自然冷资源保鲜库自控系统设计及应用

张 飞，周福君

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

随着人民生活水平的不断提高，对水果和蔬菜的品质要求也在逐渐增长，但水果和蔬菜的采后损失十分严重，果蔬贮藏日益受到人们的关注。

目前果蔬的贮藏方式主要是人工降温贮藏，即利用机械制冷来调节贮藏环境温度。在传统的冷库中冷却盘管表面温度低于零度，空气中的水分不断冷凝和结霜，库藏产品经一段时间的冷藏后水分损失[1-2]。此外，由于盘管周期性化霜，库温也就相应周期性波动，不利于保鲜。同时，由于制冷设备的容量设计按冷藏物从入库温度冷却到冷藏温度的尖峰负荷确定[3]，该符合比冷藏过程中平均负荷大得多，因此设备容量大，体积大，造价高。近些年随着能源危机的加重及环保问题的日益迫切，使得人们研究更加完善的果蔬贮藏方法，来实现能源节约和低碳经济来环境改善[4]。

我国北方有着独特的气候特点和丰富的自然冷资源，即冬冷夏热，如果能把冬季自然冷资源储存到夏季，这部分冷量就可以作为夏季的冷源来调节保鲜库内的温度。在北方利用自然冷资源贮藏蔬菜既节约能源又保护环境，这是一种绿色能源[5]。

随着科技进步和计算机技术的不断发展，利用虚拟仪器（Virtual instrumention，VI）实现保鲜库的温度和湿度的自动控制得以有效应用。通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户通过友好的图形化操作界面来使用计算机完成测控任务，用户根据自己的需要定义和制造各种仪器来测控环境的温湿度。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理技术。目前广泛使用的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW软件。本设计基于LabVIEW软件平台，应用虚拟仪器技术实现对自然冷资源保鲜库内的温度、湿度参数自动监控，已达到提高果蔬保鲜质量的目的。

1 自控系统参数设计

无论是居室、畜禽舍及果品蔬菜保鲜，生物体和环境之间都存在能量的交换。以蔬菜为例，采摘后仍然进行呼吸作用，呼吸强度是一个衡量呼吸强弱的一个指标。呼吸强度越大，各种生理、生化过程经行的越快，营养物质消耗得越快，蔬菜衰老的也就越快，贮藏寿命也就越短了[6]。因此抑制蔬菜的呼吸强度成为蔬菜保鲜的重要环节之一。除了蔬菜种类和蔬菜本身的特性之外，影响蔬菜呼吸强度的主要环境因素有:温度、湿度、气体成分、机械伤害和其他微生物的侵染等。蔬菜本身的特性不易控制，所以控制蔬菜的外部环境因素成为延长蔬菜保鲜期的一个重要方法，在影响果蔬采后贮藏的环境因素中，温度、湿度、二氧化碳影响最为显著。

国内外对保鲜库或温室的检测与控制进行了大量研究，其中用单片机和PLC模糊控制居多。单片机成本低廉，体积小，自动化程度高，环境因素控制精确，但单片机不够稳定，设计复杂，系统开发周期比较长，给设计者带来了难度；随着PLC技术的成熟，PLC控制技术在自动化控制中所占的比重越来越大。PLC具有可靠性高、功能强、安装简单、维修方便、系统开发周期短、稳定性好等优点，但PLC成本高，不利于大范围的推广[7]。随着计算机技术，虚拟测试技术模块和控制模块的高速发展，VI在测控领域越来越受到人们的青睬。虚拟测控技术具有开发周期短，成本低廉，系统稳定性和可靠性高等优点[8]。

本控制系统中，保鲜库环境参数确定为温度（多点）、湿度（多点）以及CO2气体浓度。采用传感器将信号经数据采集模块输入计算机，通过虚拟仪器加以控制。

2 自动控制系统设计

自控系统有硬件部分和软件部分组成。本系统中硬件部分主要有温度传感器、湿度传感器、Rma411远端模拟量采集模块、RM4024远端模拟量输出模块、PC机等组成。软件部分采用美国NI公司的Labview软件。

2.1 硬件部分

2.1.1 数据采集模块

Rma411是远端输入采集模块，适用于各类工业现场，可采集16路模拟量，并转换成相应的环境参数，通过RS485接口，与上位机实时通讯。Rma411采用maX132CNGA/D转换芯片进行18位双积分模数转换。同时采用了光电隔离技术，使模块的抗干扰能力进一步加强。Rma411模块有上下两排接线端子，共2×24=48个点，每个输入端子占用三个点，共可接16个传感器。

2.1.2 数据输出模块

RM4024选用AT89C2051单片机和BB公司的DAC7625 D/A转换芯片进行12位数模转换，可输出0～5 V电压信号，并通过RS485与上位机通讯。它同时采用了光电隔离技术，使供电电源和通讯与模拟输出分开，使模块的抗干扰能力进一步提高。RM4024远端模拟量输出模块适用于各类工业现场,可输出4路电压信号，并通过RS485接口，与上位机进行实时通讯。

2.1.3 温度传感器

传感器的种类多种多样，选用适合本采集模块的pt100热电阻式与外接变送器组合成的的分体式温度传感器。铂热电阻是一种精确度高，灵敏度高的传感器，其线性温度阻值优于其他电阻式热传感器，性能稳定，可靠性高。Pt100温度传感器采用三线制接线方式，这种连接方式达到了试验的要求。由于工作过程中传感器探头要与水接触，所以接线处带有防水封装，通过pt100将温度信号转换为电流信号，再由变送器转化为采集卡所需要的标准信号。

