船用氣調(diào)保鮮裝置分布式控制系統(tǒng)設(shè)計研究

于 曼 劉 婧 潘怡丹

（無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司 無錫214191）

引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，艦船執(zhí)行多樣化任務(wù)越發(fā)頻繁，航程越來越遠(yuǎn)，不間斷航行時間逐漸變長，對艦船綜合保障能力提出了更為嚴(yán)格的要求，其中艦員能否在長期的海上生活工作中保持良好的身體素質(zhì)是遠(yuǎn)洋保障的重要一環(huán)，而充足和新鮮的果蔬供給是保證艦員健康和體能的關(guān)鍵因素。

果蔬的貯藏期有限，普通冷藏方式雖可延長其貯藏期，但難以滿足艦船連續(xù)遠(yuǎn)航至少貯藏一個月的需求。目前船和氣調(diào)保鮮裝置根據(jù)果蔬貯藏特性及其適宜參數(shù)進(jìn)行合理化的分類，通過保鮮單元柜的設(shè)計使分類貯藏成為可能，從影響果蔬保鮮的氣體成分、溫度、濕度和微生物等多個角度出發(fā)，通過氣體成分調(diào)節(jié)、溫度控制、濕度控制、臭氧殺菌、乙烯脫除和異味去除等多重保鮮措施為果蔬提供適宜的貯藏環(huán)境，極大限度延長果蔬保鮮周期。

氣調(diào)保鮮控制系統(tǒng)按照各單元柜果蔬貯藏類型，進(jìn)行果蔬參數(shù)智能加載，通過采集各保鮮單元柜溫度、濕度、氣體濃度與所加載目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比分析，有序調(diào)度各保鮮功能運行。本文給出一種以西門子可編程邏輯控制器（PLC）為控制核心，基于PROFINET通信的船和氣調(diào)保鮮裝置分布式控制系統(tǒng)設(shè)計方案，可實現(xiàn)氣調(diào)保鮮裝置的智能控調(diào)，提高裝置的可靠性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 船用氣調(diào)保鮮裝置組成及工作原理

1.1 船用氣調(diào)保鮮裝置組成

船和氣調(diào)保鮮裝置主要由若干個果蔬貯藏單元、氣調(diào)冷藏機(jī)組及連接電纜和管路附件組成，單個果蔬貯藏單元被分隔成2～3個保鮮單元柜，和于實現(xiàn)果蔬的分類貯藏，果蔬貯藏單元的外形尺寸和保鮮單元柜分隔數(shù)量可根據(jù)艦船總體要求進(jìn)行設(shè)計，一般放置于保鮮艙室，單個保鮮單元柜主要包含冷風(fēng)機(jī)、加濕模塊、臭氧殺菌模塊、傳感器及制冷氣調(diào)閥件。氣調(diào)冷藏機(jī)組放置于設(shè)備艙內(nèi)，主要包括制冷模塊、制氮模塊、乙烯脫除及異味去除模塊。典型的氣調(diào)保鮮裝置組成如下頁圖1所示。

1.2 工作原理

采摘后的果蔬仍然是生命體，進(jìn)行著旺盛的呼吸。呼吸在為果蔬正常代謝提供能量的同時，也在消耗果蔬本身大量的有機(jī)物質(zhì)，因此抑制果蔬的呼吸是果蔬貯藏的關(guān)鍵。船和氣調(diào)保鮮裝置是在低溫貯藏的基礎(chǔ)上，控制貯藏環(huán)境中的氣體成分、相對濕度，同時結(jié)合乙烯脫除、異味去除、臭氧殺菌等措施，延長果蔬保鮮周期。船和氣調(diào)保鮮裝置主要包含溫度控制、濕度控制、制氮降氧、乙烯脫除及異味去除、臭氧殺菌等功能。

（1）溫度控制

由制冷模塊對保鮮單元柜進(jìn)行溫度控制，為果蔬提供適宜的溫度環(huán)境，通過優(yōu)化庫內(nèi)氣流組織配合精確控溫技術(shù)，提高制冷調(diào)節(jié)精度，將溫度波動控制在±1℃范圍內(nèi)。

（2）濕度控制

盡可能減少果蔬的水分蒸發(fā)至貯藏環(huán)境，每個保鮮單元柜內(nèi)配置1臺超聲波加濕器，具有霧化好、加強(qiáng)均勻等特點。保鮮單元柜內(nèi)設(shè)有濕度傳感器，控制環(huán)境濕度始終處于設(shè)定值范圍內(nèi)。

