面向果品冷庫智能控制系統的研究

雷志偉，張田龍，宮 哲

（1.河北省自動化研究所有限公司，河北石家莊 050081；2.河北省工業測控技術創新中心，河北石家莊 050081）

冷庫作為一種特殊建筑物，主要用于儲存水果、蔬菜等物質，通過人工制冷的方式延長物品的保質期。近年來，冷庫的應用范圍不斷擴展，規模也日益增大，對冷庫的制冷效果要求也越來越高。傳統冷庫控制已不能滿足人們的要求，因此，對先進的冷庫智能系統進行研究尤為重要。

1 冷庫制冷系統工作原理

冷庫制冷系統的工作原理是制冷循環，其過程如圖1所示。制冷循環的第一步是將制冷劑通過壓縮機進行壓縮。壓縮機將低壓低溫的制冷劑氣體吸入，然后通過壓縮作用將其壓縮成高壓高溫的氣體。壓縮后的高壓高溫氣體進入冷凝器，通過與外界的冷卻介質（通常是空氣或水）接觸，使制冷劑的溫度降低，從而將熱量釋放到外界。在該過程中，制冷劑從氣體狀態轉變為液體狀態。冷凝后的高壓液體制冷劑通過膨脹閥（也稱為節流閥）進入蒸發器。膨脹閥的作用是降低制冷劑的壓力和溫度，使其進入蒸發器時變成低壓低溫的狀態。制冷劑在蒸發器中與冷庫內部的空氣或物品接觸，吸收空氣中的熱量，從而使冷庫內部的溫度降低。在這個過程中，制冷劑從液體狀態轉變為氣體狀態。制冷劑在蒸發器中蒸發后，以氣體形式再次進入壓縮機，開始新一輪的制冷循環。

圖1 冷庫制冷循環原理

通過不斷的制冷循環，冷庫制冷系統可將冷庫內部的熱量轉移至外界，從而降低冷庫內部的溫度，實現冷庫的制冷效果。同時，制冷劑在循環過程中的相態變化也起到了傳遞熱量的作用。

2 冷庫智能控制系統

冷庫智能控制系統是一種應用于冷庫的先進控制系統，通過引入自動化技術和智能算法，實現對冷庫環境和設備的智能監測、控制及優化。其主要目的是提高冷庫的運行效率、節能降耗，并對儲存果品進行保鮮。

2.1 系統功能及溫度控制模型

通過安裝溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器等，實時監測冷庫內部的環境參數和設備狀態。傳感器將采集到的數據傳輸給控制系統進行處理和分析。系統通過可編程控制器PLC 采集冷庫溫度、壓縮機檔位等現場信號，控制壓縮機、水泵、風機等完成自動制冷過程，并根據預設的數據模型對冷庫進行制冷。冷庫智能控制系統如圖2所示，系統根據實時數據和設定的目標，自動調整冷庫的運行參數，如制冷溫度、濕度、風速等，以實現最佳的儲存條件，實現對冷庫內水果等食品的保鮮。系統通過4G 網絡平臺，實現手機和觸屏的實時同步功能，實現了冷庫的無人值守。

圖2 冷庫智能控制系統框架

冷庫制冷控制系統包括冷庫的自動啟動、自動停止、壓縮機保護、蒸發冷自啟動、模式切換等功能。系統制冷模式設計了時間制冷模式、溫度制冷模式、自動降溫模式3種模式，分別適用于不同的制冷工藝。

