【專題連載】冷庫溫控自動化技術的發展與應用 ——訪江蘇科立德制冷設備有限公司董事長李世崗

時間：2023-07-26 12:35:54來源：admin01欄目：冷鏈新聞閱讀：

文/本刊記者張大偉

隨著我國經濟的發展，公眾消費升級以及食品安全意識提高，我國食品冷鏈物流迎來快速發展，同時，食品的流通模式與消費模式正在發生著變化。在此背景下，冷庫的投資與發展也出現了一些有別于過去的變化，如大型化、連鎖化、信息數據共享化。基于這些變化，冷庫的溫控功能除實現將存儲物品控制在一個有效的溫度范圍之外，還需要滿足一些其他更高的要求，如保障整個系統控制的穩定可靠、節約能源、實現食品全冷鏈溫度記錄、集中監控并便于移動管理等。冷庫溫控自動化技術成為實現上述需求的有效的解決方案，近年來越來越為業內關注和探討。

為了解冷庫溫控自動化系統的工作原理，涉及哪些關鍵技術，冷庫溫控自動化技術如何優化，以及未來的發展方向，本刊記者采訪了江蘇科立德制冷設備有限公司董事長李世崗。

記者：請介紹冷庫溫控自動化系統的工作原理，涉及哪些關鍵技術？

李世崗：小型冷庫制冷系統相對簡單，往往是一臺渦旋/活塞壓縮冷凝機組帶動1~3個蒸發器。通常壓縮機不具有卸載能力，這種系統里的蒸發器盡可能同步控制所有蒸發器的制冷/融霜。其系統控制原理是，系統設有一個帶定時分段融霜設定功能的溫控器，根據冷庫溫度控制供液電磁閥的開/關，而壓縮機采用機械壓力控制器控制啟停。當庫溫高于設定點時，溫控器輸出觸點閉合，使供液電磁閥打開，蒸發壓力上升，機械吸氣壓力控制器閉合，使壓縮機控制回路得電啟動；反之，庫溫到達設定點，電磁閥關閉，壓縮機抽空循環，直到低壓壓力控制器斷開，壓縮機停止運行。機組上的冷凝器風機控制簡化為與壓縮機同步開/停控制。

大型冷庫項目經常采用的是并聯螺桿壓縮機組拖動很多個獨立的冷庫蒸發器，是典型的多蒸發器系統。每個獨立的小庫體設有獨立的溫度傳感器，獨立控制庫溫。當某些小庫溫度達到設定值或開始融霜循環時，關閉的僅僅是這些冷庫的供液電磁閥，而其余的蒸發器仍在工作。對整個系統而言，系統負荷降低了，循環的制冷劑蒸發量也減少了。而下一個時刻，可能因為開門/上貨/融霜循環結束等原因，冷庫負荷突然上升，則原先關閉的蒸發器供液電磁閥需打開，蒸發量隨之突然變大。因此，壓縮機組必須具備變容量調節能量輸出的能力，負載減少時，將輸氣量降低直到匹配系統蒸發量，這樣才能保證整個制冷系統的平穩運行。

螺桿壓縮機里設有油壓驅動的滑閥，靠頻繁組合控制油缸不同位置的電磁閥的開關狀態，可實現無級調節螺桿壓縮機的螺桿嚙合型線的有效壓縮長度，從而改變壓縮機的有效壓縮嚙合空間，使輸氣量從特定百分比開始到100%之間無級調節。表現在機組控制上，需設置一整套的PLC控制器、觸摸屏控人機界面，以及相應的控制程序，采用獨立的吸氣壓力傳感器實時測量吸氣壓力，采用PI算法實時計算機組的上載和下載需求，并輸出滑閥電磁閥控制信號，從而實現壓縮機的容量調節。同時，并聯的壓縮機相互之間加以啟停控制組合，從而實現整機的無級容量調節。

與此對應，冷凝器也需實現能量調節。中小型系統通常采用風冷冷凝器，各風扇所對應的換熱盤管相互間設有獨立隔腔。傳統的技術是采用交流風機，只能通過控制風扇開停數量加以有級調節。最新的技術是采用永磁直流無刷電機，可以在電機最大工作轉速以下到20%之間的任意轉速連續運轉。大型系統通常采用蒸發式冷凝器，則可通過變頻器調節水

