基于PLC的艦船冷藏裝置改進設計

鄧博宇，于 飛

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基于PLC的艦船冷藏裝置改進設計

鄧博宇，于 飛

（海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

針對目前艦船廣泛采用的接觸器控制電路存在結構復雜、可靠性差等缺陷，為完善其功能，本文采用PLC控制，改進設計冷藏控制系統，并進行了裝置模擬運行實驗，簡化了系統結構，擴展了裝置功能，提升了控制的自動化程度。

船用冷藏裝置 PLC 自動控制 接觸器控制

0 引言

艦艇冷藏系統用于冷藏食品，實現對存儲蔬菜、水果、鮮蛋的冷藏保鮮以及魚、肉類食品的冷凍保存，保證艦員營養、改善艦員伙食。制冷系統的自動控制是提高制冷品質的最有效手段之一。采用自動控制可以保證庫溫穩定，還可以使冷庫制冷系統運行中的溫度、壓力、液位等狀態參數保持在要求的范圍內，保證系統安全高效運行。據統計，冷庫制冷系統采用自動控制比手動控制可節能10% ~ 15%[1]。目前，艦艇冷藏裝置控制系統廣泛采用的是傳統的接觸器—繼電器控制方式，其功能固定，成本低廉，安全性好。但是在日常使用中，其系統復雜、可靠性差[2]等諸多缺陷也慢慢凸顯。而PLC（可編程邏輯控制器）作為廣泛應用于電氣控制領域應用的又一個產品，可應用于各種規模的工業控制場合。本文基于可編程邏輯控制器（PLC）開發一種更先進的冷藏系統自動控制系統，可以簡化裝置結構，使得裝置的穩定可靠性、使用靈活性、操作維護度大大改善，同時其價格便宜、功能齊全，減少了設備體積，方便各類裝備的布置。

1 冷藏裝置

1.1系統組成及工作原理

冷藏裝置主電路由380V交流電供電，主要包括接觸器、熱繼電器、壓縮機、水泵和高低溫庫冷風機的電動機及其電源開關和融霜加熱器。主電路如圖1所示。

其基本控制原理如下：

制冷過程：水泵啟動，提供冷卻水，為制冷媒質實現降溫。壓縮機將低溫低壓的氣態制冷劑壓縮成為高溫高壓的氣態制冷劑，然后通過冷凝器冷卻降溫變成低溫低壓的液態制冷劑。

圖1冷藏控制裝置主電路

制冷工質經過節流膨脹閥，進入冷庫的蒸發器突然膨脹汽化，同時從冷庫中吸收大量的熱，使冷庫降溫從而達到制冷的效果。高溫高壓的氣態制冷劑回到空氣壓縮機，如圖2所示，至此，完成一個循環。如此經過多次循環，冷藏庫的溫度不斷降低，當達到系統規定值的時候，冷藏裝置自動停止工作。當溫度感應器感應到冷庫再次升溫至啟動值時，裝置啟動制冷。

冷藏裝置工作過程除制冷過程外還包括其它輔助過程：

融霜和加熱：散熱器的管外壁溫度低，空氣中的水蒸氣易在散熱器表面結霜，導致系統制冷量減少，經濟性變差；同時，霜層過厚，會堵塞肋片間通道，減少通風量，從而導致制冷量不足，所以應進行融霜。

圖2制冷裝置循環系統組成示意圖

壓縮機油加熱：使壓縮機潤滑油保持一定的溫度，從而減少制冷劑在油中溶解的比例，避免壓縮機啟動后，產生液壓縮[3]，降低制冷效果。防止天冷的時候油與制冷劑混合物粘度過大使得壓縮機啟動壓力過大，通過壓縮機油加熱，維持一定油溫，保證潤滑油粘度及流動性。

1.2傳統控制電路

某船冷藏裝置控制電路通過接觸器—繼電器完成對主電路自動控制，使高低溫冷庫維持一定的低溫，同時對系統及工作電路設置保護，實現較為穩定的制冷效果。

圖3冷藏裝置控制電路圖

控制電路由制冷控制電路和保護報警電路兩部分組成，包括溫控電路、電動機控制電路、電磁閥控制電路以及設置了高壓、低壓、油壓三重保護的保護電路，如圖3所示。

由于電路的各特性限制，控制實現更加復雜而且容易出錯。

由圖可看出，制冷控制分為手動、自動兩個檔位，當轉換開關調至“自動”檔時，溫控電路中溫度調節器感應冷庫溫度并自動控制制冷。但如果溫控電路轉換開關5SA調至“兩庫”，此時其觸點1-2、3-4同時閉合，造成一個溫度繼電器的觸頭K1（或K2）被短接，使得溫度自動控制不正常。只有把5SA置于“高溫庫”或者“低溫庫”位置時，才能避免自動控制出錯，因此在使用上容易引起誤操作。

此外，該控制電路如果出現故障和保護，系統只能停機報警，而不能指示故障原因，不利于故障查找修復。因此有必要運用PLC簡化控制電路，完善系統功能。

2 基于PLC的控制系統設計

根據冷藏裝置控制的功能要求，在采用PLC控制的時候為保證控制的可靠性與靈活性，同樣設計成自動控制和手動控制兩種工作方式。在自動模式下，系統傳感器及控制電路根據冷庫實際溫度和制冷目標溫度來自動控制系統的制冷過程。手動模式下，需要用戶直接操作系統啟停。

為了增強冷藏裝置的可維修性，在PLC改造時增設系統故障指示。當系統高壓、低壓、油壓保護觸發時，裝置自動停機，同時發出相應的燈光報警來指明故障原因，有利于故障的快速修復以及系統可靠性的提高。

