張東霞，呂恩利，陸華忠，許錦鋒，趙 磊

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

保鮮運輸廂內(nèi)溫度場分布不均勻是影響果蔬保鮮運輸品質(zhì)的主要問題，運輸廂體內(nèi)的溫差可達15℃［1］，溫度高的區(qū)域，果蔬新陳代謝強，保鮮期短;溫度低的區(qū)域，果蔬可能發(fā)生凍害［2］.目前果蔬保鮮運輸普遍通過采集單點溫度對廂內(nèi)溫度進行控制［3］.此方法易造成廂體內(nèi)溫度分布不均勻.針對單點溫度控制存在的問題，有學者提出采用多點溫度的平均值對保鮮環(huán)境溫度進行控制［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影響貨物裝載.

為此，本文設計了基于壓差原理的溫度控制系統(tǒng)試驗平臺，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)了基于雙測點的溫度控制系統(tǒng)，既能將運輸廂內(nèi)的溫度控制在設定的目標溫度范圍內(nèi)，又能防止運輸廂體前端的果蔬被凍傷.

1 系統(tǒng)試驗平臺

1.1 試驗裝置

基于壓差原理的保鮮運輸溫度控制系統(tǒng)試驗平臺如圖1所示.廂體結(jié)構(gòu)基于壓差原理設計，規(guī)格(長×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，保鮮室底部設有高為30 mm的氣流導軌，頂部設有回風道.離心風機(型號:HYA250;功率:250 W;最大靜壓:860 Pa;最大風量:500 m3/h)安裝在風機安裝板上，風機出風口與懸掛于壓力室上方的蒸發(fā)器正對，風機轉(zhuǎn)速由變頻器控制.制冷裝置的核心部件壓縮機(法國泰康，型號為FH4524F)功率為1 491 W.風機運轉(zhuǎn)，回風道形成負壓，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)過回風道進入壓力室，與制冷裝置的蒸發(fā)器進行換熱，然后通過開孔隔板進入保鮮室，如此循環(huán).由于冷氣首先到達保鮮室近開孔隔板處，該處溫度最低;在冷氣向后方流動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:CT-D/I，量程:-20～80℃，精度:±0.3℃)，作為控制系統(tǒng)的主監(jiān)測點，以監(jiān)測保鮮環(huán)境溫度;在開孔隔板處布置前溫度傳感器(型號:CT-D/I，量程:-20～80℃，精度:±0.3℃)，作為控制系統(tǒng)的輔助監(jiān)測點，以監(jiān)測保鮮室內(nèi)低溫，防止果蔬低溫傷害.

圖1 保鮮運輸溫度控制系統(tǒng)試驗平臺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.通過變頻器控制風機，以改變風機轉(zhuǎn)速.通過人機交互界面顯示前溫度傳感器、后溫度傳感器的采集值，以及設定果蔬的目標保鮮溫度和冰點溫度.

1.2 試驗材料

試驗材料選用廣東產(chǎn)香蕉，總質(zhì)量350 kg，購于水果批發(fā)市場，未預冷，未經(jīng)任何催熟處理，果實七成熟，果實規(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)，需計算香蕉的冰點溫度.果蔬的冰點溫度與果蔬內(nèi)的糖分、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和水的質(zhì)量分數(shù)相關(guān)，它的計算公式如下［6］:

式中，TL—水質(zhì)量分數(shù)為ww時初始凍結(jié)溫度(K)=173.05 K;L—純水在時的摩爾融化熱，6.003 kJ;R—氣體摩爾常數(shù)，8.314 J/(mol·K);xs—可溶性固體摩爾分數(shù)，由1-xw所得;xw—水在溶液中的摩爾分數(shù);ws—溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù);ww—水的質(zhì)量分數(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)計算，香蕉的冰點溫度約為0℃.據(jù)文獻［7］報道，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/自動切換開關(guān)、制冷、融霜工作，通過變頻器來控制風機的轉(zhuǎn)速.PLC的RS485串口通過MPI線與人機交互界面的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.設計的溫度控制系統(tǒng)流程如圖3所示.將前溫度傳感器的信號記作θ1，將后溫度傳感器的信號記作θ2.

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

3 試驗結(jié)果

啟動溫度控制系統(tǒng)，進行59 h試驗，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)境溫度至目標值，又可以防止低溫出現(xiàn).從試驗開始至42 h，廂體前端的溫度保持在果蔬冰點溫度之上，保鮮環(huán)境溫度能夠穩(wěn)定控制在設定的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易達到果蔬的冰點溫度，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，開啟制冷.運輸廂體內(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 試驗實時溫度曲線Fig.4 Real time temperature curve in experience

4 結(jié)論

針對運輸廂內(nèi)溫差過大易導致部分果蔬被凍傷的問題，設計了基于雙監(jiān)測點的溫度控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)設有2個溫度監(jiān)控點:以保鮮室后端的溫度為主要監(jiān)測點，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)測點，防止廂體前端果蔬被凍傷.經(jīng)試驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，既能將運輸廂內(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輸中被凍傷.研究結(jié)果對提高保鮮運輸技術(shù)水平具有一定的參考價值.

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

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