魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌

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鮮食葡萄SO2氣體精準(zhǔn)熏蒸保鮮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌※

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，烏魯木齊 830091）

鮮食葡萄商業(yè)化貯藏保鮮主要采用二氧化硫（SO2）熏蒸方式處理，但保鮮產(chǎn)品釋放SO2不均勻，熏蒸殺菌不完全，易產(chǎn)生漂白斑點(diǎn)和藥害積累等問(wèn)題。為了精準(zhǔn)控制熏蒸過(guò)程中SO2濃度變化，減少SO2在葡萄果實(shí)中的殘留積累，該文采用SO2氣體濃度控制裝置、熏蒸裝置和氣體回收裝置相結(jié)合的形式，設(shè)計(jì)了一套SO2熏蒸葡萄裝置的控制設(shè)備，在可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）有序控制下，通過(guò)組態(tài)王軟件（Kingview 6.55）實(shí)現(xiàn)SO2熏蒸濃度、熏蒸溫、濕度及壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在對(duì)木納格葡萄進(jìn)行短時(shí)SO2熏蒸處理的過(guò)程中，熏蒸系統(tǒng)能夠精確控制SO2濃度和壓強(qiáng)，并使殘留SO2氣體回收率達(dá)99%以上。熏蒸裝置可以精準(zhǔn)控制SO2熏蒸濃度，當(dāng)熏蒸濃度為3 000L/L，時(shí)間為10 min，壓強(qiáng)為0.05 MPa時(shí)，熏蒸裝置能夠有效抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率及漂白指數(shù)的增加，維持果實(shí)的硬度，保持了木納格葡萄果實(shí)的品質(zhì)，降低了果實(shí)中SO2的殘留，同時(shí)可進(jìn)行SO2殘留氣體回收，提升了熏蒸裝置的使用安全性和鮮食葡萄的食用安全性，該研究結(jié)果可為鮮食葡萄儲(chǔ)藏提供參考。

熏蒸；貯藏；品質(zhì)控制

0 引 言

二氧化硫（SO2）在鮮食葡萄貯運(yùn)保鮮中是一種最有效的氣體殺菌劑[1]，對(duì)葡萄的致病真菌有強(qiáng)烈的抑制作用，可以抑制氧化酶活性，防止果梗氧化褐變和微生物侵染，保持葡萄的貯藏品質(zhì)[2]。自上世紀(jì)20年代起，人們利用燃燒硫磺所釋放SO2氣體熏蒸葡萄，可減少在運(yùn)輸過(guò)程中葡萄的腐爛、落粒及果梗褐變[3]，缺點(diǎn)是SO2濃度無(wú)法精準(zhǔn)控制，SO2過(guò)量會(huì)產(chǎn)生葡萄果皮產(chǎn)生漂白、果實(shí)出現(xiàn)異味等現(xiàn)象，降低葡萄的商品價(jià)值和食用安全性，至今還沒(méi)有更好的技術(shù)能替代SO2保鮮鮮食葡萄。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用大帳熏蒸[4]和SO2葡萄保鮮產(chǎn)品結(jié)合的方式[5]，由于保鮮產(chǎn)品使用劑量沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或參考標(biāo)準(zhǔn)，一般是依據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)或收購(gòu)商的要求，常出現(xiàn)劑量過(guò)高，導(dǎo)致貯藏中后期SO2釋放速度加快，對(duì)靠近保鮮劑的葡萄造成明顯的藥害[6]。同時(shí)，在帳子熏蒸葡萄的過(guò)程中SO2氣體可能逸出，從而對(duì)操作人員產(chǎn)生一定的傷害，對(duì)環(huán)境造成污染。鮮食葡萄貯藏保鮮產(chǎn)業(yè)急需SO2精準(zhǔn)熏蒸自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)定量SO2氣體濃度并回收過(guò)量氣體，以減少人為對(duì)氣體濃度的操控引起的SO2過(guò)量超標(biāo)給人體健康帶來(lái)的危害及其對(duì)環(huán)境的污染，為鮮食葡萄貯藏保鮮產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

