劉煥衛(wèi),周秋淑,王培鳳,王德法

(1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.煙臺(tái)萬(wàn)德嘉空調(diào)設(shè)備有限公司,山東 煙臺(tái) 264000;3.山東東方海洋科技股份有限公司,山東 煙臺(tái) 264003)

應(yīng)用技術(shù)

小型冷庫(kù)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

劉煥衛(wèi)1,周秋淑1,王培鳳2,王德法3

(1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.煙臺(tái)萬(wàn)德嘉空調(diào)設(shè)備有限公司,山東 煙臺(tái) 264000;3.山東東方海洋科技股份有限公司,山東 煙臺(tái) 264003)

為解決小型冷庫(kù)能耗高、溫度波動(dòng)大的問題,采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了上、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和制冷性能實(shí)驗(yàn)．結(jié)果表明:小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)制冷量與壓縮機(jī)輸入功率隨著壓縮機(jī)頻率的升高而增大,而系統(tǒng)性能系數(shù)COP隨著壓縮機(jī)頻率的升高而降低,但仍高于3.7,表明采用PLC自動(dòng)控制運(yùn)行的小型冷庫(kù)具有較好的節(jié)能特性．采用PLC自動(dòng)控制策略的小型冷庫(kù)溫度波動(dòng)±0.3℃,且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行．

小型冷庫(kù);自動(dòng)控制;頻率;制冷性能

隨著人民生活水平的提高,對(duì)小型冷庫(kù)的需求越來(lái)越大,與此同時(shí)對(duì)冷庫(kù)溫度的波動(dòng)要求越來(lái)越小[1]．目前,小型冷庫(kù)多采用繼電器邏輯電路組成的控制器,但是這種控制策略造成冷庫(kù)能耗高、冷庫(kù)溫度波動(dòng)大以及冷庫(kù)溫度調(diào)節(jié)滯后等缺點(diǎn)[2]．可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC[3-6]),它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)．其具有多級(jí)、開放、模塊化、可擴(kuò)展的特點(diǎn),可為冷庫(kù)全自動(dòng)控制提供解決方案,并能確保制冷系統(tǒng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行[7]．因此,其廣泛應(yīng)用于冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制．張君艷等[8]對(duì)PLC在小型冷庫(kù)恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,給出了制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、PLC控制的工藝流程及PLC的程序圖．李忠等[9]將PLC控制系統(tǒng)和變頻器對(duì)半封閉螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行控制并對(duì)其進(jìn)行了變頻調(diào)節(jié)研究,達(dá)到了大型冷庫(kù)節(jié)能降耗的目的．本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室一小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制,對(duì)其上、下位機(jī)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì),并進(jìn)行了制冷性能實(shí)驗(yàn)研究．

1 小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)

小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)原理如圖1．該制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括2臺(tái)并聯(lián)的變頻渦旋壓縮機(jī)、蒸發(fā)式冷凝器、冷風(fēng)機(jī)、膨脹閥以及一些輔助設(shè)備,如油分離器、氣液分離器、高壓貯液器、截止閥、干燥過(guò)濾器等組成．

系統(tǒng)回路包括高壓氣體回路、高壓液體回路、低壓氣體回路、低壓液體回路、潤(rùn)滑油回路．渦旋壓縮機(jī)可通過(guò)變頻器在30～100 Hz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)．蒸發(fā)器出口的過(guò)熱度通過(guò)電子膨脹閥來(lái)調(diào)節(jié)．

該小型冷庫(kù)試驗(yàn)系統(tǒng)采用上、下位機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)控界面予以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)且無(wú)人值守運(yùn)行．為此,小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)采用PLC S7-200CPU型號(hào),其模塊配置如表1．

圖1 小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)原理

表1 PLC模塊及其功能參數(shù)

上、下位機(jī)控制界面分為自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控界面(圖2,圖3)、壓縮機(jī)運(yùn)行監(jiān)控界面、膨脹閥運(yùn)行監(jiān)控界面、變頻器運(yùn)行監(jiān)控界面等．

圖2 上位機(jī)自動(dòng)控制監(jiān)控界面

圖3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

對(duì)采用PLC自動(dòng)控制的小型冷庫(kù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．重點(diǎn)分析冷庫(kù)溫度隨運(yùn)行時(shí)間波動(dòng)變化規(guī)律,以及反應(yīng)制冷系統(tǒng)能耗指標(biāo)的制冷系統(tǒng)制冷量、壓縮機(jī)輸入功率以及制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系．

實(shí)驗(yàn)通過(guò)PLC自動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)溫度的精確控制,實(shí)驗(yàn)參數(shù)由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)保存．圖4為制冷系統(tǒng)壓焓圖．

圖4 制冷系統(tǒng)p-h

制冷系統(tǒng)單位制冷量(kJ/kg),q0=h1′-h5;

壓縮機(jī)單位比功(kJ/kg),w0=h2-h1′;

該制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量(kg/s),qm=qv/3 600v;

其中:h1′、h2、h5分別為制冷劑各狀態(tài)點(diǎn)比焓值(kJ/kg);qv為制冷劑體積流量(m3/h);v為壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)比體積(m3/kg)．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

壓縮機(jī)頻率對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響較大,本實(shí)驗(yàn)主要研究壓縮機(jī)頻率對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響規(guī)律．圖5為制冷系統(tǒng)制冷量與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系．

