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冷库温控自动化技术的发展与应用 ——访江苏科立德制冷设备有限公司董事长李世岗
 

随着我国经济的发展，公众消费升级以及食品安全意识提高，我国食品冷链物流迎来快速发展，同时，食品的流通模式与消费模式正在发生着变化。在此背景下，冷库的投资与发展也出现了一些有别于过去的变化，如大型化、连锁化、信息数据共享化。基于这些变化，冷库的温控功能除实现将存储物品控制在一个有效的温度范围之外，还需要满足一些其他更高的要求，如保障整个系统控制的稳定可靠、节约能源、实现食品全冷链温度记录、集中监控并便于移动管理等。冷库温控自动化技术成为实现上述需求的有效的解决方案，近年来越来越为业内关注和探讨。

为了解冷库温控自动化系统的工作原理，涉及哪些关键技术，冷库温控自动化技术如何优化，以及未来的发展方向，本刊记者采访了江苏科立德制冷设备有限公司董事长李世岗。

记者：请介绍冷库温控自动化系统的工作原理，涉及哪些关键技术?

李世岗：小型冷库制冷系统相对简单，往往是一台涡旋/活塞压缩冷凝机组带动1~3个蒸发器。通常压缩机不具有卸载能力，这种系统里的蒸发器尽可能同步控制所有蒸发器的制冷/融霜。其系统控制原理是，系统设有一个带定时分段融霜设定功能的温控器，根据冷库温度控制供液电磁阀的开/关，而压缩机采用机械压力控制器控制启停。当库温高于设定点时，温控器输出触点闭合，使供液电磁阀打开，蒸发压力上升，机械吸气压力控制器闭合，使压缩机控制回路得电启动;反之，库温到达设定点，电磁阀关闭，压缩机抽空循环，直到低压压力控制器断开，压缩机停止运行。机组上的冷凝器风机控制简化为与压缩机同步开/停控制。

大型冷库项目经常采用的是并联螺杆压缩机组拖动很多个独立的冷库蒸发器，是典型的多蒸发器系统。每个独立的小库体设有独立的温度传感器，独立控制库温。当某些小库温度达到设定值或开始融霜循环时，关闭的仅仅是这些冷库的供液电磁阀，而其余的蒸发器仍在工作。对整个系统而言，系统负荷降低了，循环的制冷剂蒸发量也减少了。而下一个时刻，可能因为开门/上货/融霜循环结束等原因，冷库负荷突然上升，则原先关闭的蒸发器供液电磁阀需打开，蒸发量随之突然变大。因此，压缩机组必须具备变容量调节能量输出的能力，负载减少时，将输气量降低直到匹配系统蒸发量，这样才能保证整个制冷系统的平稳运行。

螺杆压缩机里设有油压驱动的滑阀，靠频繁组合控制油缸不同位置的电磁阀的开关状态，可实现无级调节螺杆压缩机的螺杆啮合型线的有效压缩长度，从而改变压缩机的有效压缩啮合空间，使输气量从特定百分比开始到100%之间无级调节。表现在机组控制上，需设置一整套的PLC控制器、触摸屏控人机界面，以及相应的控制程序，采用独立的吸气压力传感器实时测量吸气压力，采用PI算法实时计算机组的上载和下载需求，并输出滑阀电磁阀控制信号，从而实现压缩机的容量调节。同时，并联的压缩机相互之间加以启停控制组合，从而实现整机的无级容量调节。

与此对应，冷凝器也需实现能量调节。中小型系统通常采用风冷冷凝器，各风扇所对应的换热盘管相互间设有独立隔腔。传统的技术是采用交流风机，只能通过控制风扇开停数量加以有级调节。最新的技术是采用永磁直流无刷电机，可以在电机最大工作转速以下到20%之间的任意转速连续运转。大型系统通常采用蒸发式冷凝器，则可通过变频器调节水

泵和风机转速。

机组控制软件的关键点是机组的上下载算法。传统的算法是线性比例算法，即按照固定的线性比例值计算每级吸气压力目标值，吸气压力超过每级阈值时经适当延时上载，低于阈值时则延时卸载。目前线性比例算法已落后，而采用中性区PI算法。原理是，以控制目标值为中心，设定一定带宽的正负区域作为中性区，吸气压力落在该范围内时，不做调整而保持当前输出。在中性区的外围，再设一定带宽的控制区，在此区域内，判断吸气压力值的变化趋势，如其背离目标值，则经延时做上下载处理，但如其朝向目标值逼近，则保持当前输出不变。当吸气压力超出此控制区，则无论是背离还是朝向目标值逼近，都经延时做上下载处理。

图1 螺杆并联压缩机组PLC控制人机界面
 

记者：请结合冷库的发展特点，分析冷库温控自动化技术应如何进行优化?

李世岗：近年来，冷库呈现出新的发展特点：

一是多温区。大型冷库系统里因存储的物品种类不同，或因食品的加工工艺流程需要，总是存在多种温区。通常分成三大温区，各温区范围内的冷库组合成同一子系统，这包括+18°C高温库(通常是加工间)，0°C~10°C的冷藏库，-18°C~-25°C冷冻库。这三大子系统采用不同的制冷主机。在0°C~10°C的冷藏库子系统里，机组蒸发温度按最低的库温即0°C减去换热温差设计。对高于0°C的冷库，在其蒸发器出口管路上加装蒸发压力调节阀，调整阀的设定值，将其蒸发压力抬升到一恰当值，直到其蒸发温差符合设计值。

对-18°C~-25°C的冷冻库，加装蒸发压力调节阀是最简单的处理办法，但系统会明显增大能耗。此时可以将并联压缩机组设计成双吸气系统，即一个吸气系统对应-18°C冷库，另一个对应-25°C冷库，但共用一个排气管，也就是共用冷凝器和储液器，这样系统虽然相对复杂，但可实现节能。

