付煥森+王郭全+夏華鳳+曹健+彭?xiàng)?/p>

摘要：增加農(nóng)民收入是國家發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容，提高農(nóng)產(chǎn)品的收入是其重要組成部分。農(nóng)產(chǎn)品從傳統(tǒng)依靠天氣種植轉(zhuǎn)變?yōu)闇厥掖笈锱嘤?，改善了種植方法，提高了經(jīng)濟(jì)效益，但是溫室農(nóng)產(chǎn)品僅限于果蔬產(chǎn)品，而且品質(zhì)相比于當(dāng)季農(nóng)產(chǎn)品有所下降。保鮮冷庫技術(shù)的發(fā)展解決了夏秋季豐富果實(shí)的貯藏問題，受到了企業(yè)的重視和農(nóng)民的歡迎，利用可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)設(shè)計(jì)小型冷庫，控制過程分為預(yù)冷入庫、恒溫保持、智能通風(fēng)和升溫出庫等階段，各階段對冷庫溫度、濕度、二氧化碳濃度和氧氣濃度進(jìn)行智能化處理，并對控制過程中的一些關(guān)鍵程序和技術(shù)作了詳細(xì)分析。通過測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度誤差小于5%，濕度誤差小于1.67%，精度較高，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求，并能實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程控制以及無線報警，有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫；PLC控制；智能處理；遠(yuǎn)程控制；無線報警；程度設(shè)計(jì)

中圖分類號： TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0233-03

收稿日期：2017-02-10

基金項(xiàng)目：江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”；江蘇省泰州市科技支撐計(jì)劃（編號：TS201632）。

作者簡介：付煥森（1982—），男，江蘇興化人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)橹悄茏詣踊碚撆c工程。E-mail：fuhuansen@163.com。 提高農(nóng)民收入是國家發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，隨著人們生活水平的提高，對綠色農(nóng)產(chǎn)品有了更高的品質(zhì)要求。盡管溫室大棚解決了傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品依靠天氣種植和生存的困難，但是在農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)方面，當(dāng)季農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)的認(rèn)可度要高于溫室大棚農(nóng)產(chǎn)品。因此，如果能對當(dāng)季農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行保質(zhì)保鮮，將會成為增加農(nóng)民收入的重要途徑。如何保鮮成為當(dāng)前農(nóng)村發(fā)展綠色農(nóng)產(chǎn)品的瓶頸，一方面在技術(shù)上要難于溫室大棚的控制，另一方面在成本上和管理上有一定的實(shí)施難度，保鮮冷庫的控制精確度決定了農(nóng)產(chǎn)品的保鮮質(zhì)量，特別是溫度、濕度的控制，其中溫度相對更為重要。李喜宏等設(shè)計(jì)出便攜式微型保鮮冷庫，對冷庫材料、結(jié)霜量和耗電量進(jìn)行了分析[1]；胡云峰等設(shè)計(jì)1種梯度冷庫，分析了梯度冷庫的溫度彈性效應(yīng)、溫度場效應(yīng)[2]；郭曉琳等對保鮮技術(shù)作了對比試驗(yàn)和評價研究[3]；雷靜等利用LED紅藍(lán)弱光照射農(nóng)產(chǎn)品，嘗試開發(fā)保鮮新技術(shù)[4]。本研究給出了利用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制器，設(shè)計(jì)農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫控制系統(tǒng)，分別從預(yù)冷入庫、恒溫保持、智能通風(fēng)和升溫出庫等階段進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，為方便使用和統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)上位機(jī)操作管理系統(tǒng)，并對部分關(guān)鍵處理技術(shù)和程序進(jìn)行了分析。

1 整體設(shè)計(jì)

農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)分為3個部分：輸入部分、控制部分和執(zhí)行部分，輸入部分主要由溫度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳、氧氣濃度傳感器等組成；控制部分是S7-200 PLC對輸入信號進(jìn)行處理、算法控制；輸出部分是控制溫濕度的制冷機(jī)、加濕控制閥以及電加熱除霜和二氧化碳、氧氣等設(shè)備。此外，本地控制器的組態(tài)觸摸屏、遠(yuǎn)程控制的電腦上位機(jī)和短信報警設(shè)備等，用來對冷庫進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，以及預(yù)冷入庫、恒溫保持、智能通風(fēng)和升溫出庫等階段的智能處理[5-7]。

