农产品保鲜冷库的PLC控制与关键技术研究

时间：2024-05-21

付焕森+王郭全+夏华凤+曹健+彭杨

摘要：增加农民收入是国家发展农村经济的重要内容，提高农产品的收入是其重要组成部分。农产品从传统依靠天气种植转变为温室大棚培育，改善了种植方法，提高了经济效益，但是温室农产品仅限于果蔬产品，而且品质相比于当季农产品有所下降。保鲜冷库技术的发展解决了夏秋季丰富果实的贮藏问题，受到了企业的重视和农民的欢迎，利用可编程逻辑控制器（PLC）控制技术设计小型冷库，控制过程分为预冷入库、恒温保持、智能通风和升温出库等阶段，各阶段对冷库温度、湿度、二氧化碳浓度和氧气浓度进行智能化处理，并对控制过程中的一些关键程序和技术作了详细分析。通过测试表明，系统运行稳定，温度误差小于5%，湿度误差小于1.67%，精度较高，满足工业设计的要求，并能实现本地、远程控制以及无线报警，有一定的推广价值。

关键词：农产品保鲜冷库；PLC控制；智能处理；远程控制；无线报警；程度设计

中图分类号： TP273+.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0233-03

收稿日期：2017-02-10

基金项目：江苏省高校“青蓝工程”；江苏省泰州市科技支撑计划（编号：TS201632）。

作者简介：付焕森（1982—），男，江苏兴化人，博士研究生，讲师，研究方向为智能自动化理论与工程。E-mail：fuhuansen@163.com。提高农民收入是国家发展农村经济的重要组成部分，随着人们生活水平的提高，对绿色农产品有了更高的品质要求。尽管温室大棚解决了传统农产品依靠天气种植和生存的困难，但是在农产品营养方面，当季农产品营养的认可度要高于温室大棚农产品。因此，如果能对当季农产品进行保质保鲜，将会成为增加农民收入的重要途径。如何保鲜成为当前农村发展绿色农产品的瓶颈，一方面在技术上要难于温室大棚的控制，另一方面在成本上和管理上有一定的实施难度，保鲜冷库的控制精确度决定了农产品的保鲜质量，特别是温度、湿度的控制，其中温度相对更为重要。李喜宏等设计出便携式微型保鲜冷库，对冷库材料、结霜量和耗电量进行了分析[1]；胡云峰等设计1种梯度冷库，分析了梯度冷库的温度弹性效应、温度场效应[2]；郭晓琳等对保鲜技术作了对比试验和评价研究[3]；雷静等利用LED红蓝弱光照射农产品，尝试开发保鲜新技术[4]。本研究给出了利用可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制器，设计农产品保鲜冷库控制系统，分别从预冷入库、恒温保持、智能通风和升温出库等阶段进行软硬件设计，为方便使用和统计，设计上位机操作管理系统，并对部分关键处理技术和程序进行了分析。

1 整體设计

农产品保鲜冷库的系统设计如图1所示，系统分为3个部分：输入部分、控制部分和执行部分，输入部分主要由温度传感器、湿度传感器和二氧化碳、氧气浓度传感器等组成；控制部分是S7-200 PLC对输入信号进行处理、算法控制；输出部分是控制温湿度的制冷机、加湿控制阀以及电加热除霜和二氧化碳、氧气等设备。此外，本地控制器的组态触摸屏、远程控制的电脑上位机和短信报警设备等，用来对冷库进行数据统计和分析，以及预冷入库、恒温保持、智能通风和升温出库等阶段的智能处理[5-7]。

2 技术要求

农产品多数成熟于夏秋季，在温度较高的环境中容易腐烂变质，同一农产品品种在不同的成熟阶段，最佳保鲜温度有一定的区别，如绿熟西红柿保鲜温度为11～13 ℃，红熟时为7～10 ℃，但是大多数农产品适宜的保鲜温度为0 ℃左右，果蔬保鲜最低温度为-2 ℃，温度再低时，农产品容易冻坏；相对湿度一般控制在90%～95%，普通保鲜冷库难以达到该湿度，所以需要增加加湿设备。冷库除了温湿度控制外，二氧化碳、氧气含量对农产品保鲜也有很大影响，如果能够精确地控制冷库气体含量，就可以使农产品处于休眠状态，减少自身能量的损耗，在出库时保持最好的品质。

3 程序设计

如图2所示，系统开机后，操作人员可以根据农产品的状况选择工作模式，一般是农产品采摘后，第1阶段先进入预冷入库模式，使农产品在高温采摘后先预冷，大概在20 ℃的环境里存放12 h，以减少制冷机的热负荷；第2阶段是预冷后根据保鲜的农产品特点，进入-2～13 ℃温度，90%左右湿度的恒温保鲜模式；第3阶段根据冷库内二氧化碳、氧气的浓度进行调节，使得农产品处于休眠模式，减少能量损耗；第4阶段是升温出库阶段，也就是农作物在出库之前适当提高温度，减少与外界的温度差，保持农产品的品质。