同時，考慮到冷藏裝置排水管易凍結，在制冷裝置開始運行工作前，預先設定加熱冷庫排水管路。

2.1硬件設計

可編程控制器PLC，英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱可編程邏輯控制器，是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。PLC因其具有通用性強、使用方便、適用面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點[4]，已成為工業控制領域中不可或缺的一種控制裝置。

本系統共有輸入信號23個，除水泵、壓縮機啟停按鈕，轉換開關等開關輸入量外，還包括電動機熱保護、溫度感應控制器及系統保護量等在內的控制輸入量。輸出信號15個，包括水泵、壓縮機、冷風機的啟停控制、融霜加熱以及保護報警等。

根據上述信號需求，選用西門子S7-200 PLC， CPU型號為 226CN，該PLC的I/O數量為24/16，可以滿足本系統控制需求。根據系統功能設計了PLC接線圖，如圖4所示。

2.2軟件設計

裝置工作流程如圖5所示，當選擇自動模式時，系統溫度感應器感應冷庫溫度，判斷是否高于最高允許溫度。若是超溫，在系統準備過程先進行排水管的加熱，以保證裝置正常運行。待該過程完成后再啟動水泵，經延時后壓縮機啟動、電磁總閥打開。待工作一段時間后，判斷是哪個冷庫超溫，啟動對應的冷庫風機，打開相應電磁閥，裝置開始制冷工作。當冷庫降溫至預設低溫時，相應冷庫電磁閥關閉，延遲一段時間后壓縮機停機。當兩庫都到達預設低溫時，各自冷風機都會停機。此時說明制冷工況結束，水泵、壓縮機以及總閥關停。至此一個工作過程結束。此外操作者根據實際需要，直接控制系統融霜。

系統設置了高壓保護、低壓保護以及油壓保護，當系統傳感器感應量達到閥值，立即向控制電路輸送信號，觸發保護報警。在程序設計中，當任一傳感器向PLC輸入端子發送信號，PLC控制水泵、壓縮機、冷風機的接觸器立即斷開，系統停機。同時，PLC輸出控制信號，電鈴得電響起，相應故障指示燈點亮。

3 實驗驗證

3.1裝置測試

本次實驗用于測試PLC控制的冷藏裝置的功能，實驗電路如圖6所示。

1）自動制冷測試

選擇自動制冷，看到PLC I0.0口點亮，同時Q2.6有輸出指示，排水管加熱器模擬燈光亮起。約持續兩分鐘后，排水管加熱器模擬燈光熄滅，水泵M2、高低溫冷風機M3、 M4啟動，電磁閥總閥YV1、高溫閥YV2、低溫閥YV3模擬燈光點亮。

圖4PLC控制電路接線圖

圖5自動制冷工作流程圖

圖6測試裝置

待系統制冷運行5分鐘后，模擬冷庫均達到預定低溫。高、低溫庫溫度繼電器開關閉合， I0.7、I1.0得電，PLC無輸出開關量，冷風機、壓縮機、水泵斷電停機，電磁閥指示燈熄滅，制冷停止。

2）手動高溫庫制冷測試

將“手/自”轉換開關轉向手動擋，選擇手動制冷模式，將溫控開關轉換至“高溫庫”，PLC I0.1口指示燈點亮，I2.4指示點亮，此時高溫庫冷風機啟動，高溫閥YV2指示燈點亮。先后按下水泵啟動、壓縮機啟動按鈕，水泵和壓縮機先后啟動，裝置開始制冷。

3）系統保護測試

PLC控制系統設置了高、低壓保護、油壓保護、熱保護三重保護。實驗中通過輸入開關量來模擬保護信號對裝置保護功能進行驗證。

例如，當系統處于“自動制冷”工況時。閉合模擬壓縮機吸入壓力過低的開關， I0.5得電，此時電磁閥指示燈立即熄滅，高溫庫風機、壓縮機、水泵隨即停機，制冷停止。同時，系統聲光警報響起，故障指示燈顯示故障原因為低壓，實現了保護停機和故障指示功能。

3.2實驗結論

通過實物檢測制冷裝置的“自動制冷”、“手動控制制冷”“高壓保護”等功能，證明基于PLC改進設計的冷藏裝置控制系統初步具備完善的自動/手動制冷功能、系統保護功能、狀態檢測功能，而且大大優化了系統結構，簡化實驗電路，具有較強的實用性、操作性和可推廣性。此次設計功能基本實現。

4 結論

考慮到原有接觸器控制的冷藏裝置存在功能單一、結構復雜等問題，本文基于PLC，通過硬件電路設計與軟件編程，實現了系統軟硬件的完整結合，完成了對冷藏裝置各部分的自動化控制。簡化了裝置結構、增設了故障指示，完善了系統功能，提高冷藏系統的可操作性、可靠性、可維修性，更好地保障艦員的生活補給，具有較大的應用價值。

[1] 胡日剛. 淺談PLC在自動化冷庫中的應用. 制冷與空調, 2013,(6):32-35.

[2] 蔡杏山.零起步輕松學習西門子S7-200PLC技術[M]. 人民郵電出版社, 2010.

[3] 魏永清. 艦船電力拖動裝置[M]. 海軍工程大學出版社, 2011.

[4] 楊后川. 西門子S7-200編程速學與快速應用[M].電子工業出版, 2010.

PLC-based Modification of Marine Refrigeration

Deng Boyu, Yu Fei

(College of Electrical Engineering and Science, Naval University of Engineering, 430033, China)

TM572

A

1003-4862（2017）05-0069-05

2017-01-15

鄧博宇(1995-)，男，學士。研究方向：艦船電氣設備。