基于LabVIEW的小型冷库监控系统

2021-01-18马志艳杨磊石敏张徐康

食品工业 2020年12期

马志艳，杨磊，石敏，张徐康

1. 湖北工业大学农业机械工程研究设计院（武汉 430068）；2. 湖北省农业机械工程研究设计院（武汉 430068）

冷库作为食品冷链物流的节点与重要组成部分[1]，以人工制冷的方式延长食品的保质期，被广泛应用于水产、果蔬、肉类等食品的贮藏。随着冷链物流的快速发展，冷库需求量逐步增长，我国冷库自动监控技术发展较晚，造成了大量的变质食品、运行成本、能源消耗[2-3]。自动监控下的冷库能使温度、压力等工况数据处于安全范围内，控制精度更高、食品贮藏质量更高、运行成本更低、能源消耗更少[4]。传统的冷库监控方式自动化与信息化程度低，人工成本大，而且不利于管理。虚拟仪器技术因其充分利用计算机的处理能力，具有人机交互界面友好、功能库丰富等特点[5]，为冷库监控技术提供了很大的便利。

该文在LabVIEW软件平台上开发了一套小型冷库监控系统，实现了温度、压力、流量、耗电量等冷库运行工况数据的自动显示、报警、存储以及远程监测等功能的设计，以电子膨胀阀为例，进行了控制方法的改进。

1 系统总框架设计

1.1 系统平台总成

试验冷库的体积为5 m×2.8 m×2.5 m，库内设计目标温度为-18 ℃，5个温度测点分别为库内温度、库外温度、蒸发器出口温度、压缩机吸气温度、压缩机排气温度，3个压力测点分别为蒸发器出口压力、压缩机吸气压力、排气压力，质量流量测点为电子膨胀阀出口流量，耗电量测点分别为压缩机耗电量、融霜装置耗电量、冷库总耗电量，控制的工况数据为库内温度、电子膨胀阀开度。监控主机为研华PPC 3210S工控机，从机模块有DAM-PT16温度采集模块、DAM-8AI模拟量采集模块、功率采集模块、SANHUA 601-R4电子膨胀阀控制器，从机模块挂载在RS485集线器的串行总线上，监控系统平台总成如图1所示。

监控系统基于LabVIEW平台开发，监控主机与各从机模块按照Modbus协议[6]进行通信，系统不仅能接收用户指令，如强制写入电子膨胀阀开度、历史数据查询等，还能对压力、温度、压力、流量耗电量等工况数据进行本地采集、显示、动态曲线分析、存储、报警以及自动控制电子膨胀阀等。除此之外，工况数据还由本地监控系统传输至OneNET服务器[7]，方便用户通过电脑、手机等终端进行远程监测。

1.2 系统软件总框架

为满足冷库监控系统的功能需求，将监控系统软件划分为4个模块，即工况数据采集模块、本地数据库模块、远程数据发送模块、电子膨胀阀控制模块。其中，电子膨胀阀控制模块内嵌于工况数据采集模块。系统的设计框架主要采用生产者/消费者架构[8]，生产者为工况数据采集模块、电子膨胀阀控制模块，消费者为本地数据库模块、远程数据发送模块，模块之间通过队列属性完成数据流的有序传输，系统软件设计流程图如图2所示。打包并存储于数据库中，供用户查询历史数据。远程数据发送模块对出列的数组按照MQTT协议[9]封装打包，写入4G DTU模块串口，发送至OneNET云平台，完成冷库工况数据的远程监测。

2 系统软件实现

2.1 工况数据采集模块

工况数据采集模块采用传输效率更高的Modbus/RTU传输模式，开发工具为Modbus工具包，相关函数能返回十进制的寄存器内容，无需手动进行报文的差错效验。Modbus通信协议规定了请求报文与响应报文的结构，如表1和表2所示。监控主机需先向各从机模块轮流发送请求报文，为满足一主多从的通信要求以及尽可能减少后面板使用空间，主从通信的实现放置在层叠式顺序结构中。

表2 从机的响应报文结构

作为生产者的工况数据采集模块、电子膨胀阀控制模块，实现主从机之间轮流通信、解析后，完成实时显示、动态曲线分析、报警、控制电子膨胀阀等功能，并将数据流传递给消费者。本地数据库模块对生产者入列的数组进行出列操作后，将工况数据按格式

主机收到从机模块的响应报文后，通过数组索引、符号类型、量程、精度等操作对报文进行解析，并将监测点的工况数据显示在前面板，还可以通过图表控件显示工况数据的动态曲线，以便操作人员进行实时分析，冷库本地监控系统主界面如图3所示。利用数组插入、入列等相关操作对工况数据进行数组入列，将工况数据流传递给本地数据库模块与远程数据发送模块。