4 部分关键技术分析

结合企业工程项目实际设计和调试，对相关关键技术进行分析[8-10]，主要是自动控制方面的模拟量处理、防频繁启动和比例-积分-微分（PID）控制技术等。

4.1 温湿度等模拟量处理

在图3中S7-200的I_to_R模拟量转换子程序中，IN表示PLC模拟量通道实际采集的整形数值，范围一般在0～32 000；InLow、InHigh分别是PLC对应于温湿度传感器输入信号的上限、下限值，本研究采用的是西门子QFM2160温湿度传感器，输出信号是0～10 V，所以InLow、InHigh分别取值0、32 000，如果选择4～20 mA的传感器，InLow、InHigh分别取值 6 400、32 000；OutLow、OutHigh分别是温、湿度传感器的测量范围，温度为0～50 ℃，湿度为0～100%，所以在图3的2个模拟量处理模块中，OutLow取0，OutHigh分别取50、100；XZ是对实际输出值的偏差进行修正。

在模拟量转换过程中，处理过程可以用式（1）来表示：

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

由于篇幅限制，把梯形图转化成上述指令语句，读者可以通过编程软件转换成梯形图，较便于直观理解，式（1）转换成梯形图时，要注意数据格式之间的转换，否则编程软件会认为错误。为方便理解，对上述指令语句中出现的变量给出在PLC中对应的数据类型，详见表1。endprint

4.2 防频繁起动处理

制冷设备一般是压缩机制冷，不宜频繁启动、停止，在设计PLC程序时要采用防频繁启动处理，也就是如果简单地比较冷库的当前温度和设定温度，由于传感器采集温度时会上下波动，就会造成触发控制压缩机的线圈频繁启动和停止。可以参考图4程序，其中VD100为冷库实时温度，VD300为冷库设定温度，VD304为VD300减去2 ℃的值，Q0.0为控制压缩机的触发线圈，这里2 ℃可以根据传感器、控制温度的精度作调整，如果简单比较VD100和VD300，会频繁启动压缩机，造成制冷设备损坏。

4.3 PID控制

保鲜冷库有预冷入库、恒温保持等4个阶段，每个阶段控制的温度不同，所以通过变频器控制压缩机的制冷输出，一方面可以实现软启动，另一方面可以实现节能控制。常用PID的控制方法见式（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）为控制变频器频率的输出量，0～32 000；e（k）为冷库温度和设定温度的误差，℃；KP、K1、KD分别是比例、积分、微分参数，对于一般工业控制，调节KP、K1 2个参数就可以。在S7-200中，有自带的PID控制模块，只要按照PID向导调节就可以生成，如图5所示。

在调节PID参数时，可以参考图6、图7，给定值范围的低限和高限是指传感器温度的量程，比例增益和积分时间分别为2.0、2.00 min，采样时间设定1.0 s。比例增益一般控制在1～10之间，不宜过大，否则会造成超调振荡，积分时间一般控制在2～4 min。PID调节与工业现场的复杂度有关系，在实际工作时需要一个积累重复的过程。

5 通信设置

S7-200通信口采用RS-485通信协议，不同的型号具有1～2个RS-485通信口，维纶触摸屏和S7-200的通信接

线如图8所示。不同的触摸屏型号所定义的通信读、写状态针不一样，实际通信时要注意接线，一般需要自制通信接口。維纶触摸屏串口定义1针为RX+，2针为RX-，S7-200定义3针为D+，8针为D-，5针一般都是GND（隔离地），还需要注意波特率、奇偶检验等设置。

同样，与上位机电脑监视通信时，PLC也采用图8的接口定义，但是上位机电脑与多个PLC监视通信时，采用485通信协议时，要按照“手拉手接线”方式，如图9所示，如果有2路手拉手接线方式，不能在终端合并接入电脑的同一个232转485接线口，必须使用“一分二485转换模块”才可以通信。

6 测试结果

触摸屏和上位机界面设计如图10所示，其中15个监测点的温度、湿度数据，能够清楚地在横向、纵向距离上监测保鲜冷库的温、湿度。

综合利用PLC技术和PID控制方法，建立了农产品保鲜冷库模型，在冷库内不同高度、多个位置安装了温湿度传感器，经过运行测试，触摸屏和上位机监测数据稳定。在图10中，冷库设定温度12 ℃，湿度90%，温度误差范围控制在5%以内，湿度误差范围控制在1.67%以内，满足工业设计要求，有一定的推广价值。

参考文献：

[1]李喜宏，关文强，胡云峰，等. 便携式微型保鲜冷库研究[J]. 农业工程学报，2003，19（4）：245-248.

[2]胡云峰，李喜宏，朱志强，等. 果蔬保鲜温度梯度试验冷库的设计与效果分析[J]. 农业工程学报，2005，21（7）：132-135.

[3]郭晓琳，阎春利，杜玮，等. 二代冬枣移动冷库储存保鲜技术研究[J]. 安徽农业科学，2015（25）：291-292，295.

[4]雷静，张娜，阎瑞香，等. LED红蓝弱光照射保持樱桃番茄冷库贮藏品质[J]. 农业工程学报，2016，32（9）：248-254.