基于PLC的船舶伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高 鑫，陸振軍

(1.中國(guó)船級(jí)社南通辦事處，江蘇南通 226000;2.南通市地方海事局，江蘇南通 226000)

0 前言

隨著海上交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，伙食冷藏技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶上已得到廣泛的應(yīng)用，伙食冷庫(kù)制冷裝置已成為遠(yuǎn)洋船舶上不可缺少的重要設(shè)備。由于船舶伙食冷庫(kù)容量的日益增大，對(duì)其制冷控制系統(tǒng)可靠性的要求也日益提高。可編程控制器 (PLC)具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)中采用PLC技術(shù)可以更好的滿足遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

基于以上情況，本文在充分分析和研究伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套采用PLC技術(shù)作為控制核心的伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)。

1 伙食冷藏保鮮原理［1］

冷藏法是最能保持新鮮食品的原有形態(tài)、質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)成分和新鮮程度的保鮮方法之一。當(dāng)食品的溫度降至－18℃以下時(shí)，食品中90%以上的水分會(huì)變成冰，所形成的冰晶可以以機(jī)械的方式破壞微生物細(xì)胞，造成微生物死亡。因此，動(dòng)物性食品(如魚、肉等)長(zhǎng)期保存通常要凍結(jié)在－18℃以下的冷藏庫(kù)中保存。對(duì)于果蔬等植物性食品，降低儲(chǔ)存溫度，可以減弱其呼吸強(qiáng)度、降低物質(zhì)的消耗速度，延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期。但是儲(chǔ)藏溫度不能降得過(guò)低，否則會(huì)引起果蔬活體的生理病害，以致凍傷。因此，植物性食品一般都是在冷卻狀態(tài)下進(jìn)行低溫儲(chǔ)藏。

2 伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)

2.1 伙食冷庫(kù)制冷系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能［2］

本次設(shè)計(jì)的伙食冷庫(kù)制冷系統(tǒng)擁有2臺(tái)制冷壓縮機(jī)，其中1臺(tái)作為備用。當(dāng)主壓縮機(jī)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)方式使備用壓縮機(jī)投入工作;主壓縮機(jī)在正常的工作時(shí)，備用壓縮機(jī)不投入工作。為實(shí)現(xiàn)制冷壓縮機(jī)的冷卻，本系統(tǒng)設(shè)有2臺(tái)冷卻水泵，其中1臺(tái)作為備用。如果主冷卻水泵發(fā)生故障，則需要手動(dòng)啟動(dòng)備用冷卻水泵。在制冷壓縮機(jī)的曲軸箱內(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(guò)多而在啟動(dòng)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)，自動(dòng)切斷加熱元件停止加熱。

該制冷系統(tǒng)可分別對(duì)肉庫(kù)、魚庫(kù)、蔬菜庫(kù)、飲品庫(kù)、糧庫(kù)、干貨庫(kù)和緩沖間進(jìn)行制冷。系統(tǒng)的融霜時(shí)刻及時(shí)間由PLC控制，融霜采用電加熱方式。制冷系統(tǒng)在正常工作時(shí)，各冷庫(kù)的供液電磁閥由各自的溫度繼電器分別控制。為防止魚庫(kù)和肉庫(kù)的排水管路凍結(jié)，在其排水管路中設(shè)有電加熱器。

