的大量廢氣余熱，提供部分制冷量。在遠洋漁業發達的國家，如美國、荷蘭和日本等漁業漁船[5]將制冷系統監控信息，包括溫度、壓力值和系統報警信息等，整合到船只的自控系統中，方便船員監控管理。隨著計算機技術的發展，傳統儀器的測控系統因在數據處理、顯示和存儲等方面的局限性，正逐步被虛擬儀器技術所替代。虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化控制。相較于傳統儀器，虛擬儀器具有功能強大、性價比高、開放性好、升級和復用便捷、操作方便等特點。倪漢華等[6-7]將虛擬儀器技術應用于漁船液壓舵和漁船捕撈設備的測控中，獲得了良好、準確的測控效果，同時利用LabVIEW平臺編程，極大地降低了編程工作量，提高了系統開發的效率。Gon?alves C等[8]利用LabVIEW進行壓強的實時數據采集，通過數值分析和試驗，研究了一艘快速巡邏艇結構在不同負載下的靜態強度和抗疲勞強度，基于LabVEIW平臺的數據采集系統提供了方便準確的測量結果。段培永等[9]利用CAN總線技術，在LabVIEW平臺上開發了一套吸收式制冷機分散式參數采集和控制系統，經實驗驗證表明該系統運行穩定、實時性好、抗干擾能力強。

本研究自行開發了一套基于LabVIEW平臺編程，可用于金槍魚漁船超低溫冷庫制冷系統等大多數冷庫制冷及低溫實驗研究的計算機輔助測控系統，實現對制冷機組各測點壓力、溫度、電流、制冷量等參數的自動監測和記錄，對機組異常情況的報警和處理，對機組、風機和電加熱的啟停控制，庫溫和蒸發器出口過熱度的設定，以及對電子膨脹閥控制和仿真參數的調整。

1 系統硬件組成

金槍魚漁船超低溫冷庫制冷系統構成和系統實物圖見圖1、2，該系統為復疊式制冷系統，高溫級制冷劑選用R404A，低溫級制冷劑選用R23，采用擱架式蒸發器，設計蒸發溫度-65℃，制冷量5 kW，系統按照船用標準進行設計和搭建。針對要求的低溫環境，電子膨脹閥選用美國HANSEN PXV電子膨脹閥，制冷劑溫度范圍-51～115℃。根據測控要求，該系統總共有17個溫度測點、7個壓力測點、1個制冷劑質量流量測點和6個電流測點，需要控制的參數包括庫溫和蒸發器出口過熱度，電子膨脹閥的開度和控制參數。機組溫度采用型號JWB/Pt100/C熱電阻溫度傳感器測量，測溫范圍-200～1 600℃，庫內測點采用PT100熱電偶進行測量；壓力測點采用Danfoss型號AKS 33-060G2112和AKS 33-060G2100壓力傳感器測量，測量范圍-0.1～0.5 MPa；制冷劑質量流量采用EMERSON型號CMF200質量流量計測量，測量范圍0～225 t/h(m3/h)；電流采用多功能電力儀表測量。

1. 高溫級壓縮機 2. 高溫級油分 3. 冷凝器 4. 高溫級回熱器 5. 高溫級節流裝置 6. 蒸發冷凝器 7. 高溫級氣液分離器 8. 低溫級壓縮機 9. 低溫級油分 10. 低溫級回熱器 11. 低溫級節流裝置 12. 冷庫風機 13. 擱架式蒸發器 14. 膨脹容器

圖2 超低溫復疊式制冷系統機組部分實物圖Figure 2 Image of cascade refrigeration system (Unit)

金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監控系統結構見圖3，主要由采用虛擬儀器技術的上位機和基于PLC構建的下位機構成，兩者通過通信協議完成通信，進行信號的相互傳遞。下位機選用SIMENS公司型號S7-300系列PLC(CPU315-2DP)，可實現數據采集和向執行機構發送上位機指令等功能。上位機程序基于LabVIEW平臺編寫，實現對制冷系統的控制和對采集的數據處理和分析，上位機與下位機通過OPC(OLE for Process Control)通信協議PLC進行通信。系統的溫度、壓力、電流和質量流量信號經轉換為對應的電信號，這些電信號經過放大濾波等處理后，經A/D轉換由下位機PLC進行數據采集，采集的數據流通過通信協議傳遞給上位機程序處理，處理后由LabVIEW實時顯示在人機交互界面上，并接受操作人員的控制指令。該系統具有可靠性高、處理速度快、體積小、適用于露天惡劣條件等特點，特別適用于金槍魚漁船超低溫制冷控制系統。

