基于4G網(wǎng)絡(luò)的氣調(diào)保鮮配氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

左軒夷 張海瑜 葛 蔚 高志武

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，煙臺(tái) 264670；3.煙臺(tái)市海洋經(jīng)濟(jì)研究院，煙臺(tái) 264003)

0 引言

生鮮農(nóng)產(chǎn)品保鮮是增加農(nóng)產(chǎn)品附加值和保障食品質(zhì)量安全的重要課題。近年來(lái)，農(nóng)產(chǎn)品和食品保鮮技術(shù)除在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上不斷深化和完善外，還在超高壓保鮮、氣調(diào)保鮮和輻照保鮮等技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展[1-3]。這些新的保鮮技術(shù)各有其適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，超高壓保鮮技術(shù)將產(chǎn)品放置在高壓裝置當(dāng)中，通過(guò)施加200 MPa以上的壓力，除滅其中的微生物和各種細(xì)菌，效率較高。但超高壓也會(huì)對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品，特別是肉類產(chǎn)品的外觀及品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。如加壓后的肉類產(chǎn)品變硬，顏色變深，影響產(chǎn)品柔嫩的口感[4-6]。輻照保鮮技術(shù)主要是通過(guò)較高輻射強(qiáng)度的射線(γ射線、Χ射線、電子束射線)對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行照射處理，從而使其中的微生物或細(xì)菌死亡，其主要缺點(diǎn)是強(qiáng)輻射會(huì)破壞肉類產(chǎn)品的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)電子束照射的肉，其蛋白質(zhì)氧化程度顯著加大[7-9]。氣調(diào)保鮮(Modified atmosphere packaging,MAP)技術(shù)比高壓保鮮技術(shù)和輻照保鮮技術(shù)對(duì)保護(hù)生鮮肉類食品的品質(zhì)和延長(zhǎng)貨架期的效果更好一些。相對(duì)其它2種保鮮技術(shù)，氣調(diào)保鮮的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分及品質(zhì)的影響較小，同時(shí)保鮮時(shí)效較長(zhǎng)[10-13]。其技術(shù)核心是通過(guò)改變生鮮農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏或包裝環(huán)境中的氣體濃度及比例，用高濃度CO2氣體抑制微生物呼吸，從而使微生物的繁殖速度降低；以N2作為置換O2的氣體，抑制微生物繁殖，形成有效的保鮮防腐作用[14-15]。通常，保鮮氣體大多采用體積分?jǐn)?shù)為99.9%的CO2和99.9%的N2。但傳統(tǒng)配氣方法的缺點(diǎn)是需要人工手動(dòng)操作高壓氣瓶，效率和安全性差，很容易出現(xiàn)氣體泄漏，并對(duì)人體健康造成傷害。因此，推進(jìn)配氣系統(tǒng)自動(dòng)化就成為推動(dòng)氣調(diào)保鮮大規(guī)模推廣的關(guān)鍵性技術(shù),要使氣調(diào)保鮮配氣過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)，需實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的氣體濃度、混合比例及輸出氣體流量、速率的實(shí)時(shí)感知與測(cè)量；通過(guò)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，聯(lián)接應(yīng)用層的控制器、指令執(zhí)行組件和控制終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與配氣自動(dòng)化。

近年來(lái)，針對(duì)不同場(chǎng)景的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外在諸多領(lǐng)域均有大量研究[16-24]。總體而言，開(kāi)發(fā)基于不同控制目標(biāo)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，都離不開(kāi)高效、可靠和穩(wěn)定的無(wú)線通信技術(shù)。目前，常用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的無(wú)線通信技術(shù)主要有ZIGBEE、藍(lán)牙、WiFi、GPRS技術(shù)、3G和4G通信系統(tǒng)等。在5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未完全成熟的條件下，4G網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的綜合性能具有較大優(yōu)越性。因此，本文設(shè)計(jì)氣調(diào)保鮮配氣遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，依靠嵌入的PID控制算法和質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量、濃度和混配比的控制；以4G網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?，選擇4G DTU作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)器，以期通過(guò)4G手機(jī)小程序?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1 氣調(diào)保鮮作業(yè)流程與配氣系統(tǒng)需求分析

生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)保鮮常見(jiàn)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品加工工藝流程與氣調(diào)保鮮流程圖Fig.1 Processing process of agricultural products and flow chart of modified atmosphere packaging

