果蔬气调保鲜库设备自动化控制系统研究

□万 勇 王志明/四川省农业机械研究设计院

0 前言

气调贮藏是在冷藏基础上进一步提高贮藏效果，是果蔬贮藏保鲜技术的发展和创新，包含冷藏和气调双重作用，是一种先进、有效的果蔬保鲜方法。气调库的核心是库内气体成分调节系统，它由制氮机组、乙烯气体脱除机和二氧化碳气体脱除机、气体检测设备及气体输送管线阀门等组成。

气调库的电气控制系统包括：气调控制系统、制冷控制系统、报警系统、照明系统、呼叫系统。本文主要研究制冷控制系统和气调控制系统的自动化控制，对其电控系统进行改造设计，达到预期效果。

1 国内外气调贮藏应用现状

气调贮藏开始于二十世纪初，目前欧美等发达国家80%以上的水果、蔬菜都是采用气调方式贮藏的。我国果品总产量达到9 300万t，蔬菜产量达到6.77亿t。据统计，发达国家蔬菜水果产品损失率不到5%，由于我国果蔬生产的采收不当，采后商品化处理技术落后，贮藏条件不当等原因造成的腐烂损失率占总产量的25%～30%，如果运用正确的保鲜技术使产品贮藏损失率降低一半，每年即可减少超过500万t水果和3 000万t蔬菜的损失。因此，贮藏设施的配套问题必须引起高度重视。我国的气调储藏技术虽然应用较晚，但是发展非常迅速。四川省农业机械研究设计院于2000年承担并完成了四川省重点科技攻关项目“果蔬气调保鲜贮藏技术与成套设备的研究开发”，2004年起草了国内第一份关于气调贮藏库的地方标准DB51/T466-2004《果蔬气调保鲜库技术要求》。近年来在成都、阿坝、攀枝花、眉山、绵阳、德阳、资阳、乐山、泸州、达州、重庆等地共承担了30多座气调库、冷藏库的工程建设施工。承担了灾后重建项目都江堰6座气调库、冷藏库的工程图样设计。承担了河南4 000t气调库工程设计等技术服务项目。为气调贮藏技术在国内的推广和发展作出了贡献。

图1 气调库库温控制回路

2 制冷自动控制系统和气调库内气体含量自动控制系统的研制

2.1 气调贮藏保鲜原理

气调贮藏是指在特定的气体环境中的冷藏方法，是建立在对果蔬采后生理特性的深刻认识基础上发展起来的新技术。它可根据贮藏物的生理特性，选择合适的贮藏参数（温度、湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度等），有效的抑制贮藏物的呼吸作用，抑制库内细菌的活性，以达到长期保鲜的目的。

2.2 制冷自动控制系统的研制

制冷装置由冷凝器、蒸发器、压缩机、节流装置等设备组成，制冷装置中各设备、各参数在运行时是相互影响、相互作用的，制冷装置自动控制是为了确保整套装置能正常运行，并且达到要求的运行参数值。

目前的制冷装置控制系统中，大多使用直接作用式控制器，即把发信器、控制器、执行器三者做成一体的控制系统。本文研制的制冷控制系统主要对制冷装置中的各个运行设备如冷凝器、蒸发器、压缩机、节流装置等进行动、静态特性分析，同时配置响应的控制器，形成该参数的自动控制系统，使每一个参数在各种外界干扰条件下或负荷变化条件下和给定值的偏差均能保持在正常运行要求的范围内。

气调库温度调节流程如图1所示。

当温度传感器测量冷藏间温度上升至给定上限时，温度控制器启动，接通供液电磁主阀和回气电磁主阀电路，并开启冷风机和压缩机等制冷系统设备，当温度传感器测量冷藏间温度下降至给定下限值时，温度控制器关闭，切断供液电磁主阀电路，延时大概1～2min后，再令回气电磁主阀关闭，然后冷风机停止运转，并且使压缩机等制冷系统能够设备停止运行。

在制冷控制系统中增加了专门的缺相保护系统，有效避免了因缺相引起的电机线圈被烧毁的现象，目前市售的缺相相序保护器在缺相保护方面不可靠，很多产品是在停机状态缺相能得到有限保护，而在设备运行时缺相无法保护，无法迅速停机而使设备缺相运行，在使用中冷风机等很容易因缺相烧毁电机。通过改进制冷控制系统设计，增加了非常可靠的缺相保护，避免缺相运行，大大提高了制冷系统运行的可靠性。