2 上位機軟件設計

上位機程序使用的編程軟件是美國國家儀器公司(National Instruments，NI)推出的虛擬儀器開發平臺LabVIEW，它采用圖形化的語言，數據流的形式，利用其完善的功能模塊，配合多種硬件設備驅動功能，可以較容易地實現傳統儀器難以完成的復雜功能，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。

上位機程序主要負責發送操作人員的控制指令，定時接收和保存下位機PLC返回的測量結果，并對下位機的狀態進行監控，異常狀態時向操作人員發出報警信號。數據采集以曲線的形式顯示在操作界面上，系統的溫度、壓力、電流和制冷劑質量流量自動定時測量，同一類的不同的參數可以通過下拉菜單進行切換，測量數據能自動轉換成Excel文件，方便后續查看和進一步的處理。

圖3 監測系統架構圖Figure 3 Architecture diagram of the monitoring system

系統的主要功能結構見圖4，軟件編寫采用模塊化的思想，將系統結構分為3個部分，系統狀態模塊，數據采集模塊及電子膨脹閥控制和仿真模塊。其中每個模塊包含2個子模塊，操作人員可通過主要操作界面完成數據的實時監測、數據及動態曲線的顯示、數據的處理及保存、系統控制參數的設定、電子膨脹閥實時狀態檢測和電子膨脹閥控制和仿真輸出顯示。

2.1 系統狀態模塊

系統狀態模塊如圖5所示，主要是用于實時顯示超低溫復疊制冷系統狀態，報警顯示，系統設備的啟停以及關鍵參數的設定。

數據讀取方面，通過LabVIEW提供的數據記錄與監控(Datalogging and Supervisory Control，DSC)模塊，根據實際制冷系統連接情況制作出形象的系統流程圖，并在對應的位置放置顯示控件，通過共享變量引擎(NI-PSP)綁定OPC服務器中的對應數據，刷新時間100 ms，在程序運行時即可實時顯示對應各點的溫度、壓力等數據；在機組出現異常情況下，對應故障的報警燈閃爍，蜂鳴器持續鳴叫，以提醒操作人員對故障進行排查，故障解除后報警自動復位。

在數據寫入方面，采用LabVIEW自帶的Datasocket系列函數完成操作人員控制指令向下位機PLC的寫入。以庫溫設定為例，如圖6所示，通過Datasocket open、Datasocket write和Datasocket close函數，配合while循環，完成庫溫設定值的寫入。操作人員可以根據預設目標進行庫溫的設定，操作人員可以通過該部分旋鈕或下方輸入控件直接輸入庫溫的設定值，輸入的范圍定在-60～20℃，如超出這個范圍，會直接設定在最接近值；機組、風機和電加熱啟停開關，出于安全考慮，需要操作人員手動開啟風機，軟件首先開啟復疊式制冷系統高低溫級的供液閥，再啟動高溫級壓縮機，等待10～15 s后，再啟動低溫級壓縮機；電加熱用于模擬貨物負荷和穩定庫溫，操作人員可在需要的時候進行開啟。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊的主要操作界面見圖7。使用LabVIEW的圖表控件可以方便地對實時曲線進行操作，用鼠標選擇各個圖表左下角的工具按鈕，可以獲得相應工具的功能，包括圖表的移動，所選范圍數據的放大縮小等功能。操作人員可以通過單擊下拉列表來選擇顯示在圖表中的數據，分別為溫度參數，庫溫測點和壓力參數。被選中的參數在右側顯示“√”符號，并在相應的圖表中顯示實時的參數數據。

數據采集采用寫入測量文件Express VI進行編寫，以壓力和電流為例，見圖8。使用該函數可以將采集到的數據輸出包括文本(LVM)、二進制(TDMS)、和Excel表格等4種格式，方便操作人員對數據做進一步的處理和分析。

圖4 監控系統主要功能模塊Figure 4 Main functions of the monitoring system

圖5 系統狀態操作界面Figure 5 The interface of system state

圖6 利用Datasocket函數寫入庫溫設定值Figure 6 Write storage temperature set point with Datasocket