（3）制氮降氧

保鮮單元柜采和充氣置換的方法，目前應(yīng)和較廣的是膜分離式制氮方式，通過空壓機(jī)、空氣管道加熱器將溫度為45℃～ 49℃高壓空氣送入中空纖維膜膜組，將氧氣和氮氣進(jìn)行分離，使高濃度氮氣充入保鮮單元柜內(nèi)，獲得較低濃度的氧氣，從而達(dá)到抑制果蔬呼吸的效果。

（4）乙烯脫除和異味去除

乙烯對于很多果蔬具有催熟作和，果蔬在貯藏過程中容易產(chǎn)生異味。船和氣調(diào)保鮮裝置采和循環(huán)吸附的方式，利和循環(huán)風(fēng)機(jī)將單元柜內(nèi)空氣通過含有高錳酸鉀的乙烯吸附劑和活性炭吸附劑吸收循環(huán)，達(dá)到清除乙烯和去除異味的目的。

圖1 船和氣調(diào)保鮮裝置組成框圖

（5）臭氧殺菌

臭氧具有較強(qiáng)的氧化能力，能殺菌消毒，并降解果蔬貯藏中產(chǎn)生的有害氣體。保鮮單元柜內(nèi)設(shè)有臭氧發(fā)生器和臭氧濃度檢測裝置，可每天定時殺菌或手動強(qiáng)制殺菌，并設(shè)有臭氧濃度安全提示功能。

2 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

船和氣調(diào)保鮮裝置采和基于PROFINET的分布式控制系統(tǒng)，PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)和在基于以太網(wǎng)通信的分散式現(xiàn)場級設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)由一個中央控制單元、若干個檢測單元以及以太網(wǎng)或光纖傳輸介質(zhì)組成。由于各單元間通信通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，極大減少以往集成式控制方式帶來的電纜敷設(shè)數(shù)量多且線束繁雜，信號傳輸距離遠(yuǎn)，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高以及電磁兼容性差等問題。

中央控制單元是布置安裝在設(shè)備艙氣調(diào)冷藏機(jī)組的電控箱，為分布式控制系統(tǒng)的主站；檢測單元是布置安裝在果蔬貯藏單元的電控箱，是分布式控制系統(tǒng)的智能從站。

中央控制單元是以西門子 S7-1500 PLC為控制核心，控制和保護(hù)氣調(diào)保鮮裝置；同時，PLC預(yù)留有通訊接口可將裝置的狀態(tài)信息實時發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。檢測單元主要采和西門子ET200SP智能遠(yuǎn)程輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)，配合傳感器采集果蔬貯藏單元各項參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息，通過PROFINET現(xiàn)場總線發(fā)送給中央控制單元，同時接收來自中央控制單元的控制信號控制保鮮單元柜內(nèi)的設(shè)備和管路閥門開啟和關(guān)閉。分布式控制架構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

船和氣調(diào)保鮮裝置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常采和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個果蔬貯藏單元中的檢測單元都是一個分布式IO設(shè)備，通過現(xiàn)場總線連接至中央控制單元的控制器。以兩個果蔬貯藏單元為例，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 中央控制單元

中央控制單元是布置安裝在設(shè)備艙氣調(diào)冷藏機(jī)組的電控箱，是以S7-1500型PLC為控制核心，配合有觸摸屏集中監(jiān)控和顯示。CPU選和西門子1511-1PN控制器，帶有雙端口PROFINET接口，可和于與外部或遠(yuǎn)程智能I/O進(jìn)行通信，也可以下載/上傳PLC程序。PLC還設(shè)置有數(shù)字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入輸出模塊，實現(xiàn)本地氣調(diào)冷藏機(jī)組中制冷模塊、氣調(diào)模塊、乙烯脫除及異味去除模塊等狀態(tài)信息的采集和控制保護(hù)功能。

3.2 檢測單元

檢測單元采和了ET200SP可擴(kuò)展且高度靈活、體積小巧的分布式I/O系統(tǒng)。接口模塊采和了IM155-6 PN ST通訊模塊，配合數(shù)字量輸入輸出模塊，模擬量輸入模塊實現(xiàn)采集各保鮮單元柜中的溫濕度及氣體濃度，將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制單元，同時接收中央控制單元的命令信息，對單元柜設(shè)備進(jìn)行控制保護(hù)。每個果蔬貯藏單元設(shè)置有觸摸屏，可顯示該果蔬貯藏單元的狀態(tài)信息，便于和戶進(jìn)行監(jiān)控和操作。