由圖1可知，實(shí)現(xiàn)食品和生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)保鮮，需對(duì)原料進(jìn)行系統(tǒng)性的清理、包裝前準(zhǔn)備等一系列工作，然后進(jìn)行配氣和充氣。配氣過(guò)程是將高純度的CO2與N2作為原料氣體，按不同農(nóng)產(chǎn)品保鮮要求，以相應(yīng)的濃度比例進(jìn)行充分混合。當(dāng)配氣結(jié)束后，將充氣管插入包裝內(nèi)，將配好的保鮮氣體充入包裝內(nèi)，置換其中的非保鮮氣體；達(dá)到要求時(shí)充氣監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)提示，充氣過(guò)程結(jié)束。

本文的研究重點(diǎn)是配氣過(guò)程的自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，充氣過(guò)程需開(kāi)發(fā)單獨(dú)的子監(jiān)控系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)配氣目標(biāo)要求和提高生產(chǎn)效率，配氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需具備如下功能：

(1)流量控制。對(duì)各氣路進(jìn)行氣體流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)配比氣體的充分混合，隨配隨用，保證配氣系統(tǒng)的精確性和可靠性。

(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。配氣系統(tǒng)通過(guò)單向閥、混氣室和可靠的氣路連接，保證配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、可靠及優(yōu)化。

(3)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)化配氣系統(tǒng)需具備對(duì)各氣路流量和混合氣體輸出濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可視化與閾值警示功能。

(4)反饋調(diào)控。通過(guò)設(shè)置反饋信號(hào)，對(duì)各氣路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋，保障配氣系統(tǒng)精度和效率。

(5)遠(yuǎn)程監(jiān)控。能根據(jù)需要在遠(yuǎn)端下發(fā)指令，對(duì)設(shè)定氣體濃度與流量，以及各裝置開(kāi)關(guān)、電磁閥狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制等。

(6)數(shù)據(jù)維護(hù)。系統(tǒng)可通過(guò)云服務(wù)器對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、儲(chǔ)存和維護(hù)，并具有對(duì)場(chǎng)地設(shè)備添加及關(guān)聯(lián)的功能。

1.1 配氣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇動(dòng)態(tài)配氣的流量控制方法實(shí)現(xiàn)配氣自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控。該方法通過(guò)在每個(gè)氣路中設(shè)置質(zhì)量流量控制器對(duì)氣體流量進(jìn)行調(diào)控，并按設(shè)計(jì)要求制備出高精度的混合氣體。質(zhì)量流量控制器通過(guò)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)配氣質(zhì)量和氣體流量的控制，并把信號(hào)發(fā)至控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各氣路的流量，實(shí)現(xiàn)混合氣體的自動(dòng)配比。

由于配氣過(guò)程中只有CO2和N22種原料氣體，由此，可得目標(biāo)混合氣體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中α——混合后氣體體積分?jǐn)?shù)

α1——第1種原料氣體體積分?jǐn)?shù)

α2——第2種原料氣體體積分?jǐn)?shù)

Q1——第1種原料氣體流量

Q2——第2種原料氣體流量

配氣時(shí)，2種氣體的配氣同時(shí)開(kāi)始，由此可知

t2=t1=t

(2)

Q1=v1t1

(3)

Q2=v2t2

(4)

式中v1——CO2流速v2——N2流速

t——配氣時(shí)間

t1——第1種原料氣體配氣時(shí)間

t2——第2種原料氣體配氣時(shí)間

若設(shè)v為輸出總流速，則可得

(5)

(6)

配氣系統(tǒng)工作時(shí)，按設(shè)定好的混合氣體輸出體積分?jǐn)?shù)和流量，由質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)所在氣路的氣體流量，最終獲得所設(shè)定的氣體濃度比，配氣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可看出，2種原料氣體在設(shè)定的壓力和流量下，通過(guò)質(zhì)量流量控制器進(jìn)入混氣室，充分混合后輸出目標(biāo)氣體。

質(zhì)量流量控制器由內(nèi)部控制器、流量傳感器、層流分層件、信號(hào)放大電路和電磁控制閥等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

配氣時(shí)，2種氣體經(jīng)過(guò)混氣室混合后輸出；氣體傳感器并聯(lián)在混合氣體輸出的管道上，流通式氣體傳感器安裝方式如圖4所示。

圖2 配氣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Functional structure diagram of air distribution system

圖3 質(zhì)量流量控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure diagram of mass flow controller

圖4 CO2傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic of CO2 sensor installation