界面左上是溫度顯示曲線圖，左下是壓力顯示曲線圖，右上是選擇顯示參數的多項選擇下拉菜單和數據采集的控制按鈕，右下是制冷機質量流量顯示

當操作人員需要進行數據采集時，可以通過點擊右側的數據采集按鈕，按鈕變綠，則進行采集，采集間隔30 s，采集的數據保存在對應的Excel表格中，操作人員可以通過彈出的對話框來選擇數據保存的位置，操作人員可以在之后進行查看和進一步的處理。如果需要停止，則單擊停止采集按鈕，按鈕變綠，同時數據采集按鈕變暗。

圖8 部分數據采集程序Figure 8 Data acquisition program

2.3 電子膨脹閥控制和仿真模塊

美國HANSEN PXV脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)電子膨脹閥采用電磁線圈控制開閉閥，脈沖寬度的調制信號周期為T0s，控制器輸出信號是脈沖寬度，即一個高電平加載到電磁線圈上的持續時間T決定電子膨脹閥的開度大小，T=T0時對應的閥開度為100%，T=0.5T0時對應的開度是50%，T為0時對應閥處于關閉狀態。這種控制方式邏輯簡單，并且動態響應好，相較于常見的步進電機控制的電子膨脹閥，硬件成本和維護成本得到了大幅的降低，但控制精度還有待提高。

為了優化PWM的控制精度，本系統采用模糊控制進行電子膨脹閥控制的優化。以蒸發器出口過熱度為控制目標，選取實際和目標過熱度誤差e(℃)和誤差變化率ec(℃/s)為輸入變量，電子膨脹閥一個周期內的開啟時間ot(s)為輸出變量。根據實際情況和仿真要求，誤差e的實際論域為[-10，10]，模糊化后為模糊語言變量E，模糊集合{NH，NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，PH}，模糊論域{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；誤差變化率ec的實際論域為[-0.6，0.6]，模糊化后為模糊語言變量EC，模糊集合{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；開啟時間ot的實際論域為[0，6]，模糊集合{CB，CM，CS，H，OS，OM，OB }，模糊化后為模糊語言變量OT，模糊論域{0，1，2，3，4，5，6}。根據專家知識和實踐經驗[10]，用IF-THEN語句表達模糊邏輯推理控制規則：IF{誤差E為NH}AND{誤差變化率EC為NB}THEN{電子膨脹閥開啟時間OT為OB}；IF{誤差E為NS}AND{誤差變化率EC為PB}THEN{電子膨脹閥開啟時間OT為CS}。諸如此類，模糊控制規則見表1。規則共63條，輸入輸出的隸屬函數均采用高斯型隸屬函數，去模糊化方法采用最大隸屬度法。

電子膨脹閥控制和仿真模塊的主要操作界面見圖9。操作人員可以在這個界面上監測電子膨脹閥的運行狀態、電子膨脹閥控制的輸出和蒸發器出口過熱度曲線，進行控制模式的選擇以及相應的控制參數設定。在系統未接入電子膨脹閥時，還可以進行電子膨脹閥仿真控制，包括各個參數的設定和相應的輸出曲線的顯示。

表1 模糊規則控制表Table 1 Rules of fuzzy logical control

圖9 電子膨脹閥控制和仿真操作界面Figure 9 The interface of control and simulation of electronic expansion valve

在未接入電子膨脹閥或需要進行預試驗時，系統提供了電子膨脹閥的仿真控制，包括仿真控制參數的設定和輸出曲線的顯示。本系統提供了兩種控制算法的仿真：PID控制器和模糊控制器。地址欄內需要操作人員選擇編寫好的Fuzzy控制.fz文件。“SP”為仿真控制過熱度的設定值。右側3個值分別為P值、I值、D值，操作人員可根據經驗進行設定。“ST”為仿真持續的時間值。模糊因子和解模糊因子為Fuzzy-PID控制的設定參數，操作人員可以根據自己的設計進行修改，采用Fuzzy控制算法來優化PID控制器的KP、KI和KD3個參數。PID控制和Fuzzy-PID控制的輸出曲線可以在右側兩個圖表中獲得。

3 驗證實驗結果與分析

3.1 數據采集和處理

為了驗證監控系統的性能以及可靠性，進行了模擬負荷降溫實驗。采用4個電加熱模塊進行負荷模擬，每個電加熱模塊的功率為1.5 kW，可進行0～100%無級調節。為了使模擬負荷均勻分布在庫內，將4個電加熱模塊分別安裝在4個冷風機的出風口，通過風機的強制對流作用，將熱量及時、均勻地分散到擱架式蒸發器上。

