鄧博宇，于 飛

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基于PLC的艦船冷藏裝置改進(jìn)設(shè)計

鄧博宇，于 飛

（海軍工程大學(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等缺陷，為完善其功能，本文采用PLC控制，改進(jìn)設(shè)計冷藏控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了裝置模擬運行實驗，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(tǒng)用于冷藏食品，實現(xiàn)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(yǎng)、改善艦員伙食。制冷系統(tǒng)的自動控制是提高制冷品質(zhì)的最有效手段之一。采用自動控制可以保證庫溫穩(wěn)定，還可以使冷庫制冷系統(tǒng)運行中的溫度、壓力、液位等狀態(tài)參數(shù)保持在要求的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)安全高效運行。據(jù)統(tǒng)計，冷庫制冷系統(tǒng)采用自動控制比手動控制可節(jié)能10% ~ 15%[1]。目前，艦艇冷藏裝置控制系統(tǒng)廣泛采用的是傳統(tǒng)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(tǒng)復(fù)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(yīng)用于電氣控制領(lǐng)域應(yīng)用的又一個產(chǎn)品，可應(yīng)用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。本文基于可編程邏輯控制器（PLC）開發(fā)一種更先進(jìn)的冷藏系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)，可以簡化裝置結(jié)構(gòu)，使得裝置的穩(wěn)定可靠性、使用靈活性、操作維護(hù)度大大改善，同時其價格便宜、功能齊全，減少了設(shè)備體積，方便各類裝備的布置。

1 冷藏裝置

1.1系統(tǒng)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(fēng)機的電動機及其電源開關(guān)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(zhì)實現(xiàn)降溫。壓縮機將低溫低壓的氣態(tài)制冷劑壓縮成為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，然后通過冷凝器冷卻降溫變成低溫低壓的液態(tài)制冷劑。

圖1冷藏控制裝置主電路

制冷工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流膨脹閥，進(jìn)入冷庫的蒸發(fā)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(dá)到制冷的效果。高溫高壓的氣態(tài)制冷劑回到空氣壓縮機，如圖2所示，至此，完成一個循環(huán)。如此經(jīng)過多次循環(huán)，冷藏庫的溫度不斷降低，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定值的時候，冷藏裝置自動停止工作。當(dāng)溫度感應(yīng)器感應(yīng)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(jié)霜，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量減少，經(jīng)濟(jì)性變差；同時，霜層過厚，會堵塞肋片間通道，減少通風(fēng)量，從而導(dǎo)致制冷量不足，所以應(yīng)進(jìn)行融霜。

圖2制冷裝置循環(huán)系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)及工作電路設(shè)置保護(hù)，實現(xiàn)較為穩(wěn)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(hù)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(shè)置了高壓、低壓、油壓三重保護(hù)的保護(hù)電路，如圖3所示。

由于電路的各特性限制，控制實現(xiàn)更加復(fù)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(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至“自動”檔時，溫控電路中溫度調(diào)節(jié)器感應(yīng)冷庫溫度并自動控制制冷。但如果溫控電路轉(zhuǎn)換開關(guān)5SA調(diào)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(xiàn)故障和保護(hù)，系統(tǒng)只能停機報警，而不能指示故障原因，不利于故障查找修復(fù)。因此有必要運用PLC簡化控制電路，完善系統(tǒng)功能。

2 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)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(shè)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(tǒng)傳感器及控制電路根據(jù)冷庫實際溫度和制冷目標(biāo)溫度來自動控制系統(tǒng)的制冷過程。手動模式下，需要用戶直接操作系統(tǒng)啟停。

為了增強冷藏裝置的可維修性，在PLC改造時增設(shè)系統(tǒng)故障指示。當(dāng)系統(tǒng)高壓、低壓、油壓保護(hù)觸發(fā)時，裝置自動停機，同時發(fā)出相應(yīng)的燈光報警來指明故障原因，有利于故障的快速修復(fù)以及系統(tǒng)可靠性的提高。

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

2.1硬件設(shè)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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(yè)控制領(lǐng)域中不可或缺的一種控制裝置。