流通式氣體濃度傳感器通過(guò)的氣體流量應(yīng)保持在300～500標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(Standard cubic centimeter per minute，sccm)之間，本系統(tǒng)輸出流量一般在4 000 sccm左右，因此必須在氣體進(jìn)入傳感器之前減小其流量。所以，應(yīng)在傳感器之間設(shè)置節(jié)流閥減小氣體流量，保護(hù)傳感器，避免過(guò)大流量造成傳感器損壞。

1.2 配氣系統(tǒng)控制流程和控制方案設(shè)計(jì)

生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)的控制流程設(shè)計(jì)主要側(cè)重兩方面的需求，即實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)和操作系統(tǒng)方便性。在做需求調(diào)研時(shí)，管理人員希望在手機(jī)上進(jìn)行操作，即通過(guò)手機(jī)小程序界面設(shè)定混合氣體濃度值和輸出的流量值。因此，控制方案設(shè)計(jì)了手機(jī)小程序和觸摸屏控制終端。使用者可將設(shè)定好的參數(shù)通過(guò)觸摸屏發(fā)送給PLC(Programmable logic controller)控制器，也可將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，再通過(guò)4G DTU下發(fā)到PLC控制器中。PLC控制器計(jì)算N2氣路所需的流量，并發(fā)送至N2所在氣路的質(zhì)量流量控制器，由質(zhì)量流量控制器確定該氣路的流量。為提高效率和節(jié)省時(shí)間，操作時(shí)將N2固定在某一流量上不變，系統(tǒng)單獨(dú)對(duì)CO2流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，由CO2檢測(cè)模塊采集氣體體積分?jǐn)?shù)，再發(fā)送至PLC的寄存器；根據(jù)檢測(cè)的氣體體積分?jǐn)?shù)與預(yù)設(shè)的氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得CO2體積分?jǐn)?shù)的偏差δ；再將偏差δ作為PID控制器的輸入，通過(guò)PID控制器來(lái)調(diào)節(jié)CO2氣路的流量。質(zhì)量流量控制器可實(shí)時(shí)改變?cè)摎饴返牧髁?，直到氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到閾值；這時(shí)，CO2氣路輸出流量即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)PID控制器調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明配氣過(guò)程完成。圖5為農(nóng)產(chǎn)品氣調(diào)保鮮配氣過(guò)程的系統(tǒng)流程圖。

圖5 配氣過(guò)程流程圖Fig.5 Flow chart of air distribution process

根據(jù)配氣流程，本研究選擇PID (Proportional integral derivative)控制算法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。PID控制算法對(duì)于控制對(duì)象與檢測(cè)對(duì)象之間沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，尤其是控制對(duì)象參數(shù)具有不確定性、無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)往往能獲得良好的控制效果[25]。其控制計(jì)算過(guò)程如圖6所示。

圖6 PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 PID controller structure diagram

氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)是典型的一階純滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)特性和配氣實(shí)驗(yàn)獲得。設(shè)定CO2體積分?jǐn)?shù)初始值為0.2%，最大值為60%。在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果為：CO2體積分?jǐn)?shù)57.2%，延遲時(shí)間7 s，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 配氣系統(tǒng)一階純滯后系統(tǒng)曲線Fig.7 First-order pure lag system curve of valve distribution system

可得配氣系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(7)

配氣系統(tǒng)采取固定N2流量，通過(guò)PID控制器控制CO2氣路的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確配氣。首先對(duì)輸出氣體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)CO2傳感器采集的數(shù)據(jù)獲得體積分?jǐn)?shù)的偏差；按照配氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式(7)，采用文獻(xiàn)[26]的PID算法參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)配氣系統(tǒng)的PI參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)的Kp、Ki、Kd實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)；將調(diào)節(jié)后的控制量發(fā)送給質(zhì)量流量控制器，調(diào)節(jié)CO2氣路的流量，其流程如圖8所示。

圖8 PID算法控制流程圖Fig.8 PID algorithm control flow chart

圖9 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸框架圖Fig.9 Frame diagram of remote data transmission

2 4G DTU網(wǎng)關(guān)信息傳輸無(wú)線通信設(shè)計(jì)

2.1 4G DTU數(shù)據(jù)傳輸與通信設(shè)計(jì)