實驗前，保持庫溫在15℃。打開冷卻水開關，保證冷卻水路通暢。首先啟動冷庫內冷風機，開啟電加熱模塊，調節每個電加熱模塊為30%的加熱量，即總共1.8 kW的模擬熱負荷。啟動高溫級壓縮機，等待15 s后，啟動低溫級壓縮機。每隔30 s記錄一次數據，直至降到-60℃，數據被保存至指定的Excel表格內。在獲得數據后，每5 min取一個數據點，進行后續數據分析。圖10為模擬負荷實驗自動采集到的壓力數據曲線，圖11為模擬負荷實驗溫度曲線圖。

圖10 模擬負荷實驗壓力數據Figure 10 Simulated load experiment pressure data

圖11 模擬負荷實驗溫度變化曲線Figure 11 Simulated load experiment temperature curve

實驗記錄數據顯示，模擬負荷實驗的整個降溫過程共用時5.5 h。在降溫過程中庫內溫度穩步下降，庫內溫度，蒸發器進、出口的溫度變化趨勢較為平緩，低溫級冷凝溫度和低溫級蒸發器進口溫度在實驗中略有波動。系統運行過程中，性能穩定，提高了數據采集的準確性和實時性，采集后的數據處理方便，減輕了后續數據分析的負擔，高度自動化的監控系統有效地提高了金槍魚漁船冷庫監控的工作效率。

3.2 電子膨脹閥控制仿真

仿真時間設置為1 000 s，步長1 s，采樣周期取2 s。PID控制器的參數整定采用臨界比例法，獲得參數初始值分別為：KP=30.03，KI=0.429，KD=300，仿真系統輸入信號為10℃的過熱度階躍信號，分別使用PID控制器和Fuzzy-PID控制器進行電子膨脹閥控制仿真，得到的控制器響應曲線見圖12。由于數據采集設備性能、自然環境因素等諸多原因的干擾，實際控制過程的輸入信號中往往會帶有一定的隨機波動，為了獲得控制器在實際控制情況下的控制效果，同樣的條件下，采用在階躍信號中加入高斯噪聲來仿真實際輸入信號，獲得的控制器響應曲線見圖13。同時，實際控制過程中，系統的元件參數變化以及外來的未知擾動等都會影響控制器的控制效果，為了驗證控制器在受到擾動的情況下自動修正控制量出現偏離的能力，同樣條件下，在350 s加入一個幅值為2，持續時間30 s的鋸齒波，用于仿真實際控制過程中由于參數變化帶來的擾動，獲得的控制器響應曲線見圖14。

在輸入信號未加入噪聲的情況下，采用PID控制的階躍響應超調量為60%，調節時間(2%誤差帶)為310 s；采用模糊PID控制的階躍響應超調量在25%，調節時間(2%誤差帶)為215 s。在加入高斯噪聲后，采用PID控制的超調量達到了68%，調節時間(5%誤差帶)為350 s；采用模糊PID控制的超調量在23%，調節時間(5%誤差帶)為210 s。在加入鋸齒擾動后，PID控制器20 s后得到響應，進行調整，過熱度波動為0.9℃，調節時間(2%誤差帶)為40 s；模糊PID控制器對擾動的響應延遲更大，但過熱度波動更小，約為0.5℃，調節時間(2%誤差帶)90 s。

圖12 采用PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應曲線Figure 12 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller

圖13 加入高斯噪聲后PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應曲線Figure 13 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller with Gaussian noise

圖14 加入鋸齒擾動后PID控制器和模糊PID控制器過熱度響應曲線Figure 14 Superheat response curve of PID controllerand Fuzzy-PID controller with saw-tooth disturbance

根據仿真實驗結果可知，采用PID控制器階躍響應超調量較大，在加入噪聲之后，PID控制器的穩定性較差，受擾動的影響較大，但響應能更快回到穩定狀態；采用模糊PID控制器能夠獲得更小的超調量，系統魯棒性更好，穩定性強，受擾動的影響更小，但響應的調節時間更長。

4 結論

本研究采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW平臺設計開發了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監控系統，進行了低溫冷庫模擬負荷降溫試驗，并通過LabVIEW仿真模塊進行了電子膨脹閥控制仿真。