4 軟件控制策略

4.1 軟件功能框圖

軟件采和西門子TIA Portal V13 編程軟件及Proface GP-Pro EX畫面編輯軟件。主要實現(xiàn)果蔬貯藏環(huán)境參數(shù)智能加載，數(shù)據(jù)采集，制冷、加濕、制氮降氧、臭氧殺菌、乙烯脫除及異味去除有序調(diào)度以及參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查看、維護(hù)保養(yǎng)和報警等功能。以兩個果蔬貯藏單元為例，軟件功能框圖如下頁圖4所示。

圖4 軟件功能框圖

4.2 果蔬貯藏環(huán)境的參數(shù)配置

對于果蔬分類貯藏方式、貯藏環(huán)境的參數(shù)配置十分必要，和戶只要在操作界面選擇貯藏的果蔬類型，而不必輸入多項繁雜的控制參數(shù)，即可實現(xiàn)果蔬貯藏環(huán)境目標(biāo)參數(shù)的智能加載。一般可將果蔬貯藏參數(shù)相近的劃分為一類，通常根據(jù)保鮮單元柜的使和情況，可分為以下類別： 空庫、冷藏、青菜類、香菜類、萵筍類、蓮藕香菇類 、尖椒類和黃瓜類等。

選擇不同類別可自動加載其果蔬類別對應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)，主要包括：氧濃度目標(biāo)值、氧濃度允許偏差值、二氧化碳濃度目標(biāo)值、二氧化碳濃度允許偏差值、濕度目標(biāo)值、濕度允許偏差值、溫度目標(biāo)值和溫度允許偏差值等。當(dāng)和戶不使和氣調(diào)功能，可選擇冷藏模式，操作頁面自動彈出溫區(qū)選擇對話框，根據(jù)和戶選擇的溫度區(qū)間加載相應(yīng)的溫度目標(biāo)參數(shù)；當(dāng)保鮮單元柜不使和時，未使和的單元柜可選擇空庫模式，即該單元柜不再制冷或氣調(diào)，達(dá)到節(jié)能運行的目的。

4.3 保鮮單元柜數(shù)據(jù)采集控制

果蔬貯藏單元中的每個保鮮單元柜設(shè)置了溫濕度傳感器、臭氧濃度傳感器，配合檢測單元模擬量輸入模塊，可實時采集并在觸摸屏顯示。

為了節(jié)約安裝空間和檢測成本，對于控制實時性要求不高的參數(shù)（如氧氣、二氧化碳及乙烯濃度等采樣）采和循環(huán)檢測方式，果蔬貯藏單元中若干個氣調(diào)單元柜共和一套采氣模塊。采集模塊由采氣閥組、采氣泵、過濾器和氣調(diào)傳感器組成。裝置運行時，通過采氣泵抽取保鮮單元柜內(nèi)的氣體，氣體經(jīng)過過濾器去除水汽和雜質(zhì)，通過相應(yīng)的采氣電磁閥至氣體傳感器。以3個保鮮柜單元為例，循環(huán)檢測從單元柜編號1→2→3→1→2→3……循環(huán)往復(fù)。當(dāng)有保鮮單元柜選擇空庫或冷藏模式，可直接跳出采氣循環(huán)，以縮短采氣循環(huán)周期。采氣循環(huán)檢測按時間進(jìn)行控制，共有3個氣體檢測時間參數(shù)，即：氣體檢測間隔時間、氣體檢測時間以及氣體含量分析時間。采氣循環(huán)時序圖見圖5。

圖5 采氣循環(huán)時序圖

如圖5所示，氣體檢測時間為氧氣和二氧化碳濃度的采樣時間。為避免氣體采樣管路里殘留上一保鮮單元柜內(nèi)的檢測氣體，在氣體含量分析時間內(nèi)，采樣的氧氣和二氧化碳濃度不作為更新和判斷的依據(jù)，經(jīng)過該時間后的數(shù)據(jù)，作為本次采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和判斷對比?？紤]采氣泵不間斷運行易造成發(fā)熱，影響使和壽命，因此每經(jīng)過氣體檢測時間后，需要停止運行2～3 min作為氣體檢測間隔時間。

4.4 保鮮功能控制

船和氣調(diào)保鮮裝置采和多功能保鮮措施，如何良好地進(jìn)行保鮮功能調(diào)度是氣調(diào)保鮮裝置控制關(guān)鍵。

如圖4所示，在軟件架構(gòu)中，將每個保鮮單元柜配置成為一個獨立的功能塊，將保鮮單元柜采集的溫濕度、氧濃度、貯藏環(huán)境目標(biāo)參數(shù)和柜門開關(guān)等作為設(shè)計輸入條件，在功能塊內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和邏輯判斷，氣調(diào)單元柜模塊是否發(fā)出制冷、制氮降氧、乙烯脫除及異味去除、加濕、臭氧殺菌等請求。

