基于PLC和觸摸屏技術(shù)的船舶伙食冷庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 峰，張均東，封志強(qiáng)

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

各類運(yùn)輸船舶尤其是遠(yuǎn)洋船舶，為了滿足船員的生活需要，必須隨船儲存蔬菜、水果、鮮蛋等的低溫保鮮，以及肉、魚、禽類等食品的凍結(jié)、冷藏，以防食品變質(zhì)［1］。某教學(xué)實(shí)習(xí)船是1艘遠(yuǎn)洋實(shí)習(xí)船，船上的船員和實(shí)習(xí)生通常200多人，該實(shí)習(xí)船的伙食冷庫和制冷裝置容量較大，對制冷控制系統(tǒng)的可靠性要求也較高?？删幊炭刂破?(PLC)具有體積小、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、靈活通用與維修方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已在船舶自動化機(jī)艙、工業(yè)自動控制等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用西門子PLC作為控制核心，通過西門子觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)可滿足伙食冷庫的控制要求。

1 伙食冷庫控制系統(tǒng)

1.1 伙食冷庫系統(tǒng)構(gòu)成

此教學(xué)實(shí)習(xí)船伙食冷庫制冷系統(tǒng)擁有5個(gè)冷庫，分別為肉庫 (77 m3，-22℃)、魚庫 (39.3 m3，-22℃)、蔬菜庫 (102.6 m3，+2℃)、干貨庫 (47 m3，±15℃)、糧食庫 (41.8 m3，+12℃)。肉庫、魚庫和蔬菜庫配備融霜裝置，肉庫、魚庫還配備排水管的加熱電纜。肉庫、魚庫、菜庫每天自動融霜3次。有2臺制冷壓縮機(jī)，型號為4 H.2Y，制冷量為15.6 kW，1臺為備用，2臺壓縮機(jī)可同時(shí)運(yùn)行也可單獨(dú)運(yùn)行，其中1臺故障停機(jī)時(shí)可自動啟動另1臺壓縮機(jī)，每臺壓縮機(jī)依靠吸氣壓力可在100% ～50%2檔進(jìn)行容量控制。在壓縮機(jī)曲軸箱內(nèi)，設(shè)有電加熱器，在壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)投入工作，防止冷劑融入油中過多而在啟動壓縮機(jī)時(shí)發(fā)生奔油現(xiàn)象，當(dāng)壓縮機(jī)投入工作時(shí)，電加熱器停止工作。壓縮機(jī)還配有高低壓繼電器、油壓差繼電器等。該伙食冷庫制冷系統(tǒng)還有滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的其他必要設(shè)備，如溫度繼電器、供液電磁閥、冷卻水量調(diào)節(jié)閥等。

伙食冷庫的控制系統(tǒng)需將各冷庫的庫溫控制在設(shè)定的溫度范圍中，對低溫庫的蒸發(fā)器及時(shí)融霜防止結(jié)霜層太厚降低冷卻效率;依據(jù)各冷庫的冷卻情況可自動啟停壓縮機(jī)，1臺壓縮機(jī)出現(xiàn)故障或運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)長時(shí)可自動切換另1臺壓縮機(jī)啟動，并實(shí)時(shí)監(jiān)測壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)若出現(xiàn)異常情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，伙食冷庫制冷控制系統(tǒng)采用2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，管理層和現(xiàn)場控制層［2］。管理層采用西門子TP 177B 6″color觸摸屏，完成實(shí)際庫溫顯示、設(shè)定庫溫控制范圍、融霜時(shí)間設(shè)定、手動融霜、監(jiān)測報(bào)警等功能。現(xiàn)場控制層采用西門子S7-300系列PLC，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和邏輯控制。管理層和現(xiàn)場控制層通過串口總線連接，PLC將數(shù)據(jù)經(jīng)RS485串口傳送到觸摸屏進(jìn)行顯示和存儲處理，操作人員可通過觸摸屏對伙食冷庫系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制指令通過串口電纜發(fā)送給PLC，由PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。在滿足自動控制要求的同時(shí)盡量節(jié)約成本，完成了PLC硬件模塊的選型。