二是节能。全球经济的快速膨胀与不可再生能源的快速消化导致人类面临现实的能源危机。因此，节能是各个投资主体都需严肃考虑的重要目标。为了实现节能，冷库就有必要采取一些非常规的手段，而这些手段都必须要有配套的控制系统来实现。

热气融霜由于融霜时，整个蒸发器管道内部都有高温高压制冷剂气体，传热热面积远大于穿插在翅片上的电加热棒，且从整个霜层内部均匀加热，气体的凝结潜热热量大，所以其融霜速度明显高于电热融霜，并节约了大量的电能，节能效果显著。在过去的几年里，热气融霜技术已得到广泛应用。其系统原理是，机组排气管道上加装有带电动控制的排气压力压差阀，无融霜需求时，该阀控制在全开状态，而当融霜循环时，控制该阀处于部分开启状态，从而在阀的前后产生大约2bar的压降。在该阀的上游引一路热气管，经电磁阀、单向阀，先流经蒸发器的接水盘，然后从蒸发器吸气管进入换热盘管，热气被霜层吸热并凝结成液体，从分液器的侧面旁通孔里流出，进入系统的供液管道，流入处于制冷循环的蒸发器所蒸发。热气融霜在控制上，要做好制冷和融霜循环切换时蒸发器盘管内部液体充分排空，并保证足够的盘管滴水时间。

图2 热气融霜并联压缩机组
 

蒸发温度回掷也是节能控制的一个有效方法。在寒冷的季节，或者是夜间库门长时间关闭的时间段，由于保温效果好，负荷较低，此时可将机组的蒸发压力对应的饱和蒸发温度人为升高2°C，仍可以保证有效的库温，同时，系统效率可实现明显提高。

此外，热回收也是值得关注的节能技术。最常见的是回收热水，适合需要热水清洗洁具的加工间、预热工艺热水、空间取暖等场合。另外，热水还可以用于冷库地坪下面防冻。其控制原理是，在压缩机组排气管上加装排气三通阀，当水温降低到一定值，则控制三通阀做排气切换，让热气进入热回收换热器，加热热水，然后再流入正常的冷凝器。当水温到达55°C或设定值后，控制三通阀再次切换，热气直接进入正常的冷凝器。由于压缩机排气温度在100°C上下，与电加热热水器比，水热交换器表面不容易结垢。热回收器具有合理的换热面积，热水升温显著。

三是集中监控与移动管理。大型冷库的规模通常达到1万吨以上，靠人工查看并记录每个库温和机组运行状况费时费力，且人力成本很高，因此越来越多的冷库需要集中监控冷库系统的各项参数。控制方案是各个独立的蒸发器/库房装有温控器，控制制冷和除霜，压缩机组上装有控制机组和冷凝器、油冷却器的主控制器，控制器都带有RS485接口，相互间用MODBUS通讯。在监控人员的办公室里，设有组态软件编写的集中控制程序与所有的控制器进行实时通讯，采集所有的系统运行参数和报警参数，并可设定参数。如果业主在不同地区有多个项目，则可同时在总部通过网络获取或监视各项目信息。

现在物联网技术和云控制技术方兴未艾，各种硬件设备通过无线网络相互联系通讯，并结合云控制技术和移动网络，给人类生活带来了巨大的变化。科立德制冷在2015年年底研发出了国内真正意义上的针对冷库/超市/便利店的iCool云智能控制系统。自主研发的机组和蒸发器的控制器上分别设计有无线通讯模块，配有智能监控触摸屏。用户根据自己的实际需求安装任意数量的机组和蒸发器，本地项目的所有设备组成一个系统，不同项目又可统一纳入管理。机组/蒸发器设备间无需布线就可以在100米范围内相互无线通讯，并通过用户的任意商用Wifi路由器，将系统的各项运行数据发送到云服务器上。这些数据包括运行参数、报警参数、控制参数、人员操作信息等。服务器后台软件加工处理这些数据，并把一些数据推送到用户的智能手机APP上。用户在任何时刻任何地方，只要能联网，都可实时获得其不同地区不同项目的冷库参数，如冷库运行状态、库温、开关门状态、电量消耗以及报警等信息。用户也可从手机APP端设置冷库的定时开/关、库温目标值，启用/关闭夜间节能、降噪功能。借助于分析上传到云服务器上更专业的深层次的设备运行参数，科立德制冷可以给用户提供增值服务，即从后台诊断用户的系统，提前发现用户系统存在的问题。并且，该后台给每个用户提供账号，用户从后台可以进行查看自己的项目数据，管理操作人员/设备。目前，国家政策提倡食品/疫苗全程冷链，要求各个生产/流通环节可以全程记录温度数据，并可提交给第三方，iCool系统可以很好地实现此功能。

图3 iCool云智能管理系统架构及智能手机APP
 

记者：请展望冷库温控自动化技术的发展方向。

李世岗：随着冷库功能升级，冷库温控自动化技术将得到不断发展，我认为，今后的方向包括以下几点：

第一，云控制技术以及移动控制会越来越普及，不仅是复杂的控制板，甚至是独立的传感器也可以实现直接上传数据。进一步完善后台智能诊断功能，可给客户带来更高的增值服务，用户使用起来将更加简单、容易。

第二，随着全程冷链物流的不断推进，今后必然要求各冷链环节间的数据可实现自动交换，将来的控制系统间将形成统一的冷链温度协议。

第三，在传统的制冷控制里，电子膨胀阀会更多地代替热力膨胀阀。

另外，我认为，智能化霜技术会得到更多的研究和实践。

    资料来源：《物流技术与应用》冷链增刊2016年9期
    转载时间：2016年11月07日
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