農(nóng)產(chǎn)品采后貯藏保鮮領(lǐng)域常用到的熏蒸氣體，除SO2氣體外，還有溴甲烷（CH3Br）、二氧化氯（ClO2）、臭氧（O3）和硫化氫（H2S）等氣體[7-10]，為了精準(zhǔn)控制使用和食品安全性需要，需對(duì)農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮領(lǐng)域常用到的氣體濃度進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)控制。已有研究基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）對(duì)污水中H2S濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過(guò)組態(tài)王實(shí)現(xiàn)上位機(jī)人機(jī)界面，并提供了過(guò)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能[11]。但缺少氣體濃度自動(dòng)精準(zhǔn)控制裝置及H2S回收裝置。通過(guò)精準(zhǔn)控制O3熏蒸濃度提高了樹(shù)莓的貯藏品質(zhì)，雖能夠精準(zhǔn)控制溫濕度及O3濃度，但未涉及O3濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)控制[12]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鮮食葡萄進(jìn)行精準(zhǔn)控制熏蒸濃度監(jiān)測(cè)及回收系統(tǒng)的研究報(bào)道較少，因此，本文以木納格葡萄為試驗(yàn)材料，利用西門(mén)子S7-200PLC可編程控制器對(duì)SO2氣體熏蒸裝置進(jìn)行了模擬控制試驗(yàn)，采用PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一套SO2熏蒸葡萄保鮮自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于鮮食葡萄熏蒸保鮮試驗(yàn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2熏蒸裝置中的熏蒸濃度、壓力及溫濕度的監(jiān)測(cè)及控制。系統(tǒng)具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析處理、實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢及報(bào)警、保存、打印等功能。該系統(tǒng)完成了精準(zhǔn)熏蒸，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化熏蒸保鮮，提高了鮮食葡萄采后品質(zhì)和食用安全性。

1 熏蒸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 熏蒸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要包括通氣電磁閥、SO2濃度傳感器、溫濕度變送器、壓力傳感器、西門(mén)子PLC 200可編程控制器、PC機(jī)、堿液吸收裝置、N2緩沖罐、可推式氣體熏蒸罐和SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體罐（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.99%）等?？梢苿?dòng)式氣體熏蒸罐、堿液吸收裝置均由有機(jī)玻璃加工制成。按照功能可分為SO2濃度控制裝置、葡萄保鮮熏蒸裝置、SO2處理裝置和控制裝置4部分。

其工作流程是：工作時(shí)，SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體罐與N2緩沖罐相連，用以稀釋SO2濃度。SO2濃度傳感器將電流信號(hào)傳遞給西門(mén)子PLC 200，通過(guò)計(jì)量器以精確SO2濃度值，PLC與PC機(jī)相連以隨時(shí)監(jiān)測(cè)SO2濃度；同時(shí)，熏蒸罐①～⑥號(hào)內(nèi)的壓強(qiáng)反饋到PC界面上，PLC實(shí)時(shí)可控制調(diào)溫器與加濕器，調(diào)節(jié)罐內(nèi)溫濕度，以確保滿足熏蒸條件。

1. SO2標(biāo)準(zhǔn)罐 2. N2緩沖罐 3-8. SO2熏蒸罐①-⑥ 9. 回收罐 10. 出氣管 11. 進(jìn)氣管 12. PLC 13.電腦 14. SO2濃度傳感器 15. 壓力變送器 16. 溫濕度變送器 17. 出氣閥 18. 排氣泵 19. 計(jì)量器 20. 加濕器 21. 調(diào)溫器

1.2 熏蒸系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 硬件組成

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子系列產(chǎn)品具體型號(hào)依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，輸入、輸出點(diǎn)的數(shù)量，參考精度和經(jīng)濟(jì)性2點(diǎn)進(jìn)行選型[13]。本系統(tǒng)中，以PLC為核心控制器（控制器為西門(mén)子S7-200 PLC），PC機(jī)作為人機(jī)界面（裝有組態(tài)王和step7 microwin軟件的PC機(jī)），主要由調(diào)溫器、加濕器、溫濕度傳感器、壓力變送器和電磁閥等組成。