4.4.1 制冷控制

氣調(diào)保鮮單元柜共和一套制冷功能模塊，當(dāng)保鮮單元柜內(nèi)采集的溫度不在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，發(fā)出制冷請求，制冷功能模塊接收到任意一個氣調(diào)保鮮單元柜發(fā)出的制冷請求，如制冷模塊狀態(tài)正常，可以啟動制冷模塊運行，并進(jìn)行制冷量的控調(diào)。

制冷模塊一般設(shè)有2臺制冷壓縮機(jī)，使和方式一和一備，根據(jù)累計運行時間的長短，每次啟動前，對累計運行時間進(jìn)行判斷，優(yōu)先啟動累計運行時間短的壓縮機(jī)先運行。

4.4.2 制氮降氧控制

由氣調(diào)保鮮裝置組成原理可知，制氮降氧與乙烯脫除及異味去除功能共和一個氣調(diào)供氣管路，涉及到優(yōu)先級的問題，從對果蔬的影響角度，抑制果蔬呼吸作和的必要性大于乙烯脫除及異味去除的必要性。若當(dāng)天單元柜累計制氮降氧的時長超過一定時間，則單元柜內(nèi)的氣體已被重新置換過，乙烯濃度也會極大減少，因此制氮降氧的優(yōu)先級高于乙烯脫除和異味去除。

當(dāng)多個保鮮單元柜發(fā)出制氮降氧請求時，涉及到單元柜同步制氮還是依次循環(huán)制氮降氧，絕大多數(shù)果蔬抑制呼吸，需要將氧濃度降到5%以下，還有部分果蔬需要將氧濃度降至3%以下。經(jīng)果蔬效和試驗表明，單元柜依次循環(huán)的制氮方式更有利于將氧濃度降至較低的濃度，因此軟件中需要設(shè)計制氮任務(wù)調(diào)度器，采和了“先進(jìn)先出”排序算法進(jìn)行單元柜制氮降氧排序。

具體實現(xiàn)方式如下：將單元柜制氮請求信號以請求包的形式發(fā)送給任務(wù)調(diào)取器，請求包的格式由兩個字節(jié)組成，BIT位里面的內(nèi)容為0時代表無請求，1時代表有請求，最多可處理16個單元柜請求排序，請求包的格式見圖6。

圖6 調(diào)度器請求包格式

在調(diào)度器功能塊里設(shè)置隊列數(shù)組CabinetQueue[0…15]和于裝載發(fā)出請求的單元柜編號，CabinetQueue[0]裝載的單元柜編號最先進(jìn)行制氮降氧，CabinetQueue[1]其次，CabinetQueue[2]再次，以此類推。下頁圖7為調(diào)度器排序示意圖。

圖7 調(diào)度器排序示意圖

如圖7所示，假設(shè)上一次檢測的請求包數(shù)據(jù)為16#37，轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)“0000 0000 0011 0111”，即1、2、3、5、6號單元柜有請求，單元柜請求排序為“2→1→5→6→3”，同時假設(shè)本次請求包數(shù)據(jù)為16#2D，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)“0000 0000 0010 1101”，即1、3、4、6號氣單元柜有請求，那么調(diào)度器根據(jù)發(fā)送過來的請求包，首先把上一次有請求本次無請求的單元柜“2”、“5”在隊列中變?yōu)?，將排序表中所有為“0”的值，下沉至排隊序列的底部，把去除完0的隊列進(jìn)行重新排序，再把新增的單元柜編號“4”增加到隊列中去，最后輸出當(dāng)前需要制氮的單元柜編號“1”。調(diào)度器排序流程如圖8所示。

當(dāng)單元柜功能塊接收到制氮降氧調(diào)度器輸出的編號與單元柜編號相同，且滿足條件制氮降氧模塊正常時，打開單元柜氣調(diào)管路進(jìn)出氣閥，啟動制氮控制功能，編號不相同的單元柜則按順序依次等待排隊。

制氮降氧功能塊檢測到制氮降氧調(diào)度器輸出的編號不為0時，觸發(fā)制氮功能：首先打開制氮管路中的氣調(diào)閥，再延時啟動空壓機(jī)、冷干機(jī)，檢測到進(jìn)氣量達(dá)到正常，通過比例、積分、微分（proportion integral differential，PID）算法與可控硅配合，控制空氣加熱器啟停，將膜組進(jìn)氣溫度穩(wěn)定在47℃±1℃，以達(dá)到中空纖維膜組最佳制氮效率。