配氣系統(tǒng)以4G DTU通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，兩者之間以RS485串行連接，使用Modbus RTU通信協(xié)議；通過(guò)發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。4G DTU通信模塊依托Modbus TCP通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配氣系統(tǒng)中的CO2體積分?jǐn)?shù)、各個(gè)氣路的流量以及輸出的總流量。管理者可在云平臺(tái)或手機(jī)上對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)和輸出總流量值進(jìn)行設(shè)定，云服務(wù)器將設(shè)定好的數(shù)據(jù)以Modbus TCP協(xié)議的格式下發(fā)給4G DTU模塊；對(duì)下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，形成Modbus RTU協(xié)議的報(bào)文數(shù)據(jù)格式，并將數(shù)據(jù)依次發(fā)送到PLC控制器對(duì)應(yīng)的寄存區(qū)，實(shí)現(xiàn)配氣系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸框架如圖9所示。

圖10 4G DTU數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig.10 Flow chart of 4G DTU data transmission

4G DTU通信模塊采用網(wǎng)絡(luò)透明傳輸?shù)哪Ｊ?，依?jù)TCP/IP的通信協(xié)議，采用Socket通信方式與服務(wù)器進(jìn)行連接。因?yàn)?G DTU并不能直接通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，須通過(guò)Socket接口進(jìn)行。在網(wǎng)絡(luò)連接的過(guò)程中，云服務(wù)器作為TCP協(xié)議主站，4G DTU作為TCP協(xié)議從站(客戶端)；主站與從站通過(guò)建立Socket程序調(diào)用不同功能的函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)連接；實(shí)現(xiàn)在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)送報(bào)文，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的工作過(guò)程如下：主站與從站分別用Socket建立套接口；主站調(diào)用bind將套接口與本地網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行連接；調(diào)用listen進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)是否有外部連接，并調(diào)用accpet接收外部鏈接；從站調(diào)用connet與主站進(jìn)行連接；主站與從站之間通過(guò)read與write進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，主站與從站分別調(diào)用close關(guān)閉Socket接口。

2.2 4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通信流程

作為配氣監(jiān)控系統(tǒng)與云服務(wù)器之間的傳輸橋梁，4G DTU通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D10所示。其工作步驟是：

(1)4G DTU通信模塊調(diào)試后，讀出Flash組成模塊中存儲(chǔ)的系列參數(shù)。

(2)通過(guò)SIM卡進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)連接，獲取相關(guān)的IP號(hào)碼；啟動(dòng)手機(jī)移動(dòng)客戶端與氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)通信，與云服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。

(3)與網(wǎng)絡(luò)連接后，配氣系統(tǒng)中PLC存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)根據(jù)Modbus協(xié)議上傳到4G DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝和傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換，再通過(guò)云服務(wù)器與云平臺(tái)監(jiān)控終端進(jìn)行TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)信息傳輸。

(4)云服務(wù)器通過(guò)4G DTU向PLC下發(fā)命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 4G手機(jī)程序及界面設(shè)計(jì)

4G手機(jī)界面的設(shè)計(jì)是通過(guò)云平臺(tái)中的組態(tài)設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的，該云平臺(tái)組態(tài)為用戶提供了組態(tài)編輯器；通過(guò)組態(tài)編輯器實(shí)現(xiàn)工藝流程、控制功能和監(jiān)控功能，將綁定數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。圖11為手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控框架圖。

圖11 手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控框架圖Fig.11 Frame diagram of mobile phone remote monitoring

數(shù)據(jù)傳輸層由4G DTU通過(guò)TPC/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在云服務(wù)器與PLC之間的雙向傳輸。操作人員在手機(jī)界面輸入CO2體積分?jǐn)?shù)以及輸出的總流量，云服務(wù)器便將數(shù)據(jù)通過(guò)4G DTU進(jìn)行下發(fā)并解析，使設(shè)定值寫入PLC的對(duì)應(yīng)寄存區(qū)；CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器與質(zhì)量流量控制器所采集的體積分?jǐn)?shù)與流量數(shù)據(jù)通過(guò)4G DTU進(jìn)行解析，并上傳至云服務(wù)器。

手機(jī)界面設(shè)計(jì)按以下步驟完成：

(1)創(chuàng)建設(shè)備模板。即進(jìn)入云平臺(tái)模板設(shè)置中心，選擇組態(tài)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)入云平臺(tái)組態(tài)界面，分別對(duì)PC端與手機(jī)端進(jìn)行界面組態(tài)。

(2)界面組態(tài)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)所需功能，對(duì)手機(jī)小程序界面進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，主要包括主界面、控制界面和監(jiān)控界面。

