智能排油烟控制系统在商用厨房的应用研究

王 莉

引言

据统计，厨房排油烟系统的能耗通常占整个厨房能耗的30%以上，并且会产生大量的负压，导致整个餐厅的空调冷量被厨房大量消耗。随着科技的飞速发展，近年来，在商用厨房的使用中逐步形成了以计算机控制为基础的排油烟控制系统，从而使厨房排油烟以最小的能耗达到最佳的运行效果，并能满足整体空间的风量平衡，达到高效节能的要求。因此，研究厨房智能排油烟的控制系统具有很大的经济意义。

排油烟智能控制系统的基本结构及运行原理

排油烟智能控制系统采用的是算法控制，由传感器、电动风阀、变频器及计算机控制主板组成，需在每一个烹饪设备上安装传感器，并在烹饪设备上方的排油烟风管上加装电动风阀。下文以某企业员工厨房排油烟系统的智能控制系统为例，研究商用厨房排油烟的控制。

首先将厨房的烹饪设备进行分类，并对不同的烹饪设备进行风量需求的分配。以该厨房为例，有炒炉、汤炉、蒸柜及烤箱等各类设备，共计26个，根据各类不同设备给予一个固定的分值（即风量需求），例如每一个炒锅为300 分值，每一个汤锅为100 分值，每个蒸柜为200 分值，这些设备分值的总和即整个厨房所需求的总分值。在厨房使用时，烹饪设备开始热加工并发生热辐射，这时传感器检测出烹饪设备对象的温度变化后，将变化传输到主控制电脑，所得到的温差值即为该烹饪设备的使用状态变化。根据温差的大小，系统可以给出该烹饪设备的需求分值大小，温度变化越高，则给予的分值越大，直至达到原设定的最大固定分值。根据不同类型的烹饪设备的需求，可以设计不同的计算方法（例如炒炉的单位计算量为15分/℃，煮汤炉的单位计算量为10 分/℃）。在这个值变化过程中，主控制器会控制烹饪设备上方排油烟风管的电动风阀，使其根据分值的变化同步进行开度调节。将不同使用状态下的烹饪设备需求风量进行分布式的调节：高峰使用的，加大风阀开度；低峰或不使用的，减少开度。主控制电脑会将目前使用中所有烹饪设备的风量需求分值之和与设定的固定总分值进行比例计算，得出目前厨房所需要的风量值的百分比，按这个百分比对变频器进行调节，从而达到降低风机转速的目的。当风机稳定运行时，风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果厨房需要的实际风量减少为原来的50%，则风机的转速降为原来的50%，功率则降为原来的12.5%。通过改变风机的转速，进而改变风机的功率输入，从而节省大量的电能。

在厨房内，除了排油烟风机外，还设置了补风机。对排油烟风机进行变频的同时，也对补风机进行同步大小变频，这样就可以将厨房的环境稳定在微小负压的状态下，从而避免厨房的通风系统与餐厅的通风系统产生过多的矛盾，调节整体空间的风平衡。

智能排油烟系统设计

1.控制系统组成原理图

下图为智能排油烟分布式控制系统原理图。其上位机采用双主芯片，带有FPU 的ARM32 位Cortex-M4CPU、主频180MHz，LCD 并行接口，时钟、复位和电源管理，3 个12 位的2.4MSPS ADC 24 通道，2 个12 位D/A 转换器等，与通信接口等组成中央主控制器。控制器通过通信接口和RS-485 总线冷连接，实现上位机与下位控制器的正常通信。下位机采用16 层深硬件堆栈和49 个指令，提供高达8 个MIP、7 千字节程序存储器、256 字节RAM 和256 字节数据EEPROM 的主芯片。其主要功能是读取现场数据、控制存储和解读逻辑算法及执行各种运算程序、输出运算结果、执行系统诊断程序、完成与中央主控制器和外部设备的通信。各种控制设备因有下位机，可独立运行，完成各自的功能；各控制设备也可以在上位机的控制和协调下运行，实现预定的各种功能。由于各控制设备可以脱离上位机工作，上位机的故障影响面大大减小，系统运行更加安全、可靠。

智能排油烟分布式控制系统原理图

2.控制系统软件设计理论基础

该系统为一个完整的算法系统。因为烹饪只有在热加工的状态下，才会产生油烟气或蒸汽。系统利用这个原理，采用温度传感器的采集方式，对烹饪点的热辐射进行采集，并通过不同烹饪设备上升温度变化与环境温度进行差值计算，将该温度差值结合这个烹饪设备的属性，进行风量变化需求计算，从而得出该工作位的当前实时风量需求。然后与这个工作位最大风量值进行比例计算，得出该工作位的风阀开度。例如，一个炒炉烹饪工作位，设置它的最大风量值为300 分值。当系统通过传感器得到该工作点温度上升了10℃，按每上升1 度为15 分值设计，则该烹饪点当前风量需求为150 分值，是最大分值的50%，系统可以按此比例开启风阀50%的开度。如果这个工作位的温度上升了20℃，则当前风量需求为300 分值，已经达到了最大分值，则风阀开度就应该是100%。假设该厨房总共有10 个炒炉组成的，所有工作位的最大分值总和为3000 分值。当有5 个工作位上升10℃，5 个工作位上升20℃，则当前分值为10x15x5+20x15x5=2250，2250/3000x100%=75%，当前的风量需求为总值的75%。根据公式n=60f/p（n-转速，f-电源频率，p-电机旋转磁场的极对数），系统将变频器工频50Hz 调节至37.5Hz，就能满足厨房风量需求。当然，我们还需要将厨房想象得更复杂一些，厨房会有不同的烹饪设备，使用时的分值也是会有很多种的组合，有些分值大，有些分值小，有些分值随温度变化波动大，有些分值随温度变化波动小，这些都需对各类烹饪设备的实际运行情况进行不断的研究和调试，从而达到最佳使用效果。此外，我们还需要将风压的因素考虑在内，对静态及动态风压变化进行考虑。在一些情况下，也需要对风阀的开度和风机的频率进行干预调节，从而达到最佳效果。

3.智能排油烟系统的节能率分析

以该员工厨房改造系统后的数据为例（表1 为该厨房的节能数据统计表）。该员工厨房每天开设3 餐，工作日每天使用时间为白天8 小时，晚上4小时，周末与节假日每天使用10 小时，设有2 台18.5kW 的排油烟风机，2 台5.5kW 的补风机以及一台11kW 空调风机。实测这5 台电动机50Hz 工频运行下的实际能耗：炒锅排油烟16.2kW·h、蒸车排风15.6 kW·h、炒锅新风3.2 kW·h、蒸车新风5.4 kW·h、空调新风7.6 kW·h。分析为时一周的使用数据，总的使用时间约为78 小时，实际抄表用电1132 kW·h。如果未安装智能排油烟系统，按照工频实际功率来计算，该厨房排油烟需要使用3724.6kW·h。对比安装系统前后，该厨房使用一周的节电量为2592.6 kW·h，节能率达到了69.6%，实现了高效的节能。

节能系统使用数据表

结语

本文设计了以搭建厨房烹饪工作点的模糊模型算法为核心的智能排油烟分布式控制系统，实现了排油烟使用系统和补风系统的自动控制、并使各烹饪工作位子系统协调工作，达到整体的风系统平衡，最终使得商用厨房的排油烟系统更可靠，更高效，更节能。