以儲存皇冠梨為例，建立冷庫制冷溫度控制模型。選擇需要制冷的冷庫編號，入庫期間使冷庫溫度保持在13 ℃，因入庫時人員頻繁進出，冷庫內溫度回溫快，須進行高頻次的制冷，使停機溫度設定在13 ℃，此時采用溫度制冷模式，當溫度過高時自動啟動制冷，溫度降至13 ℃時，制冷自動停止。庫入滿后，需要封庫降溫，以降低梨的活性，從而能夠更長時間的保鮮。此時，控制系統切換為自動降溫模式，一天制冷5次，每次降溫0.2 ℃，實現皇冠梨活性逐步降低，以延長其保鮮時間。在經過多天拉低溫度后，溫度降到-1 ℃時，降溫模式結束，該庫封庫，系統切換為時間制冷模式，進行定時制冷，保持冷庫溫度在-1 ℃。

在自動降溫模式時，建立系統降溫模型，通過智能控制系統進行程序編寫，使冷庫按照該溫度模型進行制冷控制。

2.2 程序開發

系統采用SIMATIC S7-200 SMART 作為下位機控制器進行系統開發，通過STEP 7-Micro/WIN SMART 編程軟件，將子程序轉化成指令塊，與普通指令塊一樣，直接拖拽到編程界面就能完成調用，方便完成復雜工藝流程的編程。

根據制冷系統智能控制生產工藝流程編寫制冷啟動功能塊、制冷停機功能塊、壓縮機加減檔功能塊、冷庫啟停智能判斷功能塊、降溫模式功能塊、保鮮保護功能塊、程序保護功能塊等。以制冷啟動功能塊為例，根據工藝生產流程繪制制冷啟動程序流程圖，如圖3所示。根據庫存選取需要制冷的冷庫庫號，將系統切換為自動模式，啟動壓縮機水泵及制冷管路的進氣閥門和回氣閥門，啟動完后，啟動壓縮機并進行壓縮機掛擋加載，隨后啟動所選冷庫的制冷風機，以及調節閥等，制冷劑流入冷凝器開始冷風循環制冷。

圖3 制冷啟動程序流程

系統上位機采用了繁易FE6100M 工業觸屏，并配備了Flink 物聯網模塊。通過二次開發，可實現PLC 程序的遠程下載和監控功能。觸屏端界面開發完成后，還可以實現手機端的同步功能。

系統上位機界面包括觸屏主界面、手動界面、手動壓縮機控制、參數設置、參數補償、延時設置、系統定時等界面的開發。

主界面主要用于對冷庫當前各個庫的溫度、制冷、風機等的狀態整體顯示，一目了然，便于監控。冷庫系統主界面如圖4所示。

圖4 冷庫主界面

參數設置界面是對各種控制模式的選擇切換，如圖5所示，在不同的制冷時期，系統切換為不同的制冷模式，系統根據所設定好的溫度變化模型，在一定時期內實現無人干預的自動制冷。

圖5 參數設置界面

3 系統保鮮及節能效果分析

系統在趙縣梨庫進行實際應用測試后，經過半年的儲存，采用冷庫智能控制系統的冷庫相比于常規冷庫，在相同品種的梨上表現出了極大的品相和口感提升。由此得出，果品冷庫智能控制系統對冷庫內水果具有長時間保鮮的功能，通過對入庫時梨活性的降低再儲存，極大地延長了果品的保鮮時間，確保了果品長時間儲存后的口感及品相。

通過對能耗的測試對比同一時期使用智能控制系統前后電費統計得出：通過對制冷時間的精確控制，以及制冷時循環風機的啟停的控制，冷庫智能控制系統對冷庫能耗具有明顯的降低。在采用智能控制系統前各月份電費及采用智能控制系統后各月份電費統計表顯示，采用冷庫智能控制系統后年總能耗減少5.6%左右。通過對能耗和無人化的管理，可在一定程度上減少果品冷庫的能源消耗成本。

4 結束語

果品冷庫智能控制系統可通過對現有操作冷庫的基礎上進行電氣自動化改造及智能提升，通過建立系統溫控模型，在水果入庫后，降低水果活性，從而極大地提高果品保鮮和儲存時間，解決水果在長期冷藏儲存后果品質量變差的問題，對果品冷藏儲存產業升級具有重要意義。