(3)系統(tǒng)變量關(guān)聯(lián)。對(duì)手機(jī)組態(tài)界面中的每個(gè)開(kāi)關(guān)、按鈕設(shè)定輸入框、數(shù)據(jù)顯示框以及數(shù)據(jù)狀態(tài)條，并與其所對(duì)應(yīng)的各變量進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)操作控制功能一致，這樣操作人員就可以通過(guò)掃描小程序二維碼進(jìn)入氣調(diào)保鮮配氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員可在手機(jī)小程序上修改氣體體積分?jǐn)?shù)與流量，并實(shí)時(shí)監(jiān)控CO2體積分?jǐn)?shù)、各個(gè)氣路的流量以及輸出的總流量和往期的歷史配氣記錄。圖12為手機(jī)小程序界面。

圖12 手機(jī)小程序界面Fig.12 Physical picture of mobile phone programming

3 氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)集成與功能測(cè)試

在對(duì)配氣系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)和通信設(shè)計(jì)之后，進(jìn)入系統(tǒng)集成和功能測(cè)試階段。

3.1 配氣系統(tǒng)的組件選擇與集成

氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)主體組件架構(gòu)如圖13所示。

圖13 氣調(diào)保鮮配氣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Hardware structure diagram of modified atmosphere packaging and distribution system

系統(tǒng)組件由PLC控制器、質(zhì)量流量控制器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器、HMI觸摸屏、中間繼電器、電磁閥、4G DTU模塊、電源模塊等構(gòu)成。本文選擇的PLC控制器型號(hào)為西門子S7-200 SMART CPU ST20，它繼承了前代S7-200 PLC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又增加了很多功能。配氣系統(tǒng)傳感器與質(zhì)量流量控制器均為模擬量輸入與輸出，選擇PLC的模擬量轉(zhuǎn)換模塊EM AM06；以昆侖通態(tài)的TPC7062Ti型觸摸屏為人機(jī)交互模塊。另外，選擇萊峰科技公司的LF 420-S模擬型氣體質(zhì)量流量控制器；4G DTU通信模塊為有人云物聯(lián)網(wǎng)公司的產(chǎn)品USR-G780 V2型DTU。

為實(shí)現(xiàn)配氣系統(tǒng)整體功能，各組件的技術(shù)參數(shù)需按照配氣系統(tǒng)的要求進(jìn)行配備。表1為PLC控制器、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、HMI 觸摸屏、CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器、質(zhì)量流量控制器、4G DTU 通信模塊、電磁閥以及開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)參數(shù)。圖14為配氣系統(tǒng)內(nèi)部組件連接結(jié)構(gòu)關(guān)系和集成形態(tài)。

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)性能測(cè)試主要包括配氣系統(tǒng)精度測(cè)試、系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試、系統(tǒng)信息傳輸延遲及通信可靠性測(cè)試。4G DTU作為通信模塊，其通信傳輸?shù)目煽啃浴?zhǔn)確性，如丟包率、準(zhǔn)確率等指標(biāo)，己在出廠前做過(guò)測(cè)試和標(biāo)定。廠家對(duì)4G DUT通信模塊在RS-485接口下的系統(tǒng)丟包率和準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)論是：通信距離1 200 m,通信時(shí)間20 min，溫度23～33℃，相對(duì)濕度35%～45%，系統(tǒng)無(wú)亂碼、無(wú)丟包。在連續(xù)傳輸110 h，波特率115 200，發(fā)送字節(jié)數(shù)1 000，發(fā)送間隔1 ms，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率為0.74%～0.77%。因此，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟包率和準(zhǔn)確率等，不再做重復(fù)測(cè)試。

表1 硬件技術(shù)參數(shù)Tab.1 Hardware technical parameters

圖14 配氣系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)物圖Fig.14 Internal physical picture of air distribution system1.電磁閥 2.CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器 3.質(zhì)量流量控制器 4.繼電器 5.PLC 6.電源開(kāi)關(guān) 7.4G DTU 8.電源插座 9.混氣室

3.2.1配氣系統(tǒng)精度測(cè)試

這部分測(cè)試分為2組，測(cè)試條件和系統(tǒng)狀態(tài)如表2所示。

在使用PID算法的配氣狀態(tài)下，增加了初始濃度不為0的測(cè)試組，其輸出流量為4 000 sccm，CO2初始體積分?jǐn)?shù)分別為20%、30%，設(shè)定體積分?jǐn)?shù)為30%、40%。其目的是為了更全面地驗(yàn)證PID算法的適應(yīng)性。