2.3 气调库内气体含量自动控制系统的研制

（1）氧气含量自动控制系统研制。抑制水果、蔬菜呼吸作用的方法，就是适当降低库房内氧气的含量。目前主要有中空纤维膜制氮机向库内充氮和碳分子筛吸附库内氧气两种方式来降低库内氧气含量。本控制系统就中空纤维膜制氮降氧的方式进行研究。当由计算机控制的气调库气体浓度监测系统检测到库间的氧气含量超过设定上限，控制降氧的接线端子导通，随后输往库间的管路电磁阀开启，延时大概2min后，制氮机开启，高浓度氮气通过管路通向氧气含量超标的气调库，直到库内的气体被检测出氧气的含量达到设定值。当库内氧气浓度达到设定下限时控制降氧的另一接线端子断开，使制氮机关闭，延时一般5～10min后，管路电磁阀关闭，降氧结束。如图2所示。

图2 氧气含量自动控制图

（2）二氧化碳含量自动控制系统研制。适当的CO2含量有助于水果和蔬菜的保鲜贮藏，但当库内的CO2含量过高时就会造成CO2中毒。当库房的CO2含量高于库内贮藏物料最高限度时，CO2脱除机开启降低其含量，当库房的CO2含量达到要求时CO2脱除机关闭，同时相关电磁阀关闭。自动降CO2流程如图3所示。

（3）乙烯含量自动控制系统研制。乙烯脱除机是用来控制气调库中乙烯的浓度，防止水果和蔬菜早熟，当乙烯传感器检测到乙烯含量超过设定值时管路电磁阀会开启，延时1～2min后，乙烯脱除机开启，库间的含乙烯超标气体被乙烯脱除机脱除大部分乙烯，吸附后含乙烯较少的气体被送回库间，如此循环降乙烯直到库间的气体被检测出乙烯含量达到设定值。此时乙烯脱除机关闭，延时5～10min后，管路电磁阀关闭，停止循环。自动降乙烯流程如图4所示。

图3 二氧化碳含量自动控制图

图4 乙烯含量自动控制

3 气调库性能试验

2012年5月，在四川华蓥山气调库内使用蒜薹对研制的控制系统进行了性能试验，试验温度波动控制在±0.5°C以内，O2、CO2的含量维持在±1%的允许范围内，乙烯浓度控制在允许值以下，相对湿度92%。在对4个试验库进行一周气调运行后，对各库的温度，O2、CO2含量进行为期一月每天两次的测量，记录并找出其波动范围（见表1）。通过对气调库运行测试数据的分析，各项运行参数指标均达到了研发设计要求。

4 应用前景

果蔬气调库是一个严密的封闭系统，系统运行如果单纯靠人工进行，需要操作技术很熟练的工人才能进行此工作，而且不一定能保证及时、准确地进行调节。如果采用自动调节，不用注意贮藏时间的长短或外界条件的变化，并且不用或少用人工参与，从而简化了管理，保证了贮藏食品的质量，也保证了气调库装置运行的可靠性、安全性和经济性，因此有很大的发展前景。目前，我国已成为世界上最大的水果生产国和消费国，水果和蔬菜产量巨大，建设自动化程度高的气调库，发展气调保鲜加工贮藏，不断提升果蔬产品的升值潜力，是未来市场的必然发展趋势。

5 结语

气调贮藏技术的发展，主要是以果蔬贮藏保鲜为依托。果蔬贮藏保鲜业既是促进果蔬生产、搞好产后加工的桥梁，又是提高农民收入、促进果蔬进出口贸易的重要措施，同时也是农业产业化的重要内容，果蔬贮藏保鲜业必将为我国的经济发展做出更大的贡献。随着商品经济的发展及人们对果蔬保鲜认识，特别是无公害绿色食品意识的提高，人们更注重商品的价值，本文通过对果蔬气调保鲜库自动化控制的研究，减少了人工参与，达到了延缓果蔬老化变质的目的。

表1 温度和O2、CO2测量表