控制量包括23個(gè)開(kāi)關(guān)量和18個(gè)模擬量，選擇有2個(gè)模擬量Siemens S7-200 224XP CPU，再加上支持模擬量輸入模塊Siemens EM231、Siemens EM235。數(shù)字量輸入模塊EM221、Siemens EM235。輸入接口分配：SO2濃度模擬量，溫濕度模擬量，壓力模擬量；啟動(dòng)按鈕；停止按鈕；SO2傳感器輸出的SO2濃度單位為ppm，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成單位為L(zhǎng)/L，各類傳感器輸出的電信號(hào)首先輸入模擬量擴(kuò)展模塊，由模擬量擴(kuò)展模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字信號(hào)，再輸入到PLC中。選用Kingview 6.55軟件作為人機(jī)界面，上位機(jī)通過(guò)PC/PPI電纜與PLC RS-485通信口連接進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控[14-19]。根據(jù)SO2熏蒸裝置自動(dòng)控制的需求，采用S7-200 PLC以解決葡萄熏蒸保鮮控制精準(zhǔn)度低、氣體殘留和二次污染等問(wèn)題[20]，得到系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)硬件配置

1.2.2 SO2濃度控制裝置

SO2濃度控制裝置由SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體罐、通氣電磁閥、N2緩沖罐、計(jì)量器和SO2濃度傳感器組成，如圖2所示。

SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體罐容積為3 L，頂部連接通氣電磁閥和調(diào)節(jié)閥，用于通入N2緩沖罐中以稀釋SO2濃度，緩沖罐中裝有SO2濃度傳感器，通過(guò)上位機(jī)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)閥可控制SO2的濃度，計(jì)量器可精準(zhǔn)定量SO2濃度，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，并將計(jì)算值送入軟件程序?qū)崿F(xiàn)量化控制。此裝置的設(shè)計(jì)減少SO2氣體的泄露（見(jiàn)圖2）。參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表2。

圖2 SO2熏蒸裝置圖

表2 SO2濃度控制裝置技術(shù)參數(shù)表

1.2.3 SO2熏蒸裝置

SO2熏蒸裝置由熏蒸設(shè)備、可推式桿、循環(huán)風(fēng)扇、SO2傳感器、溫濕度變送器和壓力變送器組成，如圖2所示。

熏蒸設(shè)備的體積為25 L。聚四氟乙烯管（避免SO2腐蝕電磁閥）與N2緩沖罐的電磁閥開(kāi)關(guān)連接，以控制不同的SO2熏蒸濃度進(jìn)入熏蒸設(shè)備中，頂部外側(cè)安裝一個(gè)壓力變送器、中間外側(cè)安裝SO2濃度傳感器和溫濕度變送器各一個(gè)，以便監(jiān)測(cè)SO2的濃度變化，內(nèi)側(cè)有一風(fēng)扇及2層放葡萄的轉(zhuǎn)盤(pán)。通過(guò)風(fēng)扇使SO2均勻布滿熏蒸罐中，SO2的濃度為傳感器監(jiān)測(cè)熏蒸箱中的濃度，當(dāng)SO2濃度出現(xiàn)衰減未達(dá)到指定濃度時(shí)，傳感器控制電磁閥打開(kāi)及時(shí)進(jìn)行SO2的補(bǔ)給，共有熏蒸罐6個(gè)，此圖省去2～5罐，參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

1.2.4 SO2回收裝置

本試驗(yàn)中采用堿液吸收裝置（5% NaOH吸收液）可使SO2轉(zhuǎn)化成硫酸根離子，即SO2氣體的回收裝置，該裝置為有機(jī)玻璃堿液集中槽，殘留SO2直接通入堿液吸收槽中，通過(guò)堿液中和避免了試驗(yàn)完成時(shí)殘留SO2氣體的揮發(fā)，污染空氣，結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。

