張　超， 張　偉， 趙紅波， 馬小津（.合肥通用機械研究院，安徽合肥30088；.約克廣州空調(diào)冷凍設備有限公司，廣東廣州5500）

基于CJ2M框架下的電子膨脹閥控制策略研究

張超1， 張偉1， 趙紅波2， 馬小津1
（1.合肥通用機械研究院，安徽合肥230088；2.約克廣州空調(diào)冷凍設備有限公司，廣東廣州511500）

在制冷空調(diào)用試驗裝置中，制冷系統(tǒng)采用電子膨脹閥控制較熱力膨脹閥具有調(diào)節(jié)精準、邏輯植入便捷、可控性強的優(yōu)勢，但合理有效的控制策略是保證其良好性能得以實現(xiàn)的關鍵。本文著重研究基于歐姆龍CJ2M系列PLC框架下的電子膨脹閥控制策略，及其軟硬件設計思路，以實現(xiàn)電子膨脹閥對對制冷系統(tǒng)可靠性（過熱度、限載運行壓力）與供冷性能的雙重精準控制。實踐結(jié)果表明，搭載了該控制策略的制冷系統(tǒng)，控制邏輯調(diào)節(jié)簡便，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有效的實現(xiàn)了制冷系統(tǒng)的高精度冷輸出、長時可靠運行。

電子膨脹閥； 過熱度； CJ2M； 制冷試驗裝置

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.018

0　引言

在制冷系統(tǒng)設計中，電子膨脹閥比起熱力膨脹閥在控制精度、邏輯植入、可靠運行上都存在明顯的優(yōu)勢，也因此得到了越來越廣泛的應用［1，2］。本文主要是基于歐姆龍CJ2M系列PLC框架，在高精度溫度控制室背景下，研究與實踐電子膨脹閥開度的控制策略及其軟硬件實現(xiàn)［3］。

高精度溫度溫控室中的溫度控制通常依賴于空氣 處理系統(tǒng)熱源和冷源的狀態(tài)平衡來實現(xiàn)，考慮到冷熱源的分時輸出及節(jié)能性，溫控室溫度控制采用冷熱表控制可調(diào)熱源與可調(diào)冷源，熱源有電加熱、蒸汽加熱、熱載體加熱等方式，冷源有電子膨脹閥控制制冷劑蒸發(fā)流量、載冷劑供應量調(diào)節(jié)供冷等方式［4～6］。本文著重研究直接蒸發(fā)供冷的電子膨脹閥控制制冷劑流量冷源策略，來實現(xiàn)制冷系統(tǒng)過熱度、限載壓力的可靠性控制及制冷劑流量直接作用下的供冷量控制。

1　溫控系統(tǒng)基本原理

控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器及擴展模塊、數(shù)據(jù)采集傳感器（鉑電阻、壓力傳感器、熱電偶）、PID調(diào)節(jié)表、溫度變送器、執(zhí)行元件（電子膨脹閥、調(diào)功器、電磁閥）、觸摸屏等，控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

高精度溫控室通過鉑電阻溫度取樣來測量溫度，將溫度值經(jīng)變送器轉(zhuǎn)成1-5V的電壓信號反饋給測試間干球溫度PID調(diào)節(jié)表，此調(diào)節(jié)表選用冷熱表，熱源控制調(diào)功器調(diào)節(jié)電加熱，制冷端輸出至PLC中，經(jīng)過PLC控制算法的運算，控制制冷系統(tǒng)的電子膨脹閥開度，實現(xiàn)對溫控室溫度控制。溫度調(diào)節(jié)表控制原理圖如下圖2所示。

在制冷系統(tǒng)控制中，采用熱電偶感知壓縮機的吸氣點溫度，配合吸氣側(cè)壓力傳感器測量壓力，將采集到的溫度值和壓力值經(jīng)過PLC的擴展模擬量輸入模塊反饋至PLC中，在PLC內(nèi)通過電子膨脹閥開度值的控制邏輯，最終由模擬量輸出通道輸出電子膨脹閥開度值對應的4～20mA電流信號，控制電子膨脹閥的開度值，實現(xiàn)對制冷系統(tǒng)供冷量和過熱度的調(diào)節(jié)。