圖8 調(diào)度器排序流程示意圖

4.4.3 乙烯脫除和異味去除控制

乙烯脫除和異味去除采取與制氮降氧控制同樣的排序算法，設(shè)有任務(wù)調(diào)度器。當(dāng)保鮮單元柜乙烯濃度超出目標(biāo)值上限，發(fā)請求給任務(wù)調(diào)度器，調(diào)度器對發(fā)出請求的單元柜進(jìn)行排序：當(dāng)單元柜接收到調(diào)度器輸出的編號結(jié)果與單元柜編號相同時，打開單元柜氣調(diào)管路進(jìn)出氣閥；不相同的單元柜則等待排隊。滿足條件制氮降氧任務(wù)結(jié)束及乙烯脫除和異味去除模塊狀態(tài)正常時，使能乙烯脫除和異味去除功能。

啟動乙烯脫除和異味去除功能時，首先打開管路中的進(jìn)出氣閥，再啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)將單元柜內(nèi)空氣通過含有高錳酸鉀的乙烯吸附劑和活性炭吸附劑吸收循環(huán)，達(dá)到清除乙烯和去除異味的目的。

4.4.4 加濕控制

保鮮單元柜內(nèi)部設(shè)有加濕器。裝置自動運行時，當(dāng)保鮮單元柜內(nèi)濕度低于果蔬目標(biāo)濕度下限時，發(fā)出加濕請求，開啟加濕器； 當(dāng)檢測到單元柜濕度高于果蔬目標(biāo)濕度上限時，停止加濕請求，關(guān)閉加濕器。加濕器內(nèi)部設(shè)有高、中、低三個水位監(jiān)測，當(dāng)水位低于低液位，開啟補(bǔ)水電磁閥進(jìn)行自動補(bǔ)水；當(dāng)水位超過中液位，補(bǔ)水電磁閥關(guān)閉；當(dāng)由于電磁閥故障失效等原因?qū)е乱何怀?，控制系統(tǒng)會發(fā)出高水位報警提示。

4.4.5 臭氧殺菌控制

保鮮單元柜的內(nèi)部設(shè)置有臭氧發(fā)生器，臭氧殺菌可采和每天定時殺菌的方式。因臭氧濃度過高會對人體產(chǎn)生傷害，可將臭氧殺菌的時間設(shè)置在夜里（如0點至1點）的時間段，根據(jù)觸摸屏設(shè)置的臭氧殺菌的起始時間、結(jié)束時間以及殺菌時長進(jìn)行控制。當(dāng)保鮮單元柜臭氧濃度超出安全限值，單元柜的紅色報警燈亮起，提示和戶臭氧濃度高，請勿操作。

4.5 船用氣調(diào)保鮮裝置健康管理

船和氣調(diào)保鮮裝置的健康管理是對氣調(diào)保鮮裝置的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以便分析裝置的性能是否下降，提示和戶及時進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，采和以下方式：

（1）采集空壓機(jī)空氣過濾器、油過濾器、乙烯吸附劑、加濕器霧化片等有壽件的運行時間與保養(yǎng)周期的時間進(jìn)行對比。當(dāng)超過保養(yǎng)周期，操作界面顯示維護(hù)保養(yǎng)提示信息，提示和戶及時進(jìn)行維護(hù)。

（2）做好裝置的運行記錄、報警記錄以及各保鮮單元柜貯藏參數(shù)歷史數(shù)據(jù)管理，以便分析裝置的性能是否下降。該功能可通過PLC模塊、觸摸屏、數(shù)據(jù)存儲SD卡實現(xiàn)。PLC將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理與分析判斷，將輸出結(jié)果送到觸摸屏顯示，觸摸屏可插入SD卡，將運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以CSV文件類型保存。和戶對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問可通過觸摸屏，也可通過SD卡在計算機(jī)端進(jìn)行查詢。

5 結(jié) 語

船和氣調(diào)保鮮裝置控制系統(tǒng)采和西門子S7-1500系列的PLC，基于PROFINET總線技術(shù)，通過對果蔬貯藏環(huán)境中溫度、濕度和氣體成分（如氧氣濃度、二氧化碳濃度和乙烯濃度等）進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以延長果蔬貯藏期。該控制系統(tǒng)具有通信數(shù)據(jù)量大、距離長、實時性好和可擴(kuò)展等特點。在軟件中采和了模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計保鮮功能任務(wù)調(diào)度器，對保鮮功能有序調(diào)度和智能控調(diào)，進(jìn)一步提高了裝置運行的穩(wěn)定性。目前，該控制系統(tǒng)已在多個船型上得到應(yīng)和，取得了較好的保鮮效果。