驗證實驗表明：① 虛擬儀器技術應用于制冷控制系統運行穩定可靠、操作簡單便捷、測試結果準確，控制及時迅速，后期數據分析處理方便直觀，能夠降低冷庫管理的人工成本投入，對節能、減輕勞動強度有實際意義；② 相較于傳統PID控制器，模糊PID控制器在電子膨脹閥控制系統超調量和抑制外界擾動方面有明顯的優勢，但調節時間顯著長于PID控制器。今后可針對優化模糊PID控制的響應調節時間進行進一步的研究；③ 電子膨脹閥的控制仿真中，默認系統傳遞函數不變，但在實際應用中，制冷劑流量變化時，蒸發器出口過熱度對電子膨脹閥的開度響應會發生改變，控制器性能也會有所降低，如果能夠通過構建控制目標的數學模型來建立模糊控制系統，則會更加接近實際應用的工況，對電子膨脹閥控制的研究更加深入。

[1] 郭耀君, 謝晶, 朱世新, 等. 超低溫制冷裝置的研究現狀和進展[J]. 食品與機械, 2015, 31(1): 238-243.

[2] 謝晶, 徐旻晟, 王金鋒, 等. 一種金槍魚漁船余熱回收噴射式自復疊制冷系統, 中國: CN105627622A[P]. 2016-06-01.

[3] TAMAINOT-TELTO Z, METCALF S J, CRITOPH R E, et al. Carbon-ammonia pairs for adsorption refrigeration applications: ice making, air conditioning and heat pumping[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(6): 1 212-1 229.

[4] FARSHI L G, FERREIRA C A I, MAHMOUDI S M S, et al. First and second law analysis of ammonia/salt absorption refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2014(40): 111-121.

[5] TORRES-IRINEO E, GAERTNER D, CHASSOT E, et al. Changes in fishing power and fishing strategies driven by new technologies: The case of tropical tuna purse seiners in the eastern Atlantic Ocean[J]. Fisheries Research, 2014(155): 10-19.

[6] 倪漢華, 徐志強, 諶志新. 基于LabVIEW的漁船液壓舵機試驗臺研制與應用[J]. 漁業現代化, 2010(4): 45-48.

[7] 倪漢華, 徐志強, 羊衍貴, 等. OPC技術在漁船捕撈設備測控系統中的應用[J]. 漁業現代化, 2012(6): 62-65.

[8] GON?ALVES C, MARTINS R F, ALMEIDA R, et al. Static and fatigue behavior of the main section of a fast patrol boat[J]. Procedia Engineering, 2014(74): 161-164.

[9] 段培永, 劉桂云, 段晨旭, 等. 基于LabVIEW和CAN總線的吸收式制冷機組數據監控系統[J]. 計算機系統應用, 2015(4): 103-107.

[10] LI H, JEONG S K, YOU S S. Feedforward control of capacity and superheat for a variable speed refrigeration system[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(5): 1 067-1 074.

Refrigeration monitoring system of ultra-low temperature cold storage onfishing boat based on virtual instruments

XU Min-shengXIEJingWANGJin-feng

(1.CollegeofFoodScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China; 2.ChinaShanghaiAquaticProductsProcessingandStorageEngineeringTechnologyResearchCenter,Shanghai201306,China)

There are several problems in the ultra-low temperature refrigeration control system on the tuna fishing boat, including the low degree of automation, unsatisfactory monitoring effect and poor monitoring conditions. In order to solve these problems, a tuna fishing boat ultra-low temperature cold storage refrigeration monitoring system was designed and developed by using the virtual instrument technology, based on LabVIEW. This system achieved a real-time monitoring, and displayed a unit’s data and dynamic curves. Moreover, it also included a data processing and storage, a control parameter settings, an electronic expansion valve real-time status monitoring, a valve control and an output display. The experimental results indicated that this system could be operated stably and automatically, and used to get detection timely and accurately, with a friendly human-machine interface.

tuna fishing boat; cascade refrigeration; cryogenic; monitoring; virtual instruments; LabVIEW

國家“十三五”重點研發項目課題(編號：2016YFD0400303)；上海市科委平臺能力提升項目(編號：16DZ2280300)

徐旻晟，男，上海海洋大學在讀碩士研究生。

謝晶(1968—)，女，上海海洋大學教授，博士，博士生導師。E-mail：jxie@shou.edu.cn

2016-09-05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.029