將外部電路、儀表和開關(guān)集成在1個(gè)控制箱中，控制箱內(nèi)裝有控制電源的變壓器、每個(gè)壓縮機(jī)馬達(dá)的啟動器及運(yùn)行計(jì)時(shí)器、每個(gè)壓縮機(jī)高壓和油壓遙控報(bào)警觸點(diǎn)、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)、電流表、電融霜控制器、手動融霜開關(guān)、斷電后壓縮機(jī)延時(shí)啟動器、報(bào)警顯示燈和公共報(bào)警輸出、空間加熱器運(yùn)行指示燈等。

圖1 伙食冷庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 PLC軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采用的編程語言是梯形圖和語句表，采用結(jié)構(gòu)化編程。OB1負(fù)責(zé)各功能塊的調(diào)用，所有功能在功能塊中實(shí)現(xiàn)，添加了優(yōu)先級故障組織塊(OB85)、通訊故障組織塊 (OB87)和I/O訪問故障組織塊 (OB122)［3］。程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出、壓縮機(jī)與冷庫的控制、監(jiān)測報(bào)警3部分。

1)數(shù)據(jù)輸入輸出。將PLC采集的信號及需要輸出的信號存儲在一個(gè)共同的數(shù)據(jù)塊中，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和程序調(diào)試。

2)壓縮機(jī)與冷庫的控制。主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟停與卸載、冷庫的溫度及融霜控制。

3)監(jiān)測報(bào)警。實(shí)時(shí)地、自動地監(jiān)測系統(tǒng)中各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測壓縮機(jī)運(yùn)行情況、冷庫溫度是否正常，若出現(xiàn)異常情況進(jìn)行相應(yīng)的處置并在顯控屏上發(fā)出報(bào)警信號。

2 控制功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 壓縮機(jī)自動啟停卸載控制

制冷壓縮機(jī)的啟停和卸載由制冷壓縮機(jī)低壓繼電器、吸氣壓力傳感器、卸載電磁閥和PLC共同控制。在制冷過程中，制冷劑在蒸發(fā)器中氣化吸收熱量使冷庫的溫度降低，壓縮機(jī)的吸氣壓力會上升，當(dāng)吸氣壓力到達(dá)低壓繼電器設(shè)定壓力范圍的上限值時(shí)，低壓繼電器的觸點(diǎn)閉合，輸入開關(guān)量信號至PLC，PLC經(jīng)過邏輯運(yùn)算在其它啟動條件滿足時(shí)啟動壓縮機(jī)，此時(shí)卸載電磁閥通電，壓縮機(jī)處于卸載運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)吸氣端的壓力傳感器將吸氣壓力信號輸入至PLC，若吸氣壓力繼續(xù)升高，達(dá)到卸載壓力的預(yù)設(shè)值時(shí)PLC控制卸載電磁閥斷電，壓縮機(jī)進(jìn)入全載運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)的停止由低壓繼電器和PLC共同控制，當(dāng)各庫庫溫先后到達(dá)設(shè)定溫度范圍下限值使溫度繼電器陸續(xù)斷電后，供液電磁閥關(guān)閉，制冷劑停止進(jìn)入蒸發(fā)器，隨著壓縮機(jī)運(yùn)行吸氣壓力低于低壓繼電器壓力范圍下限值時(shí)，低壓繼電器的觸點(diǎn)斷開，PLC檢測到低壓繼電器的斷開狀態(tài)，控制壓縮機(jī)停機(jī)［4］。

2.2 冷庫溫度自動控制

通過溫度繼電器、供液電磁閥和PLC共同控制使各庫的溫度穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)，冷庫的溫度范圍可以在顯控屏上進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)冷庫溫度到達(dá)設(shè)定溫度范圍的上限時(shí)，溫度繼電器閉合，PLC控制開啟供液電磁閥，冷劑進(jìn)入該庫的蒸發(fā)器使庫溫下降;當(dāng)溫度下降到庫溫設(shè)定范圍的下限值時(shí)溫度繼電器觸點(diǎn)斷開，PLC控制供液電磁閥斷開，冷劑停止進(jìn)入冷庫蒸發(fā)器。