圖5 制冷量與壓縮機(jī)頻率關(guān)系

由圖5可以看出,隨著壓縮機(jī)頻率的增加,系統(tǒng)的制冷量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),壓縮機(jī)頻率由40 Hz增加到80 Hz,制冷量由25 kW左右增加到50 kW左右,這是因?yàn)楫?dāng)壓縮機(jī)的頻率增大時(shí),轉(zhuǎn)速隨之增大,輸氣量又與轉(zhuǎn)速成正比,就會(huì)造成壓縮機(jī)的輸氣量增加,從而使得系統(tǒng)的制冷劑流量增加,系統(tǒng)制冷量隨之增大．

圖6為壓縮機(jī)電功率與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系．由圖6可知,隨著壓縮機(jī)頻率由40 Hz增加到80 Hz,壓縮機(jī)輸入功率由5.4 kW左右增大到了13.3 kW左右．這是因?yàn)殡S著壓縮機(jī)頻率的增加,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速增加,而電機(jī)的輸入功率的變化率是轉(zhuǎn)速變化率的三次方,因而壓縮機(jī)輸入電功率增大．

圖6 壓縮機(jī)功率與機(jī)頻率的關(guān)系

圖7為制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系．由圖7可知,隨著壓縮機(jī)頻率的增大,制冷系統(tǒng)的COP隨之下降,COP從4.67下降到3.73左右．分析原因?yàn)橹评淞亢洼斎牍β逝c壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也近似呈正比關(guān)系,這就意味著蒸發(fā)器和冷凝器之間的傳熱負(fù)荷與相應(yīng)的傳熱溫差增大,當(dāng)室內(nèi)、外環(huán)境溫度不變的條件下,冷凝溫度升高,蒸發(fā)溫度降低,就造成壓比pk/p0增大,相應(yīng)的系統(tǒng)所消耗的電功率就增加,而系統(tǒng)的制冷量增加的速度比電功率增加的小,從而就使性能系數(shù)減少,分析結(jié)果與文獻(xiàn)[10]較為吻合．

圖7 制冷系統(tǒng)COP與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系

由圖7可知,小型冷庫(kù)制冷系統(tǒng)COP在壓縮機(jī)頻率80 Hz時(shí)仍高于3.7．

圖8為PLC自動(dòng)控制時(shí)冷庫(kù)內(nèi)溫度的變化曲線．由圖8可知,隨著運(yùn)行時(shí)間由9:00至21:30,冷庫(kù)在自動(dòng)控制狀態(tài)下,庫(kù)內(nèi)溫度的最大值為2.3 ℃,最小值為1.9 ℃,溫度波動(dòng)范圍較小,且晝夜溫度變化不明顯,受夜間環(huán)境溫度變化的影響較?。ㄟ^(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)使庫(kù)內(nèi)溫度維持在控制范圍內(nèi),滿足了庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)藏食品的需求．

圖8 PLC自動(dòng)控制時(shí)庫(kù)內(nèi)溫度變化曲線

Fig.8 Temperature variation curve of cold storage with PLC au-tomatic control

4 結(jié) 論

對(duì)小型冷庫(kù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用PLC上、下位機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并對(duì)其制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．結(jié)論有2點(diǎn).

(1)壓縮機(jī)頻率在40～80 Hz內(nèi)變化時(shí),制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP高于3.7,表明采用PLC自動(dòng)控制運(yùn)行的小型冷庫(kù)具有較好的節(jié)能特性和部分負(fù)荷特性．

(2)采用PLC自動(dòng)控制策略的小型冷庫(kù)溫度波動(dòng)±0.3℃,且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行．

[1] 胡云峰, 李喜宏,朱志強(qiáng),等.果蔬保鮮溫度梯度試驗(yàn)冷庫(kù)的設(shè)計(jì)與效果分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005, 21(7):132-135.

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(責(zé)任編輯 蘇曉東)

PLC Automatic Control System Design and Experiments of Cold Storage

LIU Huan-wei1, ZHOU Qiu-shu1, WANG Pei-feng2, WANG De-fa3

(1.School of Ocean, Yantai University,Yantai 264005, China;2. Yantai Wandejia Air-conditioning Equipment Co., Ltd,Yantai 264000, China;3. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China)

In order to solve problems of the high energy consumption and large temperature fluctuation of cold storage, PLC automatic control system is applied to the cold storage, and program of the master and slave computer is designed. Furthermore, the cooling performances are also experimentally investigated. The experimental results show that the cooling capacity and compressor input power are direct ratio with compressor frequency, but the coefficient of performance(COP) is reverse with it. The COP is above 3.7 in different frequency, which indicates that the cold storage with PLC automatic control system has good energy saving character. Furthermore, the temperature fluctuation of cold storage with PLC automatic control strategy is ±0.3℃, and the cold storage could complete unattended operation.

cold storage; automatic control; compressor frequency; cooling performance

1004-8820(2015)04-0303-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.013

2014-11-27

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2015EL033);煙臺(tái)大學(xué)博士啟動(dòng)基金(HX12B7)．

劉煥衛(wèi)(1982- ),男,山東臨沂人,講師,博士,研究方向?yàn)槿細(xì)鈾C(jī)熱泵,新型替代制冷劑.

TB66;TP273

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