表3 SO2熏蒸裝置技術(shù)參數(shù)表

1.2.5 監(jiān)測(cè)控制裝置

監(jiān)測(cè)控制單元包括PLC、模擬量模塊、數(shù)字量模塊、風(fēng)機(jī)和PC機(jī)組成。

PLC通過(guò)模擬量模塊對(duì)多個(gè)傳感器電信號(hào)進(jìn)行采集；產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)傳感器特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器系數(shù)換算[21-22]。然后根據(jù)各個(gè)傳感器子程序（傳感器系數(shù)換算成相應(yīng)的SO2濃度、溫濕度、壓力）轉(zhuǎn)換的數(shù)值通過(guò)顯示電路顯示在PC機(jī)上，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)壓力變化控制風(fēng)機(jī)的啟、停，參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 SO2監(jiān)測(cè)控制裝置技術(shù)參數(shù)

1.3 SO2熏蒸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)軟件及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的控制模塊由PC機(jī)、可編程邏輯控制器PLC、PLC數(shù)字輸入、數(shù)字輸出（模塊）、模擬輸入和模擬輸出模塊組成控制中心。系統(tǒng)中的信號(hào)模塊由濃度傳感器、溫濕度變送器和壓力變送器構(gòu)成，提供4～20 mA的模擬信號(hào)，實(shí)時(shí)采集罐內(nèi)SO2濃度、溫濕度、壓力，PLC數(shù)字輸入連接調(diào)試/自動(dòng)旋鈕、進(jìn)氣/排氣旋鈕等，采集數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)；系統(tǒng)中的執(zhí)行模塊由電動(dòng)閥、加濕器和調(diào)溫器組成，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)控制執(zhí)行元件的啟停。為實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄濃度、溫濕度和壓力?？赏ㄟ^(guò)手動(dòng)方式和自動(dòng)方式控制該熏蒸設(shè)備系統(tǒng)。PC機(jī)能夠直觀監(jiān)測(cè)控制流程，顯示各參數(shù)的實(shí)時(shí)值和趨勢(shì)曲線，及報(bào)表輸出和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、打印等集中管理功能。減少SO2泄露對(duì)人身體的危害及對(duì)環(huán)境污染?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.3.2 控制器系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是PLC控制程序設(shè)計(jì)，采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200 PLC作為葡萄保鮮熏蒸設(shè)備的核心部件，控制程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能的實(shí)施流程[23-24]，S7-200 PLC通過(guò)程序流程圖編寫(xiě)梯形圖完成邏輯控制，具有可編程性，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適用性強(qiáng)，能耗低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。主要包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集、輸出控制和數(shù)據(jù)管理等功能。

圖3 SO2熏蒸系統(tǒng)控制、信號(hào)和執(zhí)行模塊組成結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)動(dòng)態(tài)畫(huà)面由PC機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，PC機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，通過(guò)Kingview 6.55進(jìn)行畫(huà)面設(shè)計(jì)，具有監(jiān)測(cè)、打印、數(shù)據(jù)查詢等功能。上位機(jī)動(dòng)態(tài)畫(huà)面通過(guò)Kingview 6.55進(jìn)行畫(huà)面的監(jiān)控設(shè)計(jì)，主要用于數(shù)據(jù)的收集顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化控制[25-26]。上位機(jī)監(jiān)控主界面如圖4示，包括設(shè)備運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)圖、執(zhí)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，具有翻頁(yè)功能。通過(guò)畫(huà)面切換按鈕進(jìn)入查看監(jiān)控SO2濃度、罐內(nèi)溫濕度、罐內(nèi)壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、報(bào)表數(shù)據(jù)查詢、修改時(shí)間參數(shù)、查看設(shè)備信息、修改其他參數(shù)的頁(yè)面、報(bào)警信息的瀏覽和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，通過(guò)打印按鈕可進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出。

圖4 上位機(jī)動(dòng)態(tài)界面

1.3.4 SO2熏蒸裝置的動(dòng)態(tài)模擬

1）PLC與組態(tài)軟件

上位機(jī)通過(guò)PC/PPI電纜與PLCRS-485通信口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)交換[27]，通過(guò)組態(tài)軟件讀取PLC 224XP的數(shù)據(jù)。通過(guò)串口通信方式，即使用S7-200系列PLC上的PC/PPI編程口，將西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)編程電纜或者使用標(biāo)準(zhǔn)RS-485電纜連接到計(jì)算機(jī)串口上。PC/PPI是西門(mén)子S7-200系列點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，PLC與上位機(jī)連接可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控SO2熏蒸濃度的動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)控程序流程圖如圖5所示。

