基于LabVIEW的小型冷庫監控系統

馬志艷，楊磊，石敏，張徐康

1. 湖北工業大學農業機械工程研究設計院（武漢 430068）；2. 湖北省農業機械工程研究設計院（武漢 430068）

冷庫作為食品冷鏈物流的節點與重要組成部分[1]，以人工制冷的方式延長食品的保質期，被廣泛應用于水產、果蔬、肉類等食品的貯藏。隨著冷鏈物流的快速發展，冷庫需求量逐步增長，我國冷庫自動監控技術發展較晚，造成了大量的變質食品、運行成本、能源消耗[2-3]。自動監控下的冷庫能使溫度、壓力等工況數據處于安全范圍內，控制精度更高、食品貯藏質量更高、運行成本更低、能源消耗更少[4]。傳統的冷庫監控方式自動化與信息化程度低，人工成本大，而且不利于管理。虛擬儀器技術因其充分利用計算機的處理能力，具有人機交互界面友好、功能庫豐富等特點[5]，為冷庫監控技術提供了很大的便利。

該文在LabVIEW軟件平臺上開發了一套小型冷庫監控系統，實現了溫度、壓力、流量、耗電量等冷庫運行工況數據的自動顯示、報警、存儲以及遠程監測等功能的設計，以電子膨脹閥為例，進行了控制方法的改進。

1 系統總框架設計

1.1 系統平臺總成

試驗冷庫的體積為5 m×2.8 m×2.5 m，庫內設計目標溫度為-18 ℃，5個溫度測點分別為庫內溫度、庫外溫度、蒸發器出口溫度、壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度，3個壓力測點分別為蒸發器出口壓力、壓縮機吸氣壓力、排氣壓力，質量流量測點為電子膨脹閥出口流量，耗電量測點分別為壓縮機耗電量、融霜裝置耗電量、冷庫總耗電量，控制的工況數據為庫內溫度、電子膨脹閥開度。監控主機為研華PPC 3210S工控機，從機模塊有DAM-PT16溫度采集模塊、DAM-8AI模擬量采集模塊、功率采集模塊、SANHUA 601-R4電子膨脹閥控制器，從機模塊掛載在RS485集線器的串行總線上，監控系統平臺總成如圖1所示。

監控系統基于LabVIEW平臺開發，監控主機與各從機模塊按照Modbus協議[6]進行通信，系統不僅能接收用戶指令，如強制寫入電子膨脹閥開度、歷史數據查詢等，還能對壓力、溫度、壓力、流量耗電量等工況數據進行本地采集、顯示、動態曲線分析、存儲、報警以及自動控制電子膨脹閥等。除此之外，工況數據還由本地監控系統傳輸至OneNET服務器[7]，方便用戶通過電腦、手機等終端進行遠程監測。

1.2 系統軟件總框架

為滿足冷庫監控系統的功能需求，將監控系統軟件劃分為4個模塊，即工況數據采集模塊、本地數據庫模塊、遠程數據發送模塊、電子膨脹閥控制模塊。其中，電子膨脹閥控制模塊內嵌于工況數據采集模塊。系統的設計框架主要采用生產者/消費者架構[8]，生產者為工況數據采集模塊、電子膨脹閥控制模塊，消費者為本地數據庫模塊、遠程數據發送模塊，模塊之間通過隊列屬性完成數據流的有序傳輸，系統軟件設計流程圖如圖2所示。打包并存儲于數據庫中，供用戶查詢歷史數據。遠程數據發送模塊對出列的數組按照MQTT協議[9]封裝打包，寫入4G DTU模塊串口，發送至OneNET云平臺，完成冷庫工況數據的遠程監測。

2 系統軟件實現

2.1 工況數據采集模塊

工況數據采集模塊采用傳輸效率更高的Modbus/RTU傳輸模式，開發工具為Modbus工具包，相關函數能返回十進制的寄存器內容，無需手動進行報文的差錯效驗。Modbus通信協議規定了請求報文與響應報文的結構，如表1和表2所示。監控主機需先向各從機模塊輪流發送請求報文，為滿足一主多從的通信要求以及盡可能減少后面板使用空間，主從通信的實現放置在層疊式順序結構中。

表2 從機的響應報文結構

作為生產者的工況數據采集模塊、電子膨脹閥控制模塊，實現主從機之間輪流通信、解析后，完成實時顯示、動態曲線分析、報警、控制電子膨脹閥等功能，并將數據流傳遞給消費者。本地數據庫模塊對生產者入列的數組進行出列操作后，將工況數據按格式

主機收到從機模塊的響應報文后，通過數組索引、符號類型、量程、精度等操作對報文進行解析，并將監測點的工況數據顯示在前面板，還可以通過圖表控件顯示工況數據的動態曲線，以便操作人員進行實時分析，冷庫本地監控系統主界面如圖3所示。利用數組插入、入列等相關操作對工況數據進行數組入列，將工況數據流傳遞給本地數據庫模塊與遠程數據發送模塊。

圖3 本地監控系統主界面

考慮到冷庫運行工況數據異常帶來的不良影響，通過設置布爾燈的屬性節點控制布爾燈閃爍，提醒工作人員做出相應的調整措施。布爾燈顯示為綠色，表示工況數據正常；布爾燈出現“藍綠交替閃爍”，表示工況數據過低；布爾燈出現“黃綠交替閃爍”，表示工況數據過高。