2.3 融霜自動控制

當(dāng)蒸發(fā)器的管外壁溫度低于0℃時(shí)，空氣中的水蒸氣會在蒸發(fā)器表面結(jié)霜，由于霜層的熱導(dǎo)率低，蒸發(fā)器結(jié)霜后會減弱其熱傳導(dǎo)率，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度下降，裝置的制冷量減小，經(jīng)濟(jì)性下降。冷庫冷卻采用的是頂式安裝的冷風(fēng)機(jī)，冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的換熱面積有大約20% 的余量，如果霜層過厚，會堵塞肋片間通道，使通風(fēng)量減少，傳熱變差，導(dǎo)致制冷量不足。所以當(dāng)蒸發(fā)器上的霜層達(dá)到一定厚度時(shí)應(yīng)進(jìn)行融霜。糧庫和干貨庫需要融霜時(shí)，可以通過停止供入冷劑，使庫內(nèi)溫度逐漸升高，當(dāng)庫溫高于0℃時(shí)即可自然融霜。肉庫、魚庫和菜庫配備融霜裝置，肉庫、魚庫還配有排水管的加熱電纜。肉庫、魚庫和菜庫的融霜每天3次，融霜時(shí)間和融霜時(shí)長可在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定。融霜時(shí)PLC控制供液電磁閥關(guān)閉，冷劑停止進(jìn)入冷庫，冷風(fēng)機(jī)停止，排水管加熱器通電。在融霜過程中壓縮機(jī)的吸氣壓力到達(dá)低壓繼電器的下限值時(shí)，融霜停止，可防止霜層提前融完以致蒸發(fā)器管內(nèi)的冷劑壓力和溫度過高［5］。

2.4 冷卻水量自動控制

制冷裝置的冷卻水溫過低時(shí)，若不及時(shí)關(guān)小冷卻水閥調(diào)低流量，冷凝壓力就會太低，使制冷劑的冷凝溫度降低，導(dǎo)致蒸發(fā)器供液不足，蒸發(fā)壓力過低，制冷量減小;而關(guān)小冷卻水閥后，若水溫升高未能及時(shí)將閥開大，冷凝壓力又會過高導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)。該教學(xué)實(shí)習(xí)船是1艘遠(yuǎn)洋船舶，由于航區(qū)的變化快，水溫隨之變化，所以需要對冷卻水量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。在冷卻水管路上設(shè)有溫度傳感器和比例控制閥，溫度傳感器將水溫信號輸入PLC，PLC經(jīng)過計(jì)算后輸出模擬量信號控制比例控制閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水量的自動調(diào)節(jié)。

2.5 壓縮機(jī)滑油壓差低保護(hù)

油壓差繼電器檢測滑油泵的排油壓力與吸氣壓力之差，壓縮機(jī)啟動后當(dāng)油壓差低于設(shè)定值時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合使壓縮機(jī)停機(jī)。當(dāng)壓縮機(jī)啟動之初滑油壓力可能沒有建立，油壓差繼電器的動作需要有一定的延時(shí)，延時(shí)是通過油壓差繼電器中的雙金屬片、電加熱器和隨雙金屬片彎曲變形而動作的延時(shí)開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)油壓過低時(shí)電加熱器通電工作，經(jīng)過一定的延時(shí)雙金屬片彎曲變形導(dǎo)致延時(shí)開關(guān)閉合，PLC檢測到此信號后停止壓縮機(jī)工作，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。需要進(jìn)行復(fù)位后方可再次啟動壓縮機(jī)。

2.6 壓縮機(jī)排氣壓力高保護(hù)

高壓繼電器檢測壓縮機(jī)的排氣壓力，當(dāng)排氣壓力高于設(shè)定值時(shí)，高壓繼電器動作，其常閉觸點(diǎn)斷開，此開關(guān)量信號輸入至PLC，PLC控制壓縮機(jī)停機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號。

2.7 壓縮機(jī)冷卻水壓力低保護(hù)

壓縮機(jī)需要冷卻水進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻水壓力過低時(shí)使壓縮機(jī)不能良好冷卻，此時(shí)應(yīng)有停機(jī)保護(hù)，在冷卻水管路上設(shè)有壓力傳感器將壓力信號輸入至PLC，當(dāng)壓力過低時(shí)PLC會控制壓縮機(jī)停機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號。