2）組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫(kù)交換信息

組態(tài)王SQL訪問(wèn)功能是為了實(shí)現(xiàn)組態(tài)王和其他ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換，以便數(shù)據(jù)的隨時(shí)查看、拷貝[28]。它包括組態(tài)王SQL訪問(wèn)管理器和SQL函數(shù)。SQL訪問(wèn)管理器用來(lái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)列和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系，包括表格模板和記錄體2部分。通過(guò)表格模板在數(shù)據(jù)庫(kù)表中建立表格；通過(guò)記錄體建立數(shù)據(jù)庫(kù)表格列和組態(tài)王之間的聯(lián)系，允許組態(tài)王通過(guò)記錄體直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。SQL函數(shù)可以在組態(tài)王的任意一種命令語(yǔ)言中調(diào)用，這些函數(shù)允許用戶選擇、修改、插人、刪除數(shù)據(jù)庫(kù)表中的歷史記錄。本系統(tǒng)通過(guò)Microsoft SQL Server 2003與PC機(jī)的ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)[29]。

圖5 監(jiān)控程序流程圖

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年6月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所熏蒸裝備室對(duì)該裝置進(jìn)行了監(jiān)控試驗(yàn)和貯藏試驗(yàn)，測(cè)試了熏蒸設(shè)備中SO2熏蒸濃度、熏蒸時(shí)間、熏蒸壓強(qiáng)及溫濕度的實(shí)際值與理論值的差值。通過(guò)分析木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率、硬度、漂白指數(shù)標(biāo)等相關(guān)指標(biāo)，篩選適宜于木納格葡萄貯藏保鮮的SO2熏蒸濃度、時(shí)間和壓強(qiáng)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樣品處理

木納格葡萄于2017年9月29日上午采摘于新疆阿圖什，挑選果梗嫩綠、成熟度一致（可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥18%）、果粉均勻、外觀無(wú)機(jī)械傷的新鮮葡萄，修剪裝箱后即時(shí)運(yùn)回新疆農(nóng)業(yè)科院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所實(shí)驗(yàn)冷庫(kù)，在（0±0.5）℃預(yù)冷24 h。

當(dāng)木納格葡萄果心溫度降到0℃左右時(shí)，試供材料隨機(jī)分組，裝入內(nèi)襯吸水紙的打孔PE盒中，每盒質(zhì)量為600.00 g，置于氣體熏蒸箱中，采用（1 000、2 000、3 000、4 000、5 000L/L SO2）標(biāo)準(zhǔn)氣體熏蒸不同的時(shí)間（2、4、6、8、10、12 min），并控制熏蒸壓強(qiáng)為（常壓、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa），分別用1～5序列數(shù)表示其試驗(yàn)次數(shù)。以不注入SO2作為空白對(duì)照果。熏蒸結(jié)束后通過(guò)電磁閥開(kāi)度進(jìn)行SO2堿液吸收處理，果實(shí)放置于（0±0.5）℃、相對(duì)濕度90%～95%條件下的冷庫(kù)中貯藏90 d，觀察表觀變化，每隔10 d進(jìn)行測(cè)定果梗褐變相關(guān)指標(biāo)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)。

2.2.2 SO2熏蒸濃度、熏蒸壓強(qiáng)及溫濕度的測(cè)定方法

SO2濃度與熏蒸壓強(qiáng)相對(duì)誤差計(jì)算公式如式（1）~（2）。

式中為SO2濃度相對(duì)誤差，為注入熏蒸箱內(nèi)的理論體積濃度值，L/L；為熏蒸箱內(nèi)實(shí)際監(jiān)測(cè)體積濃度，L/L。熏蒸壓強(qiáng)相對(duì)誤差，為實(shí)際設(shè)置的壓強(qiáng)值，MPa；為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)值, MPa。觀察溫濕度在10 min內(nèi)的變化，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.3 指標(biāo)測(cè)定方法