泵和風機轉速。

機組控制軟件的關鍵點是機組的上下載算法。傳統的算法是線性比例算法，即按照固定的線性比例值計算每級吸氣壓力目標值，吸氣壓力超過每級閾值時經適當延時上載，低于閾值時則延時卸載。目前線性比例算法已落后，而采用中性區PI算法。原理是，以控制目標值為中心，設定一定帶寬的正負區域作為中性區，吸氣壓力落在該范圍內時，不做調整而保持當前輸出。在中性區的外圍，再設一定帶寬的控制區，在此區域內，判斷吸氣壓力值的變化趨勢，如其背離目標值，則經延時做上下載處理，但如其朝向目標值逼近，則保持當前輸出不變。當吸氣壓力超出此控制區，則無論是背離還是朝向目標值逼近，都經延時做上下載處理。

圖1 螺桿并聯壓縮機組PLC控制人機界面

記者：請結合冷庫的發展特點，分析冷庫溫控自動化技術應如何進行優化？

李世崗：近年來，冷庫呈現出新的發展特點：

一是多溫區。大型冷庫系統里因存儲的物品種類不同，或因食品的加工工藝流程需要，總是存在多種溫區。通常分成三大溫區，各溫區范圍內的冷庫組合成同一子系統，這包括+18°C高溫庫（通常是加工間），0°C~10°C的冷藏庫，-18°C~-25°C冷凍庫。這三大子系統采用不同的制冷主機。在0°C~10°C的冷藏庫子系統里，機組蒸發溫度按最低的庫溫即0°C減去換熱溫差設計。對高于0°C的冷庫，在其蒸發器出口管路上加裝蒸發壓力調節閥，調整閥的設定值，將其蒸發壓力抬升到一恰當值，直到其蒸發溫差符合設計值。

對-18°C~-25°C的冷凍庫，加裝蒸發壓力調節閥是最簡單的處理辦法，但系統會明顯增大能耗。此時可以將并聯壓縮機組設計成雙吸氣系統，即一個吸氣系統對應-18°C冷庫，另一個對應-25°C冷庫，但共用一個排氣管，也就是共用冷凝器和儲液器，這樣系統雖然相對復雜，但可實現節能。

二是節能。全球經濟的快速膨脹與不可再生能源的快速消化導致人類面臨現實的能源危機。因此，節能是各個投資主體都需嚴肅考慮的重要目標。為了實現節能，冷庫就有必要采取一些非常規的手段，而這些手段都必須要有配套的控制系統來實現。

熱氣融霜由于融霜時，整個蒸發器管道內部都有高溫高壓制冷劑氣體，傳熱熱面積遠大于穿插在翅片上的電加熱棒，且從整個霜層內部均勻加熱，氣體的凝結潛熱熱量大，所以其融霜速度明顯高于電熱融霜，并節約了大量的電能，節能效果顯著。在過去的幾年里，熱氣融霜技術已得到廣泛應用。其系統原理是，機組排氣管道上加裝有帶電動控制的排氣壓力壓差閥，無融霜需求時，該閥控制在全開狀態，而當融霜循環時，控制該閥處于部分開啟狀態，從而在閥的前后產生大約2bar的壓降。在該閥的上游引一路熱氣管，經電磁閥、單向閥，先流經蒸發器的接水盤，然后從蒸發器吸氣管進入換熱盤管，熱氣被霜層吸熱并凝結成液體，從分液器的側面旁通孔里流出，進入系統的供液管道，流入處于制冷循環的蒸發器所蒸發。熱氣融霜在控制上，要做好制冷和融霜循環切換時蒸發器盤管內部液體充分排空，并保證足夠的盤管滴水時間。

圖2 熱氣融霜并聯壓縮機組

蒸發溫度回擲也是節能控制的一個有效方法。在寒冷的季節，或者是夜間庫門長時間關閉的時間段，由于保溫效果好，負荷較低，此時可將機組的蒸發壓力對應的飽和蒸發溫度人為升高2°C，仍可以保證有效的庫溫，同時，系統效率可實現明顯提高。