图3 本地监控系统主界面

考虑到冷库运行工况数据异常带来的不良影响，通过设置布尔灯的属性节点控制布尔灯闪烁，提醒工作人员做出相应的调整措施。布尔灯显示为绿色，表示工况数据正常；布尔灯出现“蓝绿交替闪烁”，表示工况数据过低；布尔灯出现“黄绿交替闪烁”，表示工况数据过高。

2.2 本地数据库模块

本地数据库模块使用LabSQL技术，通过Microsoft ADO和SQL语言实现Access数据库[10]的访问。工况数据写入数据库前，在平铺式顺序结构依次建立Access数据库路径、连接数据库、建立表头，对出列的数据经过数组索引、数据类型转换、打包后，将数据包写入数据库，某段时间内本地数据库存储情况如图4所示。除此之外，为方便用户查询历史数据，本地数据库模块还设计了历史数据查询功能，程序框图如图5所示。

2.3 远程数据发送模块

远程数据传输采用流量消耗少、网络质量要求低的MQTT通信协议，远程接收端为OneNET开放服务器。向服务器发送数据前，本地监控系统需向OneNET服务器发送连接请求登录虚拟设备，连接请求报文结构包含3部分[11]：固定报文头、可变报文头、有效负载，报文结构如表3所示。其中固定报文头包括报文头、剩余报文字节数，有效负载包括设备、产品、鉴权信息描述，其它为可变报文头所含内容。

配置好OneNET服务器的IP与端口号后，在平铺式顺序结构的第一帧，将打包好的连接请求报文写入4G DTU模块的串口，OneNET服务器接收到连接请求后，将效验设备、产品、鉴权信息等相关信息登录虚拟设备。本地监控系统接收到OneNET服务器发送的登录成功响应报文后，还需向服务器发送数据传输报文，数据传输报文包含3部分：固定报文头、可变报文头、有效负载，如表4所示，其中固定报文头包括报文头、剩余字节数，可变报文头包括主题信息、报文标识符、数据点类型，其它为有效负载所含内容。

图4 本地数据库

图5 历史数据查询功能程序框图

表3 连接请求报文结构

表4 数据传输报文结构

在层叠式顺序结构的第二帧中，对出列的数据进行16进制转换、封包等处理，将数据传输报文写入4G DTU模块的串口，OneNET服务器对报文进行解析后，实时刷新数据点的状态。OneNET开放平台提供了可视化工具组件库，通过设置数据流、刷新频率、编辑样式等属性，用户在电脑或者移动终端对冷库工况参数进行直观的监测，手机端OneNET远程监测界面如图6所示。

图6 手机端OneNET远程监视界面

2.4 电子膨胀阀控制模块

冷库蒸发器出口处过热度控制的好坏不仅影响蒸发器的换热效率，而且对冷库制冷系统运行的安全性具有重要意义[12]。过热度是一个时变、非线性的被控对象，相较于常规PID控制，模糊控制在解决此类问题上有一定的优势[13]。电子膨胀阀控制模块采用Fuzzy control工具包实现，电子膨胀阀控制器提供了写入开度的功能，可通过Modbus通信协议调节电子膨胀阀开度。蒸发器出口处过热度设定值为6 ℃，模糊控制器的输入量为过热度偏差e、偏差变化率ec，电子膨胀阀开度u作为模糊控制器的输出量，电子膨胀阀开度的变化引起过热度的变化，从而构成过热度闭环控制回路。

经过反复试验，e和ec的实际论域分别为[-6，6]和[-1，1]，模糊化后的语言变量分别为E和Ec，E和Ec的模糊论域分别为[-3，-2，-1，0，1，2，3]和[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，模糊语言集合均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隶属度函数均选用两边S型、中间三角形的隶属度函数；电子膨胀阀开度u实际论域为[0，100]，模糊化后的模糊语言变量为U，模糊论域为[0，1，2，3，4，5，6]，模糊语言集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，采用重心法进行去模糊化处理，隶属度函数选用两边S型、中间三角形的隶属度函数。根据Mandani推理法以及控制规则的设计原则，结合实际控制经验，设计了49条控制规则，如表5所示。为方便操作人员设计自己的模糊控制系统文件与现场调试，将量化因子、比例因子、开度以及字符串格式的模糊控制系统文件名称作为输入控件。

表5 模糊控制表

3 系统运行试验

为验证监控系统的可靠性与稳定性，通过开启冷库门的方法进行热负荷试验。试验前，将库内温度降至10 ℃，此时打开冷库门，保持开门状态直至库内温度降至设定的-18 ℃，每1 min记录一次数据。图7为热负荷试验下的温度曲线图。可以看出，热负荷试验下，所有温度均在正常范围内，库外温度约为20 ℃，库内温度从10 ℃降至-18 ℃共约56 min，冷库门开启时，库温上升约1 ℃，3 min之后一直稳步下降，排气温度在整个试验过程中有多次轻微波动，但整体表现为稳步下降，其他温度一直在稳步下降。监控系统在试验期间，操作简单、性能稳定，采集后的数据便于后续分析与管理，达到了设计目标。