果梗褐變是影響葡萄表觀品質(zhì)的重要因素之一,其計(jì)算參考式（3）。

果梗褐變級(jí)別為：0級(jí)，果梗、穗軸部位均沒(méi)有褐變；1級(jí)，果?；蛩胼S部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，但面積不超過(guò)總面積的1/4；2級(jí)，果?；蛩胼S部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，且面積占總面積的1/4～1/2；3級(jí)，果梗或穗軸部位出現(xiàn)褐變現(xiàn)象，且面積占總面積的1/2～3/4；4級(jí)，果梗穗軸部位褐變面積超過(guò)3/4或全部褐變。

果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率和落粒率均采用差質(zhì)量法計(jì)算計(jì)算式參考式（4）~（6）。

通過(guò)觀察果粒表面漂白面積占果?？偙砻娣e的比例來(lái)確定漂白指數(shù)計(jì)算式如式（7），分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：0級(jí)，無(wú)漂白點(diǎn)；1級(jí)，輕微漂白；2級(jí)，漂白面積<1/5；3級(jí)，1/5，漂白面積<1/4；4級(jí)，1/4，漂白面積<1/3；5級(jí)，漂白面積<1/3。

果實(shí)硬度采用GY-4型硬度計(jì)測(cè)定。測(cè)定探頭直徑為5 mm，測(cè)定10粒果實(shí)，重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果以N表示。SO2熏蒸裝置放置在葡萄保鮮庫(kù)中，保鮮庫(kù)溫度控制在0～5℃，濕度控制在90%～95 %。

采用SPSS 19.5進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析并利用Duncan法進(jìn)行均值比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同SO2濃度和壓強(qiáng)控制結(jié)果

SO2濃度和壓強(qiáng)控制結(jié)果如表5、表6所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由緩沖罐注入SO2熏蒸箱內(nèi)的SO2濃度實(shí)際值與通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的值沒(méi)有明顯誤差，最大誤差為0.09%；實(shí)際設(shè)置的壓強(qiáng)值與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的壓強(qiáng)值相對(duì)誤差最大值為10%，2組誤差都在技術(shù)指標(biāo)允許范圍內(nèi)。測(cè)量誤差產(chǎn)生的主要原因可能與傳感器的接觸靈敏度有關(guān)。

3.2 溫濕度控制結(jié)果及SO2熏蒸裝置性能測(cè)試

溫濕度的控制結(jié)果如圖6 a所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，從西門(mén)子S7-200 PLC定時(shí)器的時(shí)間（10 min）內(nèi)的溫濕度變化情況可以看出，10 min內(nèi)熏蒸箱內(nèi)的控溫濕度精確度分別在0～1.5℃和90%～95%之間，說(shuō)明SO2氣體精準(zhǔn)熏蒸葡萄保鮮自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測(cè)熏蒸箱內(nèi)的溫濕度變化。

表5 SO2濃度控制結(jié)果

表6 壓強(qiáng)控制結(jié)果

圖6 SO2熏蒸裝置溫濕度的控制和性能測(cè)試結(jié)果

在單因素的基礎(chǔ)上設(shè)定3個(gè)SO2濃度，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，10 min內(nèi)熏蒸裝置內(nèi)SO2變化情況如圖6b所示。2 000、3 000、4 000L/L SO2分別在設(shè)定后的42、88、200 s時(shí)達(dá)到設(shè)定的濃度，并在剩余的時(shí)間內(nèi)，裝置內(nèi)的SO2濃度在設(shè)定值上下波動(dòng)，設(shè)定值在2 000、3 000和4 000L/L時(shí)，裝置內(nèi)的SO2濃度在設(shè)定值附近波動(dòng)。