本系統(tǒng)共有輸入信號23個，除水泵、壓縮機啟停按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)等開關(guān)輸入量外，還包括電動機熱保護(hù)、溫度感應(yīng)控制器及系統(tǒng)保護(hù)量等在內(nèi)的控制輸入量。輸出信號15個，包括水泵、壓縮機、冷風(fēng)機的啟?？刂?、融霜加熱以及保護(hù)報警等。

根據(jù)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(shù)量為24/16，可以滿足本系統(tǒng)控制需求。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計了PLC接線圖，如圖4所示。

2.2軟件設(shè)計

裝置工作流程如圖5所示，當(dāng)選擇自動模式時，系統(tǒng)溫度感應(yīng)器感應(yīng)冷庫溫度，判斷是否高于最高允許溫度。若是超溫，在系統(tǒng)準(zhǔn)備過程先進(jìn)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(jīng)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(yīng)的冷庫風(fēng)機，打開相應(yīng)電磁閥，裝置開始制冷工作。當(dāng)冷庫降溫至預(yù)設(shè)低溫時，相應(yīng)冷庫電磁閥關(guān)閉，延遲一段時間后壓縮機停機。當(dāng)兩庫都到達(dá)預(yù)設(shè)低溫時，各自冷風(fēng)機都會停機。此時說明制冷工況結(jié)束，水泵、壓縮機以及總閥關(guān)停。至此一個工作過程結(jié)束。此外操作者根據(jù)實際需要，直接控制系統(tǒng)融霜。

系統(tǒng)設(shè)置了高壓保護(hù)、低壓保護(hù)以及油壓保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)傳感器感應(yīng)量達(dá)到閥值，立即向控制電路輸送信號，觸發(fā)保護(hù)報警。在程序設(shè)計中，當(dāng)任一傳感器向PLC輸入端子發(fā)送信號，PLC控制水泵、壓縮機、冷風(fēng)機的接觸器立即斷開，系統(tǒng)停機。同時，PLC輸出控制信號，電鈴得電響起，相應(yīng)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(xù)兩分鐘后，排水管加熱器模擬燈光熄滅，水泵M2、高低溫冷風(fēng)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(tǒng)制冷運行5分鐘后，模擬冷庫均達(dá)到預(yù)定低溫。高、低溫庫溫度繼電器開關(guān)閉合， I0.7、I1.0得電，PLC無輸出開關(guān)量，冷風(fēng)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(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)向手動擋，選擇手動制冷模式，將溫控開關(guān)轉(zhuǎn)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(fēng)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(tǒng)保護(hù)測試

PLC控制系統(tǒng)設(shè)置了高、低壓保護(hù)、油壓保護(hù)、熱保護(hù)三重保護(hù)。實驗中通過輸入開關(guān)量來模擬保護(hù)信號對裝置保護(hù)功能進(jìn)行驗證。

例如，當(dāng)系統(tǒng)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(guān)， I0.5得電，此時電磁閥指示燈立即熄滅，高溫庫風(fēng)機、壓縮機、水泵隨即停機，制冷停止。同時，系統(tǒng)聲光警報響起，故障指示燈顯示故障原因為低壓，實現(xiàn)了保護(hù)停機和故障指示功能。

3.2實驗結(jié)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(hù)”等功能，證明基于PLC改進(jìn)設(shè)計的冷藏裝置控制系統(tǒng)初步具備完善的自動/手動制冷功能、系統(tǒng)保護(hù)功能、狀態(tài)檢測功能，而且大大優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(shè)計功能基本實現(xiàn)。

4 結(jié)論

考慮到原有接觸器控制的冷藏裝置存在功能單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本文基于PLC，通過硬件電路設(shè)計與軟件編程，實現(xiàn)了系統(tǒng)軟硬件的完整結(jié)合，完成了對冷藏裝置各部分的自動化控制。簡化了裝置結(jié)構(gòu)、增設(shè)了故障指示，完善了系統(tǒng)功能，提高冷藏系統(tǒng)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(yīng)用價值。

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

[2] 蔡杏山.零起步輕松學(xué)習(xí)西門子S7-200PLC技術(shù)[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(xué)出版社, 2011.

[4] 楊后川. 西門子S7-200編程速學(xué)與快速應(yīng)用[M].電子工業(yè)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(xué)士。研究方向：艦船電氣設(shè)備。