2.2 伙食冷庫(kù)制冷電氣自動(dòng)控制環(huán)節(jié)［2－3］

2.2.1 壓縮機(jī)自動(dòng)啟?？刂?/p>

制冷壓縮機(jī)的啟動(dòng)由制冷壓縮機(jī)低壓繼電器、卸載壓力繼電器、卸載電磁閥和PLC共同控制。在制冷過(guò)程中，制冷劑在蒸發(fā)器中氣化吸收熱量使冷庫(kù)的溫度降低，同時(shí)壓縮機(jī)的吸氣壓力提高，當(dāng)吸氣壓力上升到低壓繼電器預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，低壓繼電器閉合，PLC檢測(cè)到低壓繼電器的閉合狀態(tài)，控制卸載電磁閥通電，壓縮機(jī)處于半載狀態(tài)啟動(dòng)。由于壓縮機(jī)處于半載工作狀態(tài)，吸口壓力將逐漸下降，當(dāng)達(dá)到卸載壓力繼電器的預(yù)設(shè)值時(shí)，卸載壓力繼電器斷開，PLC檢測(cè)到卸載壓力繼電器的斷開狀態(tài)并控制卸載電磁閥失電，壓縮機(jī)進(jìn)入全載狀態(tài)運(yùn)行。制冷壓縮機(jī)的停止由壓縮機(jī)低壓繼電器和PLC共同控制。當(dāng)冷庫(kù)的溫度下降到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，溫度開關(guān)斷開，該庫(kù)供液電磁閥失電關(guān)閉，制冷劑停止進(jìn)入蒸發(fā)器，壓縮機(jī)的吸氣壓力越來(lái)越低，當(dāng)吸氣壓力降低到低壓繼電器預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，低壓繼電器斷開，PLC檢測(cè)到低壓繼電器的斷開狀態(tài)，控制壓縮機(jī)停機(jī)。

2.2.2 冷庫(kù)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)

通過(guò)溫度繼電器、供液電磁閥和PLC配合使各庫(kù)溫度穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)。當(dāng)庫(kù)溫上升到預(yù)設(shè)上限溫度時(shí)，溫度繼電器閉合，PLC控制供液電磁閥通電開啟，制冷劑進(jìn)入各冷庫(kù)蒸發(fā)器，使庫(kù)溫下降;當(dāng)庫(kù)溫下降到預(yù)設(shè)下限時(shí)，溫度繼電器斷開，PLC控制供液電磁閥失電關(guān)閉，制冷劑不能進(jìn)入蒸發(fā)器。

2.2.3 融霜自動(dòng)控制

在制冷過(guò)程中，當(dāng)蒸發(fā)器的管外壁溫度低于0℃時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在其表面結(jié)霜 (主要是低溫庫(kù)，有時(shí)高溫庫(kù)也有結(jié)霜現(xiàn)象)。由于霜層的熱導(dǎo)率低，蒸發(fā)器結(jié)霜后會(huì)削弱其吸熱能力，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度降低，裝置的制冷量減少，經(jīng)濟(jì)性下降。此外，本裝置各冷庫(kù)的蒸發(fā)器均采用冷風(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(guò)厚，會(huì)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) (盤管霜厚一般不宜超過(guò)3 mm)應(yīng)進(jìn)行融霜。

當(dāng)高溫庫(kù) (菜庫(kù)、干貨庫(kù)、糧食庫(kù)、飲品庫(kù)及緩沖間)需要融霜時(shí)，可以通過(guò)停止供入制冷劑液體方式，使庫(kù)內(nèi)溫度逐漸升高，當(dāng)高于0℃時(shí)即可自然融霜。低溫庫(kù) (魚、肉庫(kù))融霜采用的是電熱融霜，在冷風(fēng)機(jī)的翅片管間和風(fēng)扇、泄水盤、泄水管處安置了融霜加熱器。

采用PLC對(duì)融霜時(shí)間和融霜時(shí)刻進(jìn)行控制，其中，融霜間隔一般選為20～30 min，融霜時(shí)間一般選為5 min，均可通過(guò)PLC進(jìn)行設(shè)置。為防止霜層提前融完以致蒸發(fā)管內(nèi)冷劑壓力和溫度過(guò)高，當(dāng)壓力達(dá)到低壓繼電器的預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合，PLC控制停止融霜。

2.2.4 制冷壓縮機(jī)排氣壓力保護(hù)

高壓繼電器用來(lái)檢測(cè)制冷壓縮機(jī)的排氣壓力，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行排壓保護(hù)作用。當(dāng)排氣壓力超過(guò)高壓繼電器預(yù)設(shè)值時(shí)，高壓繼電器動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開，PLC檢測(cè)到高壓繼電器觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，控制停止制冷壓縮機(jī)，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

2.2.5 滑油壓力保護(hù)

本控制系統(tǒng)通過(guò)MP55型壓差繼電器完成滑油壓力保護(hù)。當(dāng)油泵排壓與曲軸箱壓力之差降至預(yù)設(shè)值時(shí)，使壓縮機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)壓差繼電器的延時(shí)單元，避免因啟動(dòng)時(shí)油壓過(guò)小而誤動(dòng)作。若延時(shí)后油壓未正常建立，則雙金屬片變形使延時(shí)觸點(diǎn)斷開，PLC將檢測(cè)到延時(shí)觸點(diǎn)的斷開狀態(tài)，控制制冷壓縮機(jī)運(yùn)行停止，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