2.2 本地數據庫模塊

本地數據庫模塊使用LabSQL技術，通過Microsoft ADO和SQL語言實現Access數據庫[10]的訪問。工況數據寫入數據庫前，在平鋪式順序結構依次建立Access數據庫路徑、連接數據庫、建立表頭，對出列的數據經過數組索引、數據類型轉換、打包后，將數據包寫入數據庫，某段時間內本地數據庫存儲情況如圖4所示。除此之外，為方便用戶查詢歷史數據，本地數據庫模塊還設計了歷史數據查詢功能，程序框圖如圖5所示。

2.3 遠程數據發送模塊

遠程數據傳輸采用流量消耗少、網絡質量要求低的MQTT通信協議，遠程接收端為OneNET開放服務器。向服務器發送數據前，本地監控系統需向OneNET服務器發送連接請求登錄虛擬設備，連接請求報文結構包含3部分[11]：固定報文頭、可變報文頭、有效負載，報文結構如表3所示。其中固定報文頭包括報文頭、剩余報文字節數，有效負載包括設備、產品、鑒權信息描述，其它為可變報文頭所含內容。

配置好OneNET服務器的IP與端口號后，在平鋪式順序結構的第一幀，將打包好的連接請求報文寫入4G DTU模塊的串口，OneNET服務器接收到連接請求后，將效驗設備、產品、鑒權信息等相關信息登錄虛擬設備。本地監控系統接收到OneNET服務器發送的登錄成功響應報文后，還需向服務器發送數據傳輸報文，數據傳輸報文包含3部分：固定報文頭、可變報文頭、有效負載，如表4所示，其中固定報文頭包括報文頭、剩余字節數，可變報文頭包括主題信息、報文標識符、數據點類型，其它為有效負載所含內容。

圖4 本地數據庫

圖5 歷史數據查詢功能程序框圖

表3 連接請求報文結構

表4 數據傳輸報文結構

在層疊式順序結構的第二幀中，對出列的數據進行16進制轉換、封包等處理，將數據傳輸報文寫入4G DTU模塊的串口，OneNET服務器對報文進行解析后，實時刷新數據點的狀態。OneNET開放平臺提供了可視化工具組件庫，通過設置數據流、刷新頻率、編輯樣式等屬性，用戶在電腦或者移動終端對冷庫工況參數進行直觀的監測，手機端OneNET遠程監測界面如圖6所示。

圖6 手機端OneNET遠程監視界面

2.4 電子膨脹閥控制模塊

冷庫蒸發器出口處過熱度控制的好壞不僅影響蒸發器的換熱效率，而且對冷庫制冷系統運行的安全性具有重要意義[12]。過熱度是一個時變、非線性的被控對象，相較于常規PID控制，模糊控制在解決此類問題上有一定的優勢[13]。電子膨脹閥控制模塊采用Fuzzy control工具包實現，電子膨脹閥控制器提供了寫入開度的功能，可通過Modbus通信協議調節電子膨脹閥開度。蒸發器出口處過熱度設定值為6 ℃，模糊控制器的輸入量為過熱度偏差e、偏差變化率ec，電子膨脹閥開度u作為模糊控制器的輸出量，電子膨脹閥開度的變化引起過熱度的變化，從而構成過熱度閉環控制回路。

經過反復試驗，e和ec的實際論域分別為[-6，6]和[-1，1]，模糊化后的語言變量分別為E和Ec，E和Ec的模糊論域分別為[-3，-2，-1，0，1，2，3]和[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，模糊語言集合均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隸屬度函數均選用兩邊S型、中間三角形的隸屬度函數；電子膨脹閥開度u實際論域為[0，100]，模糊化后的模糊語言變量為U，模糊論域為[0，1，2，3，4，5，6]，模糊語言集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，采用重心法進行去模糊化處理，隸屬度函數選用兩邊S型、中間三角形的隸屬度函數。根據Mandani推理法以及控制規則的設計原則，結合實際控制經驗，設計了49條控制規則，如表5所示。為方便操作人員設計自己的模糊控制系統文件與現場調試，將量化因子、比例因子、開度以及字符串格式的模糊控制系統文件名稱作為輸入控件。

表5 模糊控制表

3 系統運行試驗

為驗證監控系統的可靠性與穩定性，通過開啟冷庫門的方法進行熱負荷試驗。試驗前，將庫內溫度降至10 ℃，此時打開冷庫門，保持開門狀態直至庫內溫度降至設定的-18 ℃，每1 min記錄一次數據。圖7為熱負荷試驗下的溫度曲線圖?？梢钥闯?，熱負荷試驗下，所有溫度均在正常范圍內，庫外溫度約為20 ℃，庫內溫度從10 ℃降至-18 ℃共約56 min，冷庫門開啟時，庫溫上升約1 ℃，3 min之后一直穩步下降，排氣溫度在整個試驗過程中有多次輕微波動，但整體表現為穩步下降，其他溫度一直在穩步下降。監控系統在試驗期間，操作簡單、性能穩定，采集后的數據便于后續分析與管理，達到了設計目標。

圖7 熱負荷溫度曲線

4 結語

介紹了監控系統平臺以及軟件系統總框架，編寫了基于LabVIEW的監控系統軟件，設計了OneNET服務器端的遠程監測界面，利用模糊控制對電子膨脹閥進行了控制方法的改進。在試驗期間，系統性能穩定，操作方便，人機界面友好，監測及時，能滿足監控要求。