圖1　控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

圖2　溫度控制原理圖

2　PLC控制系統(tǒng)硬件組成

歐姆龍CJ2M-CPU33是歐姆龍CJ2M系列的PLC，具有優(yōu)越的性能、更快的I/O響應以及超級可擴展性，可以通過擴展基本I/O單元和高功能I/O單元實現(xiàn)模擬量的輸入和輸出，熱電偶的讀取等操作，CPU擴展單元根據(jù)正面板上使用旋轉(zhuǎn)開關設定的單元號來識別，可以在CPU裝置和每個擴展裝置中最多連接10個配置單元。本試驗裝置用到的CPU模塊和高功能I/O擴展單元模塊見表1。

表1　本試驗裝置采用的PLC配置

控制系統(tǒng)采集用的傳感器，如溫控室溫度測量選用四線制鉑電阻，經(jīng)過M-SYSTEM溫度變送器，進入冷熱調(diào)節(jié)表；吸氣壓力選用麥克0～21Bar的的壓力傳感器，電子膨脹閥通用驅(qū)動模塊是4～20mA輸入。

3　控制系統(tǒng)軟件設計

3.1控制流程說明

控制電子膨脹閥最終開度輸出段程序流程圖如圖3所示。

3.2程序初始化

程序初始化需要將CJ1W-AD081-V1的吸氣壓力值讀取通道、CJ1W-PTS51的熱電偶讀取通道，以及CJ1W-DA041電子膨脹閥輸出通道進行初始設定。在程序初始設定時，吸氣壓力值讀取通道需要設置的信息是將其通道打開，并選用0～5V電壓信號，分辨率設置為4000，而PID調(diào)節(jié)表輸出的讀取通道選用4～20mA電流信號，分辨率設置為4000；熱電偶讀取通道需要通過撥動開關將此單位設置為℃，小數(shù)點位數(shù)設置為0，并將旋轉(zhuǎn)開關旋轉(zhuǎn)至0的位置。電子膨脹閥開度的輸出通道設置為4～20mA電流信號輸出，分辨率設置為4000。

圖2　電子膨脹閥控制流程圖

3.3過熱度PID控制輸出計算

壓縮機吸氣壓力和飽和溫度對應的物性表是吸氣壓力0～21Bar對應的飽和溫度值的一個關系表格，共劃分為122個對應點。選用的壓力傳感器輸入是0～21Bar，輸出是0.5～4.5V電壓信號，而壓力模塊的輸入通道是0～5V，分辨率是4000，并且飽和溫度是一個帶有小數(shù)點的值，所以其值在寫入物性表存儲區(qū)域時可擴大十倍，因此在PLC存儲區(qū)域內(nèi)建立物性表時，應是0～21Bar的轉(zhuǎn)換數(shù)值400～3600對應“飽和溫度*10”的一個關系表，其值都存放在D600～D844的存儲區(qū)域內(nèi)。

通過APR指令可將CJ1W-AD081-V1模擬輸入通道讀取到的吸氣壓力值在程序內(nèi)查表得出對應的飽和溫度值，CJ1W-PTS51的熱電偶輸入模塊讀取的吸氣溫度值擴大10倍之后與查表得出的飽和溫度值進行比較，即可計算出當前的過熱度，此計算得到的過熱度是實際過熱度的10倍值。

PIDAT指令是PLC可根據(jù)需要自動計算P、I、D參數(shù)，并實現(xiàn)PID控制參數(shù)C的設置含義從C～C+40，其中C～C+10的11個字需要用戶設置，其余C+11～C+40的30個字為指令工作區(qū)，用戶不可占用，在實際運用時需要設置PID的正反作用、采樣周期、濾波時間等參數(shù)。

過熱度PIDAT運算時，設定的過熱度從觸摸屏畫面輸入，經(jīng)過畫面AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字，所以上述計算得到的過熱度應再擴大4倍，作為過程量參與PIDAT運算。

3.4吸氣壓力PID控制輸出計算

吸氣壓力PID控制輸出使用PIDAT運算指令，模擬量輸入模塊CJ1W-AD081-V1讀取的吸氣壓力值作為PIDAT的過程量，目標值由PIDAT畫面輸入，在觸摸屏程序內(nèi)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字，在執(zhí)行PIDAT指令時需要設置PID的正反作用、采樣周期、濾波時間等參數(shù)，可見過熱度PID控制輸出參數(shù)設置，此段程序與過熱度PIDAT同理。

3.5開度最小值運算

從圖2測試間干球溫度控制原理圖可以看出，PID調(diào)節(jié)表冷端輸出進入PLC參與電子膨脹閥控制輸出計算，其值是通過模擬量輸入模塊CJ1W-AD081-V1讀取，讀取時需要通過撥碼將其模塊通道設定為4-20mA的電流輸入，分辨率設置為4000。電子膨脹閥開度上限值在觸摸屏畫面內(nèi)輸入，在觸摸屏程序內(nèi)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字。