3 系統(tǒng)自動控制流程

圖2所示為本設(shè)計(jì)的伙食冷庫系統(tǒng)控制過程流程圖。當(dāng)伙食冷庫控制系統(tǒng)投入工作時(shí)，PLC首先進(jìn)行程序初始化，魚肉庫門加熱器工作以防門結(jié)冰不能開啟，冷庫融霜間隔計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，冷庫溫度繼電器檢測冷庫溫度，壓縮機(jī)低壓繼電器檢測吸口壓力。當(dāng)冷庫溫度達(dá)到設(shè)定溫度范圍的上限值時(shí)，PLC控制供液電磁閥開啟，冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，使冷庫溫度下降，當(dāng)庫溫達(dá)到設(shè)定溫度的下限值時(shí)，PLC控制供液電磁閥關(guān)閉，冷劑停止進(jìn)入蒸發(fā)器。當(dāng)融霜間隔時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)長時(shí)，融霜加熱器、排水管加熱器工作，融霜時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)長時(shí)停止融霜。壓縮機(jī)低壓繼電器檢測吸口壓力到達(dá)設(shè)定范圍的上限值時(shí)，曲軸箱加熱器停止工作，自動啟動冷卻水泵，壓縮機(jī)半載啟動，經(jīng)過短時(shí)間的延時(shí)，吸口壓力若超過卸載壓力，PLC控制卸載電磁閥斷電，壓縮機(jī)進(jìn)入全載運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)運(yùn)行過程中若滑油壓差過低、排氣壓力過高或者冷卻水壓力過低均會使壓縮機(jī)停機(jī)，并發(fā)出報(bào)警。當(dāng)吸口壓力到達(dá)低壓繼電器設(shè)定范圍的下限值時(shí)，PLC控制壓縮機(jī)停機(jī)，曲軸箱加熱器開始工作。在融霜過程中若冷庫溫度到達(dá)冷庫設(shè)定溫度范圍的上限值，停止融霜、供液電磁閥開啟、壓縮機(jī)啟動，開始對冷庫進(jìn)行冷卻。

4 人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)

圖2 伙食冷庫控制系統(tǒng)PLC控制流程圖

本設(shè)計(jì)的人機(jī)界面采用西門子的觸摸屏，應(yīng)用WinCC flexible組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過RS232接口將畫面程序下載到觸摸屏內(nèi)使用［6］。觸摸屏可以實(shí)時(shí)讀取PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PLC的動態(tài)化和可視化。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主畫面、各個(gè)冷庫的控制畫面、壓縮機(jī)控制畫面、報(bào)警畫面和參數(shù)修改畫面。觸摸屏軟件的系統(tǒng)環(huán)境中共設(shè)置了2個(gè)用戶安全等級，其中參數(shù)修改畫面的安全等級為一級，只對某些授權(quán)密碼的安全管理人員開放，這樣可以防止一般操作人員對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行隨意設(shè)置，有效地保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。除參數(shù)設(shè)置畫面外，其他用戶畫面安全等級均設(shè)為零級，不需要密碼登錄即可進(jìn)入。

各冷庫畫面顯示各冷庫的溫度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可以手動控制融霜。壓縮機(jī)畫面顯示滑油壓差、吸氣口壓力、排氣口壓力、冷卻水溫度等參數(shù)信息，可對壓縮機(jī)進(jìn)行手動操作。報(bào)警畫面對報(bào)警信息進(jìn)行顯示，可以查看當(dāng)前故障信息和歷史故障信息。輸入授權(quán)密碼即可進(jìn)入?yún)?shù)修改畫面，可以對冷庫溫度范圍、壓縮機(jī)啟停壓力范圍、冷庫融霜時(shí)間間隔及融霜時(shí)長等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

5 結(jié)束語

采用PLC和觸摸屏技術(shù)滿足了伙食冷庫控制系統(tǒng)的要求，提高了工作可靠性，具有良好的人機(jī)交互界面，可操作性好，大大提高了伙食冷庫控制系統(tǒng)的自動化程度，減少了船員的工作量，符合現(xiàn)代自動化船舶發(fā)展的要求。

［1］陳海泉.船舶輔機(jī) ［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2010.

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