2 技術(shù)要求

農(nóng)產(chǎn)品多數(shù)成熟于夏秋季，在溫度較高的環(huán)境中容易腐爛變質(zhì)，同一農(nóng)產(chǎn)品品種在不同的成熟階段，最佳保鮮溫度有一定的區(qū)別，如綠熟西紅柿保鮮溫度為11～13 ℃，紅熟時為7～10 ℃，但是大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品適宜的保鮮溫度為0 ℃左右，果蔬保鮮最低溫度為-2 ℃，溫度再低時，農(nóng)產(chǎn)品容易凍壞；相對濕度一般控制在90%～95%，普通保鮮冷庫難以達(dá)到該濕度，所以需要增加加濕設(shè)備。冷庫除了溫濕度控制外，二氧化碳、氧氣含量對農(nóng)產(chǎn)品保鮮也有很大影響，如果能夠精確地控制冷庫氣體含量，就可以使農(nóng)產(chǎn)品處于休眠狀態(tài)，減少自身能量的損耗，在出庫時保持最好的品質(zhì)。

3 程序設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)開機(jī)后，操作人員可以根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的狀況選擇工作模式，一般是農(nóng)產(chǎn)品采摘后，第1階段先進(jìn)入預(yù)冷入庫模式，使農(nóng)產(chǎn)品在高溫采摘后先預(yù)冷，大概在20 ℃的環(huán)境里存放12 h，以減少制冷機(jī)的熱負(fù)荷；第2階段是預(yù)冷后根據(jù)保鮮的農(nóng)產(chǎn)品特點(diǎn)，進(jìn)入-2～13 ℃溫度，90%左右濕度的恒溫保鮮模式；第3階段根據(jù)冷庫內(nèi)二氧化碳、氧氣的濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得農(nóng)產(chǎn)品處于休眠模式，減少能量損耗；第4階段是升溫出庫階段，也就是農(nóng)作物在出庫之前適當(dāng)提高溫度，減少與外界的溫度差，保持農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 部分關(guān)鍵技術(shù)分析

結(jié)合企業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試，對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析[8-10]，主要是自動控制方面的模擬量處理、防頻繁啟動和比例-積分-微分（PID）控制技術(shù)等。

4.1 溫濕度等模擬量處理

在圖3中S7-200的I_to_R模擬量轉(zhuǎn)換子程序中，IN表示PLC模擬量通道實(shí)際采集的整形數(shù)值，范圍一般在0～32 000；InLow、InHigh分別是PLC對應(yīng)于溫濕度傳感器輸入信號的上限、下限值，本研究采用的是西門子QFM2160溫濕度傳感器，輸出信號是0～10 V，所以InLow、InHigh分別取值0、32 000，如果選擇4～20 mA的傳感器，InLow、InHigh分別取值 6 400、32 000；OutLow、OutHigh分別是溫、濕度傳感器的測量范圍，溫度為0～50 ℃，濕度為0～100%，所以在圖3的2個模擬量處理模塊中，OutLow取0，OutHigh分別取50、100；XZ是對實(shí)際輸出值的偏差進(jìn)行修正。

在模擬量轉(zhuǎn)換過程中，處理過程可以用式（1）來表示：

y=[（OutHigh-OutLow）×（IN-InLow）/（InHigh-InLow）]+OutLow+XZ。

由于篇幅限制，把梯形圖轉(zhuǎn)化成上述指令語句，讀者可以通過編程軟件轉(zhuǎn)換成梯形圖，較便于直觀理解，式（1）轉(zhuǎn)換成梯形圖時，要注意數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，否則編程軟件會認(rèn)為錯誤。為方便理解，對上述指令語句中出現(xiàn)的變量給出在PLC中對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，詳見表1。endprint

4.2 防頻繁起動處理

制冷設(shè)備一般是壓縮機(jī)制冷，不宜頻繁啟動、停止，在設(shè)計(jì)PLC程序時要采用防頻繁啟動處理，也就是如果簡單地比較冷庫的當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度，由于傳感器采集溫度時會上下波動，就會造成觸發(fā)控制壓縮機(jī)的線圈頻繁啟動和停止?？梢詤⒖紙D4程序，其中VD100為冷庫實(shí)時溫度，VD300為冷庫設(shè)定溫度，VD304為VD300減去2 ℃的值，Q0.0為控制壓縮機(jī)的觸發(fā)線圈，這里2 ℃可以根據(jù)傳感器、控制溫度的精度作調(diào)整，如果簡單比較VD100和VD300，會頻繁啟動壓縮機(jī)，造成制冷設(shè)備損壞。

4.3 PID控制

保鮮冷庫有預(yù)冷入庫、恒溫保持等4個階段，每個階段控制的溫度不同，所以通過變頻器控制壓縮機(jī)的制冷輸出，一方面可以實(shí)現(xiàn)軟啟動，另一方面可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。常用PID的控制方法見式（2）：

u（k）=u（k-1）+KP[e（k）-e（k-1）]+K1e（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]。