3.3 SO2濃度、熏蒸時(shí)間及不同熏蒸壓強(qiáng)對(duì)木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

表7～8分別為熏蒸時(shí)間為10 min，熏蒸壓強(qiáng)為0.05 MPa的條件下，SO2濃度為0、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000L/L和SO2熏蒸濃度為3 000L/L，熏蒸壓強(qiáng)為0.05 MPa的條件下，熏蒸時(shí)間為2、4、6、8、10、12 min及熏蒸時(shí)間為10 min，熏蒸濃度為3 000L/L的條件下，壓強(qiáng)為常壓、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 MPa，貯藏至90 d后木納格葡萄外觀、顏色的變化，以果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率、硬度及漂白指數(shù)為指標(biāo)，分析不同的SO2濃度、不同的熏蒸時(shí)間、不同的熏蒸壓強(qiáng)對(duì)葡萄果實(shí)品質(zhì)的影響。由表7可知，在整個(gè)貯藏期中，2 000、3 000L/L SO2處理果實(shí)的硬度高于其他處理，貯藏至結(jié)束，與其他處理果相比有顯著性差異（<0.05），3 000L/L SO2處理的果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率均低于其他處理果，除腐爛率外，與其他處理果存在顯著性差異（<0.05）；由表8可知，貯藏至結(jié)束，除果實(shí)腐爛率外，10 min處理果果實(shí)失質(zhì)量率、落粒率、果梗褐變指數(shù)均低于其他處理果，且果梗褐變指數(shù)與其他處理果之間存在顯著性差異（<0.05），硬度高于其他處理果，并有顯著性差異（<0.05）；由表9可知，貯藏至90 d時(shí)，除果實(shí)落粒率外，0.05 MPa處理果果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率均低于對(duì)照組，果實(shí)硬度高于對(duì)照果，且與其他處理組之間有顯著性差異（<0.05）；說(shuō)明3 000L/L SO2、10 min、0.05 MPa的熏蒸條件能夠較好的抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率和硬度的下降，較好地保持木納格葡萄的外觀品質(zhì)。

表7 不同SO2濃度對(duì)木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

注：同列同一貯藏時(shí)間無(wú)相同小寫(xiě)字母表示差異顯著（<0.05）,下同。

Note: Values with different letters are significant different at< 0.05 in the same columns, the same below.

表8 不同熏蒸時(shí)間、熏蒸壓強(qiáng)對(duì)木納格葡萄貯藏品質(zhì)的影響

3.4 殘留SO2氣體的回收

殘留SO2回收結(jié)果如表9所示，當(dāng)SO2殘留濃度為542L/L時(shí)，回收率為99.8%，當(dāng)SO2殘留濃度為864L/L時(shí)，回收率為99.5%，當(dāng)SO2殘留濃度為718L/L時(shí)，回收率為99.6%，結(jié)果表明，濃度越大SO2殘留越大，但SO2回收率均大于99%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表9 不同殘留濃度的SO2氣體回收效果

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的SO2熏蒸保鮮控制系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)為二氧化硫氣體精準(zhǔn)熏蒸監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究提供了技術(shù)支持。該系統(tǒng)對(duì)木納格葡萄的熏蒸保鮮進(jìn)行了應(yīng)用研究，程序設(shè)計(jì)采用PLC中最通用的編程方式，降低了使用熏蒸設(shè)備的技術(shù)難度，將SO2熏蒸濃度、溫度、濕度及壓力控制在所需要的范圍內(nèi)，使得試驗(yàn)精準(zhǔn)且便于操作。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映熏蒸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高了葡萄熏蒸保鮮的效率，節(jié)約了大量的人力物力。由試驗(yàn)可知，通過(guò)對(duì)SO2熏蒸箱內(nèi)的溫度（0～1.5℃）、相對(duì)濕度（90%～95%）、SO2濃度和壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果及SO2濃度回收率（>99 %）的測(cè)定，結(jié)果表明熏蒸設(shè)備滿足設(shè)計(jì)的需求。研究結(jié)果表明在SO2熏蒸濃度為3 000L/L，時(shí)間為10 min，壓強(qiáng)為0.05 MPa時(shí)，短時(shí)高濃度SO2熏蒸處理能夠有效抑制木納格葡萄果梗褐變指數(shù)、果實(shí)腐爛率、失質(zhì)量率、落粒率及漂白指數(shù)的增加，維持果實(shí)的硬度，較好地保持了木納格葡萄果實(shí)的品質(zhì)，延緩果實(shí)衰老，降低了果實(shí)中SO2的殘留，提高了葡萄果實(shí)的食品安全性。本研究的熏蒸裝置及控制系統(tǒng)對(duì)鮮食葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)蔚縣具有較好的推動(dòng)作用和示范應(yīng)用前景。

