基于PLC的節(jié)能制冷系統(tǒng)設(shè)計

張陽+單海校+周東柳

摘 要：為解決當(dāng)前冷庫能耗量大的問題，采用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制，并結(jié)合觸摸屏與變頻技術(shù)，通過變頻器改變壓縮機、冷凝風(fēng)機、蒸發(fā)風(fēng)機轉(zhuǎn)速來改變制冷劑的流量，最終實現(xiàn)對冷庫壓力、溫度的控制、監(jiān)控與報警。選用實際溫度作為反饋信號，調(diào)節(jié)冷庫內(nèi)的溫度，提高系統(tǒng)的溫控精度，延長使用壽命，實現(xiàn)高效節(jié)能。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻 冷庫 節(jié)能

引言

隨著世界經(jīng)濟逐步回升和結(jié)構(gòu)調(diào)整加快，能源日趨匱乏，我國經(jīng)濟也進入了快速成長期，但能源的匱乏與經(jīng)濟增長的矛盾日益突出，國家也提出了節(jié)能型社會。冷庫制冷系統(tǒng)的耗電量相當(dāng)?shù)拇?，研發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能的冷庫制冷系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

制冷系統(tǒng)的自動控制是節(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實現(xiàn)冷庫制冷系統(tǒng)的自動控制，并結(jié)合使用觸摸屏與變頻器，監(jiān)控冷庫制冷系統(tǒng)以及實現(xiàn)壓縮機、冷凝風(fēng)機、蒸發(fā)風(fēng)機的變頻調(diào)速。

冷庫制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與原理

1、結(jié)構(gòu)組成

冷庫制冷系統(tǒng)有速凍、升溫、冷藏、除霜等主要功能。冷庫制冷系統(tǒng)主要有變頻壓縮機、變頻蒸發(fā)風(fēng)機、夜視鏡、高效過冷器、變頻冷凝風(fēng)機、干燥過濾器、各種電磁閥和其他閥等組成。為了使冷庫制冷系統(tǒng)安全運行，在變頻壓縮機上設(shè)置了高壓報警、高溫報警、低壓報警、相序報警，并分別通過高壓繼電器、高溫開關(guān)、低壓繼電器、相序指示器來實現(xiàn)。

2、冷庫制冷系統(tǒng)原理

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

冷庫制冷系統(tǒng)硬件設(shè)計

冷庫制冷系統(tǒng)的主機使用三菱的FX2N-48MR-001，主要是由CPU、電源、存儲器、I/O接口等組成。由于冷庫冷藏系統(tǒng)需要控制較多的溫度、壓力等模擬量信號，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、報警、通信和控制。觸摸屏通過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RS-485/RS-422或者網(wǎng)線與小型PLC通信以監(jiān)視PLC的運行。觸摸屏實現(xiàn)了冷庫制冷系統(tǒng)的啟?？刂?、設(shè)置冷藏集裝箱箱內(nèi)的溫度、監(jiān)控并及時顯示報警。變頻器選用三菱的FR-F740，變頻器有過流、缺相和短路等保護功能。

1、PLC主機與各個模塊接線圖

PLC主機FX2N-48MR-001通過RS-485串行通信接口把變頻器、觸摸屏進行連接。PLC主機與各個模塊接線圖如圖1所示。

圖1 PLC主機與各個模塊接線圖

2、主電路圖

主電路圖2中相序指示器可以用來監(jiān)控主電路的相序，對電壓失衡、逆序和缺相進行保護，切斷主電路電源，對用電負(fù)載進行有效保護。當(dāng)檢測到相序為正確時，接觸器KM1就會閉合接通，1#變頻器FR-F740啟動，1#變頻器FR-F740得電運行，壓縮機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，壓縮機低速運行，避免了壓縮機的頻繁啟動；變頻器自身帶有過流、過載、缺相、接地、短路等保護功能。當(dāng)檢測到相序為正確時，接觸器KM2就會閉合接通，2#變頻器FR-F740啟動，2#變頻器FR-F740得電運行，冷凝風(fēng)機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，冷凝風(fēng)機低速運行，避免了冷凝風(fēng)機的頻繁啟動。當(dāng)檢測到相序為正確時，接觸器KM3就會閉合接通，3#變頻器FR-F740啟動，3#變頻器FR-F740得電運行，蒸發(fā)風(fēng)機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當(dāng)采集的溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，蒸發(fā)風(fēng)機低速運行，避免了蒸發(fā)風(fēng)機的頻繁啟動。當(dāng)檢測到相序為正確時，接觸器KM4就會閉合接通，電熱融霜加熱器就會啟動加熱，熱繼電器FR1可以對電熱融霜加熱器實現(xiàn)過電流保護。

圖2 主電路圖

3、PLC輸入輸出的接線圖

三菱的FX2N-48MR-001與FX2N-8AD的模擬量輸入模塊連接起來，PLC通過FX2N-8AD的模擬量輸入模塊里的緩沖存儲器對數(shù)據(jù)進行交換、運算以及控制。PLC輸入輸出的接線圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出的接線圖

冷庫制冷系統(tǒng)軟件設(shè)計

1、冷庫制冷系統(tǒng)的流程圖

如圖4所示，系統(tǒng)開始，先設(shè)定溫度值T1，設(shè)定溫度值T1與回風(fēng)溫度值T2進行比較，當(dāng)設(shè)定溫度值T1小于等于回風(fēng)溫度值T2時，進入降溫模式，否則，就進入升溫模式。在降溫模式中，當(dāng)設(shè)定溫度值T1大于-18℃時，進入冷藏模式，否則，就進入速凍模式。系統(tǒng)開始后，計數(shù)器C0計6個數(shù)與6進行比較，當(dāng)計數(shù)器C0大于6時，定時器就會定時20min，每經(jīng)過20min，計數(shù)器C0加1，當(dāng)計數(shù)器C0小于等于6時，開始除霜。

2、PLC程序設(shè)計

根據(jù)冷庫制冷系統(tǒng)的控制要求，使用三菱的PLC編程軟件GX Developer對制冷控制系統(tǒng)進行編程。

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

圖4 冷庫制冷系統(tǒng)的流程圖 圖5 融霜模式程序圖

3、觸摸屏界面設(shè)計

打開觸摸屏上的制冷系統(tǒng)啟動界面、監(jiān)視界面與報警界面，可以看到制冷系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、報警面板，工作人員可以通過界面對制冷系統(tǒng)進行啟動、停止、監(jiān)控與報警。監(jiān)視界面可以實時監(jiān)控并顯示系統(tǒng)的壓力、溫度的數(shù)值。報警界面可以對系統(tǒng)故障實時報警，提醒工作人員及時處理系統(tǒng)故障。

結(jié)語

采用PLC控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的自動化水平，并使其使用和維護更加簡便，保證了系統(tǒng)的長時間安全無故障運行。系統(tǒng)采用觸摸屏與變頻技術(shù)，實現(xiàn)了對冷庫制冷系統(tǒng)的監(jiān)控，解決了壓縮機、冷凝風(fēng)機、蒸發(fā)風(fēng)機的頻繁啟動，縮短了控制系統(tǒng)的滯后時間，延長了使用壽命，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