2.2.6 冷卻水壓力保護(hù)

冷卻水壓力保護(hù)由冷卻水壓力繼電器實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)在工作時(shí)需要冷卻水進(jìn)行冷卻，如果因?yàn)槔鋮s水泵發(fā)生故障等原因，導(dǎo)致冷卻水壓力過(guò)低時(shí)，冷卻水壓力保護(hù)繼電器動(dòng)作，PLC檢測(cè)到冷卻水壓力保護(hù)繼電器得狀態(tài)，控制制冷壓縮機(jī)停止運(yùn)行，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

3 伙食冷庫(kù)制冷控制實(shí)現(xiàn)［4－5］

本文設(shè)計(jì)的伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)PLC控制流程圖如圖1所示。

圖1 伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)PLC控制流程圖

當(dāng)伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)需要投入工作時(shí)，PLC首先進(jìn)行程序的初始化，魚庫(kù)和肉庫(kù)排水管電加熱器得電，開始加熱，以防止排水管路凍結(jié)。制冷壓縮機(jī)曲軸箱電加熱器開始加熱。肉庫(kù)和魚庫(kù)門加熱器得電工作，肉庫(kù)和魚庫(kù)門藍(lán)色加熱指示燈亮。融霜間隔時(shí)間開始計(jì)時(shí)。制冷壓縮機(jī)曲軸箱加熱器開始工作，當(dāng)壓縮機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)，加熱器停止工作。自動(dòng)啟動(dòng)冷卻水泵，向壓縮機(jī)供給冷卻水，建立冷卻水壓，當(dāng)冷卻水壓力建立并超過(guò)最低預(yù)設(shè)值時(shí)，冷卻水壓力繼電器閉合。此時(shí)，可以通過(guò)閉合壓縮機(jī)啟停開關(guān)半載啟動(dòng)制冷壓縮機(jī)。在制冷壓縮機(jī)半載運(yùn)行時(shí)，由于壓縮機(jī)的作用，壓縮機(jī)吸口壓力逐漸降低，當(dāng)達(dá)到卸載壓力開關(guān)的預(yù)設(shè)值時(shí)，卸載壓力開關(guān)閉合，PLC檢測(cè)到卸載壓力開關(guān)處于閉合狀態(tài)，控制卸載電磁閥通電，壓縮機(jī)進(jìn)入全載運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)全載運(yùn)行后，壓縮機(jī)吸口壓力會(huì)逐漸降低，當(dāng)?shù)陀诘蛪豪^電器預(yù)設(shè)的最低值時(shí)，低壓繼電器斷開，PLC控制停止制冷壓縮機(jī)。在制冷控制系統(tǒng)正常自動(dòng)工作過(guò)程中，制冷壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止由低壓繼電器控制。 制冷劑進(jìn)入各冷庫(kù)蒸發(fā)室中進(jìn)行制冷，此過(guò)程使得壓縮機(jī)的吸口壓力逐漸增高，當(dāng)壓縮機(jī)吸口壓力高于低壓繼電器預(yù)設(shè)的最高值時(shí)，低壓繼電器閉合，PLC控制壓縮機(jī)啟動(dòng)。

如果融霜時(shí)間間隔超過(guò)30 min，在制冷壓縮機(jī)停止時(shí)，系統(tǒng)開始融霜，融霜時(shí)間為5 min。在此期間，如果霜層提前融化，則由于融霜加熱器的加熱作用，壓縮機(jī)的吸口壓力會(huì)迅速上升，達(dá)到其預(yù)設(shè)的最高壓力，低壓繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)制冷壓縮機(jī)，PLC控制停止融霜。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC技術(shù)可以大大提高伙食制冷控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，使系統(tǒng)的使用和維護(hù)更加簡(jiǎn)便，達(dá)到了安全可靠運(yùn)行和高效節(jié)能的目的，更好地適應(yīng)了自動(dòng)化船舶的發(fā)展要求。

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