計算電子膨脹閥開度值，是取PID調(diào)節(jié)表輸出、過熱度PID控制輸出、吸氣壓力PID過熱度控制輸出和開度上限值四者的邏輯最小值。

4　測試結(jié)果

應用本文控制策略的電子膨脹閥制冷系統(tǒng)，其可行性和可靠性在多個高精度溫控室中已得到廣泛驗證，在觸摸屏內(nèi)建立制冷系統(tǒng)吸氣壓力和過熱度資料取樣，實時記錄的吸氣壓力及過熱度曲線。

如圖4和圖5中的制冷系統(tǒng)是直接蒸發(fā)供冷給載冷劑的板換型兩套系統(tǒng)實時監(jiān)控界面，板換側(cè)與機組側(cè)分別為壓縮機蒸發(fā)末端與機組本體，可以看出1#壓機和3#壓機過熱度曲線、壓力曲線均在舒適運行范圍之內(nèi)，并且波動較小，處于平穩(wěn)運行狀態(tài)。

5　結(jié)語

通過對歐姆龍CJ2M系列PLC框架的深入理解和直接蒸發(fā)供冷電子膨脹閥控制策略研究，通過多個系統(tǒng)實踐總結(jié)得出：

圖4　壓冷機組壓力實時曲線

圖5　壓冷機組過熱度實時曲線

（1）歐姆龍CJ2M系列PLC，可利用CX-Program自帶的強大的功能指令庫，編程簡易，且PIDAT指令的自整功能可有效應對制冷系統(tǒng)的復雜運行環(huán)境來按需適時調(diào)整。

（2）搭載了該控制策略的制冷系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)對供冷量及限載壓力、過熱度的有效控制，對于直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)性能與可靠性提升具有顯著效果。

（3）應用該控制策略的高精度溫控系統(tǒng)，具備溫度或負荷變化響應快、調(diào)節(jié)精度高、運行經(jīng)濟性高等優(yōu)點，可推廣用于模塊式并聯(lián)供冷，具有很廣泛的應用前景。

［1］昝世超，張偉，張澤國，等.變負荷下制冷系統(tǒng)容量調(diào)節(jié)技術研究［J］.制冷與空調(diào)，2014，（10）：25～28.

［2］王汝金，張秀平，賈磊，等.空調(diào)壓縮機變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術［J］.低溫與超導，2011，（03）：58～62.

［3］張寧，沙陸，郭皓.電子膨脹閥過熱度控制技術研究［J］.制冷，2013，（02）：15～18.

［4］章曉龍，李征濤，陳憶喆，等.電子膨脹閥對蒸發(fā)器過熱度穩(wěn)定性的影響［J］.流體機械，2014，（04）：72～75.

［5］由玉文，吳愛國，張志剛，等.基于最小穩(wěn)定過熱度的制冷系統(tǒng)變負荷優(yōu)化控制［J］.低溫與超導，2011，（11）：1～6.

［6］周海良，姜周曙，丁強.用于制冷性能測試的電子膨脹閥測控系統(tǒng)［J］.機電工程，2012，（12）：1405～1409.

Research on Electronic Expansion Valve Control Strategy Based on the CJ2M Framework

ZHANG Chao1， ZHANG Wei1， ZHAO Hong-bo2， MA Xiao-jin1
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China；2.York Guangzhou Air Conditioner and Refrigeration Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 511500，China）

In the experimental test device of refrigeration，refrigeration system used electronic expansion valve control compared with thermal expansion valve control has more advantages，such as adjusting precision，logic into the convenient and strong controllability，but reasonable and effective control strategy is the key to ensure the realization of the good performance.This paper focuses on the control strategy that based on the electronic expansion valve under Omron CJ2M series PLC frame，and hardware and software design method，in order to realize the double control of the cooling system's reliability （superheat and limit load operating pressure）and the cooling performance.Practical results show that refrigeration system which used the control strategy can run steadily and reliably，the control logic of the regulation is simple，effective realize the refrigeration system of high precision cold output and long-term reliable operation.

electronic expansion valve； superheat； CJ2M； experimental test device of refrigeration

TB65

B

2095-3429（2015）02-0068-04

張超（1985-），男，安徽六安人，碩士，研究方向：自動化控制、制冷試驗裝置研制。

2015-02-05

2015-03-25