基于PLC的節(jié)能制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張陽(yáng)+單海校+周東柳

摘 要：為解決當(dāng)前冷庫(kù)能耗量大的問(wèn)題，采用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制，并結(jié)合觸摸屏與變頻技術(shù)，通過(guò)變頻器改變壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變制冷劑的流量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)壓力、溫度的控制、監(jiān)控與報(bào)警。選用實(shí)際溫度作為反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)冷庫(kù)內(nèi)的溫度，提高系統(tǒng)的溫控精度，延長(zhǎng)使用壽命，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻 冷庫(kù) 節(jié)能

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)逐步回升和結(jié)構(gòu)調(diào)整加快，能源日趨匱乏，我國(guó)經(jīng)濟(jì)也進(jìn)入了快速成長(zhǎng)期，但能源的匱乏與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的矛盾日益突出，國(guó)家也提出了節(jié)能型社會(huì)。冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的耗電量相當(dāng)?shù)拇螅邪l(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能的冷庫(kù)制冷系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制是節(jié)能和提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一。本文使用三菱的PLC實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并結(jié)合使用觸摸屏與變頻器，監(jiān)控冷庫(kù)制冷系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與原理

1、結(jié)構(gòu)組成

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)有速凍、升溫、冷藏、除霜等主要功能。冷庫(kù)制冷系統(tǒng)主要有變頻壓縮機(jī)、變頻蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、夜視鏡、高效過(guò)冷器、變頻冷凝風(fēng)機(jī)、干燥過(guò)濾器、各種電磁閥和其他閥等組成。為了使冷庫(kù)制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行，在變頻壓縮機(jī)上設(shè)置了高壓報(bào)警、高溫報(bào)警、低壓報(bào)警、相序報(bào)警，并分別通過(guò)高壓繼電器、高溫開(kāi)關(guān)、低壓繼電器、相序指示器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、冷庫(kù)制冷系統(tǒng)原理

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的PLC主機(jī)與變頻器結(jié)合使用，通過(guò)改變變頻器的輸出頻率改變制冷壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變制冷劑流量的大小，控制制冷功率，調(diào)節(jié)冷庫(kù)內(nèi)的溫度。選用實(shí)際溫度作為反饋信號(hào)參數(shù)，使冷庫(kù)內(nèi)的溫度穩(wěn)定維持在設(shè)定溫度，可以避免壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的頻繁起動(dòng)，延長(zhǎng)使用壽命，并使冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳效果，達(dá)到了安全可靠運(yùn)行和高效節(jié)能的目的。

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的主機(jī)使用三菱的FX2N-48MR-001，主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器、I/O接口等組成。由于冷庫(kù)冷藏系統(tǒng)需要控制較多的溫度、壓力等模擬量信號(hào)，因此，可以使用FX2N-8AD的模擬量輸入模塊。觸摸屏選用三菱的GT1155系列，觸摸屏控制主要功能有監(jiān)視、報(bào)警、通信和控制。觸摸屏通過(guò)多種通信方式可與多種設(shè)備直接連接，以以太網(wǎng)的形式組成網(wǎng)絡(luò)化控制，通過(guò)RS-485/RS-422或者網(wǎng)線(xiàn)與小型PLC通信以監(jiān)視PLC的運(yùn)行。觸摸屏實(shí)現(xiàn)了冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的啟停控制、設(shè)置冷藏集裝箱箱內(nèi)的溫度、監(jiān)控并及時(shí)顯示報(bào)警。變頻器選用三菱的FR-F740，變頻器有過(guò)流、缺相和短路等保護(hù)功能。

1、PLC主機(jī)與各個(gè)模塊接線(xiàn)圖

PLC主機(jī)FX2N-48MR-001通過(guò)RS-485串行通信接口把變頻器、觸摸屏進(jìn)行連接。PLC主機(jī)與各個(gè)模塊接線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 PLC主機(jī)與各個(gè)模塊接線(xiàn)圖