2.1.4 湿度传感器

湿度传感器采用的SC系列湿度传感器，该传感器比较适宜现场测量环境的相对湿度。

2.1.5 硬件连接

将所有硬件设备按照相应的技术要求进行连接，原理图如图1所示。其中Rma411模块采用24 V稳压电源供电。温度传感器PT100与变送器组合的方式与Rma411实现连接。RA411通过RS232/485转换器实现和计算机的连接，接线方法采用两线制。上述连接构建所有数据的采集通道。RM4024模块也采用24 V稳压电源供电，它与Rma411共用1个电源。控制系统的信号输出，通过RS232/485转换器与RM4024模块连接，接线方法采用两线制。输出信号经RM4024模块编译后，传输给开关量输出模块，信号经其放大后驱动继电器实现对高压电器的操作。

图1 硬件系统总体设计Fig.1 Design of the total configuration on system

2.2 软件设计

2.2.1 软件选取

VI是美国国家仪器公司（National instruments crop，NI）于1986年推出的感念，是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术[9]。它突破了传统仪器的感念，即软件就是仪器，仪器就是软件，虚拟仪器将现代计算机技术、软件设计技术、测试技术和高性能模块化技术结合在一起的一种功能强大而又灵活的软件仪器，与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势[10]。

目前流行的VI软件开发工具有两类:文本式编程语言有C、C++、VB、Labvindows/CVI等；图形化编程语言有LabVIEW、AgilentVEE等。其中LabVIEW最流行，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件[11]。

LabVIEW的开发环境分为三部分:前面板（Pane1）、框图程序（Diagram program）和图标/连接端口（Icon/termina1）。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量[12]。

为了实现对整个试验过程中的温度数据的采集和动态显示、分析、自动控制，该自然冷资源保鲜库自动控制系统具有以下几个主要功能:

①传感器的校准，保证采集数据的精度；②可同时对多个测点进行温度测试，并实时显示测试点的温度数据及变化曲线；③为了试验数据分析的需要，自行设定数据采集周期，将采集来的数据进行存储；④试验过程中，完成对温度等数据的自动控制；⑤计有试验过程中采集数据防溢出程序。

2.2.2 程序和界面设计

保鲜库环境自动控制系统一般采用位式调节。它通常由温度传感器、温度指示调节器和供液电磁阀等组成，使库温下降。当库温升高到设定值时，在控制系统作用下，电磁阀自动开启。向换热器供液，使库温下降。当库温降到设定下限值时，则切断电磁阀的供电，使电磁阀关闭，停止向蒸发器供液。图2所示为设计的控制系统的程序界面。该系统实现了数据的自动采集、温度和湿度自动控制、自动显示。

图2 自动控制系统的程序界面Fig.2 Block diagram of automatic control system

3 应用与讨论

结合本试验采集数据的特点及要求，首先对数据采集函数进行初始化，制定适当的采集频率、采集数据保存路径、采集数据的实时显示以及动态变化等试验方案，完成自然冷资源保鲜试验温度采集系统程序设计的应用。

利用上述自控系统对实际保鲜库进行温、湿度自控试验。试验环境为2 m×2 m×2 m密闭空间，采用20 cm厚度的聚氨酯苯板作为维护结构，环境初始温度为20℃，目标温度为5℃，环境湿度65%，启动该自控系统，通过Rma411远端热电阻采集模块，实现对温、湿度信号传输、处理、显示和储存，借助RM4024远端模拟量输出模块，达到了对风机、水泵的控制，5.5 min后环境温度达到目标值并稳定在（5.0±0.5）℃。自动控制系统的应用试验取得预期效果。

通过对整个系统的应用，表明自动控制部分自动化程度较高，能够实时观察到保鲜室的温度、湿度变化和数据显示情况，能把环境参数的变化情况时时记录和保存下来，并实现自动控制。

上述研究表明利用自然冷资源保鲜技术具有适应性强、节能、保湿性好等特点，符合果蔬贮藏保鲜技术发展方向。而基于虚拟仪器的湿冷保鲜库温、湿度自控系统因采用了最新测控技术，应用前景广阔，具有很大的发展空间，有待于深入研究。

[1]Vigneaut C. Natural ice used to refrigerate a storage building[J].International Winter Meeting.American Society of Agri Eng Paper,1989:10.

[2]Neto J H M,Krarti M.Deterministic model for an internal melt ice-on-cool thermal storage tank[J].ASHRAE Transactions,1997,103(1):113-124.

[3]刘岩.自然冷资源辅助空调系统研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2007.

[4]李里特.关于利用冷资源贮藏生鲜农产品的研究现状与前景[J].农业工程学报,1991,7(1):18-23.

[5]周福君,刘健,乔颖.利用自然冷资源贮藏保鲜的应用研究[J].农机化研究,2001(1):93-94.

[6]冯双庆.果蔬贮运学[M].北京:化学工业出版社,2008:50-54.

[7]吴九辅.现代工程检测及仪表[M].北京:石油出版社,2004.

[8]张景辉.基于虚拟仪器的多路温度测控试验装置[J].传感器资讯,2003(7):101-103.

[9]马草原,郭双强,李国欣.基于LABVIEW的串口调试与数据分析[J].工矿自动化报,2005,26(4):74-75.

[10]张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008:3-7.

[11]樊琦.基于LabVIEW的温室环境智能测控系统软件设计实现[D].杭州:浙江大学,2006.

[12]杨忠仁,饶程,邹建,等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报,2004,24(2):32-35.