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Design of sulfur dioxide automatic control fumigation system for table grape preservation

Wei Jia, Zhang Zheng, Zhao Fangfang, Chen Yan, Zhang Jian, Wu Bin※

(830091,)

Sulfur dioxide (SO2) is the most efficient preservative in commercial storage of table grapes and there is no other substitute so far. But several problems have not been solved yet, such as incomplete sterilization to the grapes, formation of bleached spots and accumulation of phytotoxicity due to the inhomogeneous release of SO2. Many studies had been done to decrease the negative effects caused by excessive SO2. In order to achieve the on-line real-time monitoring, the SO2concentration precisely control as well as recover SO2during fumigation process, a SO2fumigation automatic control equipment was designed in this paper. This equipment was composed of three parts: SO2concentration control device, grape fumigation device and lye absorption device. These parts were systematically controlled under programmable logic controller (PLC). The SO2concentration, fumigation temperature, humidity and pressure were all monitored through the Kingview 6.55 software. Multiple functions could be implemented by this software, such as real-time animation display, trend curve drawing, database query, report printing and so forth. The fumigation system was applied to measure the SO2concentration, pressure and recovery of SO2gas during the short-time SO2fumigation to the ‘Munage’ grapes at (0±1) ℃(RH=90%±5 %). The results showed that the error range of SO2concentration was low, the maximum value of pressure deviation was 10 % and the SO2recovery was above 99%. The SO2concentrations of 2 000, 3 000 and 4 000L/L were achieved after 42, 88, and 203 s respectively after they were set the device control precision was 0.09L/L. That meant this equipment and control system were able to meet actual demand. The high-concentration-short-time SO2fumigation technology was also studied in this article. The effects of different concentrations of SO2(0, 1 000, 2 000, 3 000, 4 000 and 5 000L/L), fumigation time (2, 4, 6, 8, 10 and 12 min) and pressure (normal pressure, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06 MPa) on the postharvest quality of the ‘Munage’ grapes were discussed. The optimal SO2fumigation condition was: concentration of SO2was 3 000L/L, fumigation time was 10 min and the pressure was 0.05 MPa. Under this condition, the decline of the firmness was retarded and the browning index, decay rate, weight loss rate, drop rate and bleaching index were all decreased. Therefore, the postharvest quality of ‘Munage’ grapes was better maintained. The results showed that SO2fumigation automatic control equipment could accurately achieve the real-time online monitoring of SO2concentration, fumigation temperature, humidity and pressure at the same time. It could precisely control and quickly achieve the required SO2concentration. The gas recovery device could rapidly absorb the SO2residual which increased the safety of this fumigation equipment and the edible safety of grape was also improved as well. Compared with the untreated grapes, the grapes after high-concentration-short-time SO2fumigation kept better postharvest quality. In general, SO2fumigation automatic control equipment and control system had a potential application on postharvest fumigation of vegetable and fruit, in the meantime this study would provide the technology and equipment support to the grape industry.

fumigation; storage; quality control

2018-04-18

2018-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（31560473，31860460）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201604020003）

魏 佳，助理研究員，博士，研究方向?yàn)閼?yīng)用化學(xué)。 E-mail：327645095@qq.com

吳 斌，研究員，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。E-mail：xjuwubin0320@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032

S379.3；S663.1

A

1002-6819(2019)-01-0260-09

魏 佳，張 政，趙芳芳，陳 燕，張 健，吳 斌.鮮食葡萄SO2氣體精準(zhǔn)熏蒸保鮮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：260－268. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032 http://www.tcsae.org

Wei Jia, Zhang Zheng, Zhao Fangfang, Chen Yan, Zhang Jian, Wu Bin.Design of sulfur dioxide automatic control fumigation system for table grape preservation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 260－268. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.032 http://www.tcsae.org