（2）

式中：u（k）為控制變頻器頻率的輸出量，0～32 000；e（k）為冷庫溫度和設(shè)定溫度的誤差，℃；KP、K1、KD分別是比例、積分、微分參數(shù)，對于一般工業(yè)控制，調(diào)節(jié)KP、K1 2個參數(shù)就可以。在S7-200中，有自帶的PID控制模塊，只要按照PID向?qū)д{(diào)節(jié)就可以生成，如圖5所示。

在調(diào)節(jié)PID參數(shù)時，可以參考圖6、圖7，給定值范圍的低限和高限是指傳感器溫度的量程，比例增益和積分時間分別為2.0、2.00 min，采樣時間設(shè)定1.0 s。比例增益一般控制在1～10之間，不宜過大，否則會造成超調(diào)振蕩，積分時間一般控制在2～4 min。PID調(diào)節(jié)與工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜度有關(guān)系，在實(shí)際工作時需要一個積累重復(fù)的過程。

5 通信設(shè)置

S7-200通信口采用RS-485通信協(xié)議，不同的型號具有1～2個RS-485通信口，維綸觸摸屏和S7-200的通信接

線如圖8所示。不同的觸摸屏型號所定義的通信讀、寫狀態(tài)針不一樣，實(shí)際通信時要注意接線，一般需要自制通信接口。維綸觸摸屏串口定義1針為RX+，2針為RX-，S7-200定義3針為D+，8針為D-，5針一般都是GND（隔離地），還需要注意波特率、奇偶檢驗(yàn)等設(shè)置。

同樣，與上位機(jī)電腦監(jiān)視通信時，PLC也采用圖8的接口定義，但是上位機(jī)電腦與多個PLC監(jiān)視通信時，采用485通信協(xié)議時，要按照“手拉手接線”方式，如圖9所示，如果有2路手拉手接線方式， 不能在終端合并接入電腦的同一個232轉(zhuǎn)485接線口，必須使用“一分二485轉(zhuǎn)換模塊”才可以通信。

6 測試結(jié)果

觸摸屏和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖10所示，其中15個監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度數(shù)據(jù)，能夠清楚地在橫向、縱向距離上監(jiān)測保鮮冷庫的溫、濕度。

綜合利用PLC技術(shù)和PID控制方法，建立了農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫模型，在冷庫內(nèi)不同高度、多個位置安裝了溫濕度傳感器，經(jīng)過運(yùn)行測試，觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在圖10中，冷庫設(shè)定溫度12 ℃，濕度90%，溫度誤差范圍控制在5%以內(nèi)，濕度誤差范圍控制在1.67%以內(nèi)，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求，有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李喜宏，關(guān)文強(qiáng)，胡云峰，等. 便攜式微型保鮮冷庫研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19（4）：245-248.

[2]胡云峰，李喜宏，朱志強(qiáng)，等. 果蔬保鮮溫度梯度試驗(yàn)冷庫的設(shè)計(jì)與效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（7）：132-135.

[3]郭曉琳，閻春利，杜 瑋，等. 二代冬棗移動冷庫儲存保鮮技術(shù)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（25）：291-292，295.

[4]雷 靜，張 娜，閻瑞香，等. LED紅藍(lán)弱光照射保持櫻桃番茄冷庫貯藏品質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（9）：248-254.

[5]郭 丹，韓英群，郝 義. 箱式氣調(diào)保鮮對藍(lán)莓果實(shí)貯藏期及貨架期品質(zhì)生理影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，25（12）：1829-1836.

[6]林 羽，劉成侶，陳連飛，等. 農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫選型比對試驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2014（5）：41-43，46.

[7]胡耀華，蔣國振，熊來怡，等. 獼猴桃冷庫內(nèi)流場的CFD模擬[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（5）：155-159.

[8]張洪臣，任益夫，李鳳麗，等. 基于PLC的農(nóng)村小型冷庫微電腦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（5）：162-165.

[9]魯祥友，張 虎，方 武，等. 基于CAN總線的冷庫安全測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動化與儀表，2008，23（5）：24-27.

[10]馮坤旋，南曉紅，楊巧銀，等. 果蔬冷庫進(jìn)貨期間貨物溫度穩(wěn)定性的影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（20）：294-300.段 建，劉 秋，桑 娜，等. 噴桿噴霧機(jī)前懸架上擺臂有限元及疲勞壽命分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：236-239.endprint