2、主電路圖

主電路圖2中相序指示器可以用來(lái)監(jiān)控主電路的相序，對(duì)電壓失衡、逆序和缺相進(jìn)行保護(hù)，切斷主電路電源，對(duì)用電負(fù)載進(jìn)行有效保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到相序?yàn)檎_時(shí)，接觸器KM1就會(huì)閉合接通，1#變頻器FR-F740啟動(dòng)，1#變頻器FR-F740得電運(yùn)行，壓縮機(jī)低頻軟啟動(dòng)，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運(yùn)行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時(shí)，溫度控制信號(hào)就會(huì)改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，壓縮機(jī)低速運(yùn)行，避免了壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)；變頻器自身帶有過(guò)流、過(guò)載、缺相、接地、短路等保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到相序?yàn)檎_時(shí)，接觸器KM2就會(huì)閉合接通，2#變頻器FR-F740啟動(dòng)，2#變頻器FR-F740得電運(yùn)行，冷凝風(fēng)機(jī)低頻軟啟動(dòng)，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運(yùn)行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時(shí)，溫度控制信號(hào)就會(huì)改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，冷凝風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，避免了冷凝風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到相序?yàn)檎_時(shí)，接觸器KM3就會(huì)閉合接通，3#變頻器FR-F740啟動(dòng)，3#變頻器FR-F740得電運(yùn)行，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)低頻軟啟動(dòng)，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運(yùn)行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時(shí)，溫度控制信號(hào)就會(huì)改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，避免了蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到相序?yàn)檎_時(shí)，接觸器KM4就會(huì)閉合接通，電熱融霜加熱器就會(huì)啟動(dòng)加熱，熱繼電器FR1可以對(duì)電熱融霜加熱器實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。

圖2 主電路圖

3、PLC輸入輸出的接線(xiàn)圖

三菱的FX2N-48MR-001與FX2N-8AD的模擬量輸入模塊連接起來(lái)，PLC通過(guò)FX2N-8AD的模擬量輸入模塊里的緩沖存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、運(yùn)算以及控制。PLC輸入輸出的接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出的接線(xiàn)圖

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的流程圖

如圖4所示，系統(tǒng)開(kāi)始，先設(shè)定溫度值T1，設(shè)定溫度值T1與回風(fēng)溫度值T2進(jìn)行比較，當(dāng)設(shè)定溫度值T1小于等于回風(fēng)溫度值T2時(shí)，進(jìn)入降溫模式，否則，就進(jìn)入升溫模式。在降溫模式中，當(dāng)設(shè)定溫度值T1大于-18℃時(shí)，進(jìn)入冷藏模式，否則，就進(jìn)入速凍模式。系統(tǒng)開(kāi)始后，計(jì)數(shù)器C0計(jì)6個(gè)數(shù)與6進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器C0大于6時(shí)，定時(shí)器就會(huì)定時(shí)20min，每經(jīng)過(guò)20min，計(jì)數(shù)器C0加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器C0小于等于6時(shí)，開(kāi)始除霜。

2、PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的控制要求，使用三菱的PLC編程軟件GX Developer對(duì)制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。

在融霜模式中，當(dāng)計(jì)數(shù)器（C0）計(jì)6個(gè)數(shù)與6比較大小，當(dāng)計(jì)數(shù)器大于6時(shí)，通用輔助繼電器（M52、M53）就會(huì)閉合接通，定時(shí)器（T7）定時(shí)20min，每經(jīng)過(guò)20min，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器小于等于6時(shí)，開(kāi)始除霜，通用輔助繼電器（M51）和融霜啟動(dòng)（X13）就會(huì)閉合接通，電熱融霜加熱器接觸器（Y3）得電，定時(shí)器（T8）定時(shí)2S后，熱氣電磁閥（Y6）得電，電熱融霜加熱器啟動(dòng)，進(jìn)行融霜。融霜模式程序圖如圖5所示。

圖4 冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的流程圖 圖5 融霜模式程序圖

3、觸摸屏界面設(shè)計(jì)

打開(kāi)觸摸屏上的制冷系統(tǒng)啟動(dòng)界面、監(jiān)視界面與報(bào)警界面，可以看到制冷系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、報(bào)警面板，工作人員可以通過(guò)界面對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、監(jiān)控與報(bào)警。監(jiān)視界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示系統(tǒng)的壓力、溫度的數(shù)值。報(bào)警界面可以對(duì)系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)處理系統(tǒng)故障。

結(jié)語(yǔ)

采用PLC控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，并使其使用和維護(hù)更加簡(jiǎn)便，保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間安全無(wú)故障運(yùn)行。系統(tǒng)采用觸摸屏與變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的監(jiān)控，解決了壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，縮短了控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間，延長(zhǎng)了使用壽命，減少了系統(tǒng)控制誤差，提高了系統(tǒng)的控制精度，使冷庫(kù)的溫度達(dá)到最佳控制效果，提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。

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（作者單位：浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院）endprint