此外，熱回收也是值得關注的節能技術。最常見的是回收熱水，適合需要熱水清洗潔具的加工間、預熱工藝熱水、空間取暖等場合。另外，熱水還可以用于冷庫地坪下面防凍。其控制原理是，在壓縮機組排氣管上加裝排氣三通閥，當水溫降低到一定值，則控制三通閥做排氣切換，讓熱氣進入熱回收換熱器，加熱熱水，然后再流入正常的冷凝器。當水溫到達55°C或設定值后，控制三通閥再次切換，熱氣直接進入正常的冷凝器。由于壓縮機排氣溫度在100°C上下，與電加熱熱水器比，水熱交換器表面不容易結垢。熱回收器具有合理的換熱面積，熱水升溫顯著。

三是集中監控與移動管理。大型冷庫的規模通常達到1萬噸以上，靠人工查看并記錄每個庫溫和機組運行狀況費時費力，且人力成本很高，因此越來越多的冷庫需要集中監控冷庫系統的各項參數。控制方案是各個獨立的蒸發器/庫房裝有溫控器，控制制冷和除霜，壓縮機組上裝有控制機組和冷凝器、油冷卻器的主控制器，控制器都帶有RS485接口，相互間用MODBUS通訊。在監控人員的辦公室里，設有組態軟件編寫的集中控制程序與所有的控制器進行實時通訊，采集所有的系統運行參數和報警參數，并可設定參數。如果業主在不同地區有多個項目，則可同時在總部通過網絡獲取或監視各項目信息。

現在物聯網技術和云控制技術方興未艾，各種硬件設備通過無線網絡相互聯系通訊，并結合云控制技術和移動網絡，給人類生活帶來了巨大的變化。科立德制冷在2015年年底研發出了國內真正意義上的針對冷庫/超市/便利店的iCool云智能控制系統。自主研發的機組和蒸發器的控制器上分別設計有無線通訊模塊，配有智能監控觸摸屏。用戶根據自己的實際需求安裝任意數量的機組和蒸發器，本地項目的所有設備組成一個系統，不同項目又可統一納入管理。機組/蒸發器設備間無需布線就可以在100米范圍內相互無線通訊，并通過用戶的任意商用Wifi路由器，將系統的各項運行數據發送到云服務器上。這些數據包括運行參數、報警參數、控制參數、人員操作信息等。服務器后臺軟件加工處理這些數據，并把一些數據推送到用戶的智能手機APP上。用戶在任何時刻任何地方，只要能聯網，都可實時獲得其不同地區不同項目的冷庫參數，如冷庫運行狀態、庫溫、開關門狀態、電量消耗以及報警等信息。用戶也可從手機APP端設置冷庫的定時開/關、庫溫目標值，啟用/關閉夜間節能、降噪功能。借助于分析上傳到云服務器上更專業的深層次的設備運行參數，科立德制冷可以給用戶提供增/流通環節可以全程記錄溫度數據，并可提交給第三方，iCool系統可以很好地實現此功能。

圖3 iCool云智能管理系統架構及智能手機APP

記者：請展望冷庫溫控自動化技術的發展方向。

李世崗：隨著冷庫功能升級，冷庫溫控自動化技術將得到不斷發展，我認為，今后的方向包括以下幾點：

第一，云控制技術以及移動控制會越來越普及，不僅是復雜的控制板，甚至是獨立的傳感器也可以實現直接上傳數據。進一步完善后臺智能診斷功能，可給客戶帶來更高的增值服務，用戶使用起來將更加簡單、容易。

第二，隨著全程冷鏈物流的不斷推進，今后必然要求各冷鏈環節間的數據可實現自動交換，將來的控制系統間將形成統一的冷鏈溫度協議。

第三，在傳統的制冷控制里，電子膨脹閥會更多地代替熱力膨脹閥。

另外，我認為，智能化霜技術會得到更多的研究和實踐。

來源：本文選自《物流技術與應用》冷鏈增刊2016年9期，轉載請注明來源。

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