從表2可以看出，配氣完成時(shí)，未使用PID算法的配氣結(jié)果平均誤差為2.64%；使用PID算法的配氣結(jié)果平均誤差絕對(duì)值為0.22%，誤差降低了約91.67%。使用PID算法的配氣時(shí)間比沒(méi)有使用PID算法的配氣時(shí)間減少了50%。增加的配氣系統(tǒng)適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明：使用PID算法的初始體積分?jǐn)?shù)30%、設(shè)定體積分?jǐn)?shù)40%和初始體積分?jǐn)?shù)20%、設(shè)定體積分?jǐn)?shù)30%的測(cè)試組，測(cè)試誤差更穩(wěn)定、速度更快。

3.2.2配氣系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試之前，需要將管路內(nèi)的殘余CO2氣體排凈，整個(gè)測(cè)試過(guò)程共設(shè)置4組不同條件下的配氣實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試開(kāi)始后，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，數(shù)據(jù)采集周期為1 s；由于配氣時(shí)間一般在60 s完成，所以連續(xù)采集數(shù)據(jù)300 s。通過(guò)對(duì)1 200個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表3所示，結(jié)果表明：在氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)定值且輸出流量穩(wěn)定時(shí)，平均誤差絕對(duì)值為0.25%?？梢?jiàn)本配氣系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)定性。

3.2.3系統(tǒng)通信延遲及數(shù)據(jù)傳輸可靠性測(cè)試

通信測(cè)試的重點(diǎn)為測(cè)試PLC控制器是否能經(jīng)4G DTU模塊獲得信號(hào)以及PLC控制器寄存區(qū)的數(shù)據(jù)是否能實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，由此檢驗(yàn)配氣過(guò)程中系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和通信功能。圖15為通信測(cè)試時(shí)相關(guān)界面。實(shí)際測(cè)試時(shí)，設(shè)定CO2氣體體積分?jǐn)?shù)為40%，輸出流量為4 000 sccm；配氣裝置觸摸屏的控制界面隨即出現(xiàn)所設(shè)置的參數(shù)；用手機(jī)小程序開(kāi)啟系統(tǒng)運(yùn)行，通過(guò)串口調(diào)試助手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通信測(cè)試。PLC控制器與DTU模塊RS485串行連接，通過(guò)RS485-USB串行接口并聯(lián)在PLC的RS485接口上，因此計(jì)算機(jī)中的串口調(diào)試助手可以監(jiān)控PLC與DTU之間雙向傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)。圖16為配氣完成且處于穩(wěn)定輸出階段的截取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸周期為50 ms。具體數(shù)據(jù)傳輸格式解析結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 兩組配氣系統(tǒng)測(cè)試條件和數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Test conditions and data results of two groups of distribution systems

表3 配氣系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試條件和數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Test conditions and data results of distribution systems stability

圖15 配氣系統(tǒng)通信測(cè)試手機(jī)界面圖 Fig.15 Mobile phone interface diagram for communication test of gas distribution system

圖16 串口調(diào)試圖Fig.16 Serial port tuning attempt

表4 Modbus RTU 數(shù)據(jù)傳輸格式解析表Tab.4 Modbus RTU data transmission format parsing

解析結(jié)果表明：數(shù)據(jù)傳輸延遲約15 ms，配氣系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，且數(shù)據(jù)傳輸通信穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)對(duì)工作條件和系統(tǒng)目標(biāo)的分析，完成了配氣系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、組件選型(配)和軟件開(kāi)發(fā)；以動(dòng)態(tài)配氣法作為配氣系統(tǒng)的主要控制方法，選擇PLC為控制核心，通過(guò)控制不同氣體的流量比，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)氣體濃度比例；加入PID控制算法提升了系統(tǒng)的性能，使配氣速度和精度得到改善。

(2)基于配氣系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求，選擇4G網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信方式，對(duì)PLC內(nèi)部嵌入的Modbus RTU程序設(shè)計(jì)，完成DTU與PLC之間的通信。同時(shí)對(duì)DTU的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)試；以TCP協(xié)議為橋梁，使其與云服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)手機(jī)小程序軟件實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

(3)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及通信性能測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)在配氣穩(wěn)定時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)平均誤差絕對(duì)值為0.22%，較傳統(tǒng)方法降低了約91.67%，且嵌入PID控制算法的配氣速度提高50%左右，極大改善了工作條件和生產(chǎn)效率。