海水流化冰制取設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的PLC改造

程智明　張柔佳　李美容等

摘要

針對基于繼電器控制的海水流化冰制取設(shè)備的穩(wěn)定性差、可移植性差、擴展能力弱等缺陷，提出了通過歐姆龍CP1E系列PLC控制海水流化冰制取設(shè)備，利用PLC系統(tǒng)編程簡單、擴展容易、穩(wěn)定性強、抗干擾能力強等特點，并結(jié)合海水流化冰制取設(shè)備的控制要求，設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)的硬件接線圖和軟件梯形程序圖，最終通過歐姆龍上位機控制和顯示海水流化冰制取設(shè)備的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 海水流化冰；歐姆龍PLC；編程；控制

中圖分類號 S951.2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-342-02

Reform on Electrical Control System of Seawater Slurry Ice Making Equipment with PLC

CHENG Zhiming1， ZHANG Roujia2， LI Meirong1 et al

（1. School of Shipping and Ports Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022； 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022）

Abstract The seawater slurry ice making equipment based on electric relay control has some shortcomings of low stabilization， low portability and low expansion capability， an idea of the seawater slurry ice making equipment control with PLC of the series of OMRON CP1E was proposed. The PLC has some characteristics of simple programming， essay expansion， high stability and strong antiinterference ability， hardware writing diagram and software ladder program diagram of PLC control system was designed combined with the control requirement of seawater slurry ice making equipment. Finally， the OMRON upper monitor controls and displays the working condition of seawater slurry ice making equipment.

Key words Seawater slurry ice； OMRON PLC； Program； Control

海水流化冰是一種含有細(xì)小冰晶粒子的固液兩相溶液，其冰晶粒子細(xì)小綿密，流動性強，可利用泵輸送，也稱為冰漿、二元冰[1-2]，是一種不同于傳統(tǒng)冰種的新型冷卻介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品低溫保鮮領(lǐng)域，具有換熱面積大、冷卻速度快、不破壞產(chǎn)品表皮等優(yōu)點。在沿海地區(qū)，為了提高水產(chǎn)品的低溫保鮮質(zhì)量，通常利用海水流化冰對水產(chǎn)品進行低溫保鮮，所以保證海水流化冰制取設(shè)備高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)越發(fā)重要。

隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的可編程邏輯控制器（PLC）廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，PLC系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴展容易、使用方便、編程簡單、能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境、抗干擾能力強等鮮明的特點，以PLC為核心的電氣控制也已逐步取代了繼電器控制。筆者利用PLC系統(tǒng)的優(yōu)勢，結(jié)合海水流化冰制取設(shè)備的控制要求，設(shè)計了海水流化冰PLC控制系統(tǒng)的硬件接線圖和軟件梯形程序，最終將海水流化冰制取設(shè)備控制系統(tǒng)改造為以PLC為核心的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)改造方案

1.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

海水流化冰制取設(shè)備控制系統(tǒng)的改造以歐姆龍CP1E系列PLC為核心[3-4]，歐姆龍NB系列觸摸屏為監(jiān)控操作界面，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和顯示海水流化冰制取設(shè)備工作狀態(tài)，上位PC機為個人計算機。PLC設(shè)備帶有編程口與RS232接口，通過編程口可以與上位PC機通訊，將程序?qū)懭隤LC。在控制系統(tǒng)中采用RS232通訊線實現(xiàn)PLC與觸摸屏的通訊，各類傳感器將相應(yīng)開關(guān)量輸入信號傳輸?shù)絇LC，再由PLC設(shè)備控制制冰水泵、壓縮機、減速電機和冷凝水泵，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 工作原理介紹

海水流化冰制取設(shè)備屬于單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥4大部件組成。4大部件之間用管道依次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在這個系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，不斷發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進行熱量交換。海水流化冰制取設(shè)備系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻物的熱量

后，汽化成低溫低壓的蒸汽，并被吸入壓縮機壓縮成高溫高

壓的蒸汽后進入冷凝器，在冷凝器中向冷卻介質(zhì)放熱形成高壓液體，并經(jīng)過膨脹閥變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭?，再次進入蒸發(fā)器吸熱汽化，形成循環(huán)制冷的效果。同時，制冰水泵將配制好的海水輸送至制冰桶（蒸發(fā)器）內(nèi)，低溫低壓的制冷劑蒸發(fā)吸熱，吸收海水的熱量使海水變成海水流化冰，海水流化

冰的含冰率控制通過調(diào)節(jié)流量計算。為了保證在冰濃度過

高時不堵塞制冰桶，在海水流化冰制取設(shè)備中增加流量開關(guān)傳感器，保證系統(tǒng)的正常運行。

1.3 PLC控制系統(tǒng)電路設(shè)計

海水流化冰制取設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)通過壓力控制器、流量開關(guān)等傳感器對壓縮機、減速電機、冷凝器水泵和制冰水泵進行控制。例如：當(dāng)壓縮機的壓力小于或是大于壓力控制器的范圍時，控制電路會接收到壓力控制器的信號并相應(yīng)地切斷壓縮機、減速電機、制冰水泵和冷凝器水泵的電源，起到壓縮機過載保護效果。原海水流化冰制取設(shè)備中電氣控制系統(tǒng)是由繼電器進行控制的，并不能滿足設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴展容易、使用方便、編程簡單、抗干擾能力強、可靠性強的要求。該研究根據(jù)海水流化冰制取設(shè)備的控制要求，選用歐姆龍CP1E-N30SDR-A型為PLC控制器。海水流化冰制取設(shè)備中電氣控制系統(tǒng)PLC的I/O分配見表1。電氣控制電路的硬件接線圖見圖3。

1.4 PLC程序編寫

根據(jù)海水流化冰制取設(shè)備的控制要求，采用經(jīng)驗設(shè)計法來編寫PLC梯形程序圖，并通過歐姆龍CP1E型PLC配套的軟件CXProgrammer編寫PLC梯形程序圖。編寫完成后，利用軟件菜單中程序檢查功能對梯形程序圖進行語法檢查，檢查無誤后的程序經(jīng)過編譯之后可以通過編程口傳送到PLC中。歐姆龍PLC梯形程序圖如圖4所示。

按下啟動按鈕SB1，KA1中間繼電器接通，KA1各觸點動作，KM2線圈（冰刀減速電機）、KM3線圈（冷凝器水泵）、HL2機器運行指示燈接通，HL3機器停止指示燈斷開，KM1線圈（壓縮機）、制冰水泵接通，流化冰制取設(shè)備正常工作，通過調(diào)節(jié)流量計可制出不同濃度的流化冰。當(dāng)在制取流化冰過程中冰濃度過高時，水流量會下降，下降到活塞式流量開關(guān)的最小值時，WFS觸點斷開，原本保持接通狀態(tài)的KA2中間繼電器斷開，KA2觸點復(fù)原，T1時間繼電器接通，延遲6 s之后，KA1中間繼電器斷電，KA1各觸點復(fù)原，T0時間繼電器接通，保持KM2線圈（冰刀減速電機）、制冰水泵延遲6 s后斷開，通過延遲制冰水泵和冰刀減速電機斷電來排出在制冰筒中殊留的流化冰，對制冰筒起到了保護作用。

1.5 HMI程序編寫

基于PLC控制點數(shù)的要求及成本的考慮，HMI選用歐姆龍NB5QTW00B型號，既能有效控制成本又能滿足PLC控制點數(shù)的要求。HMI的組態(tài)設(shè)計通過NBDesigner軟件編寫，組態(tài)設(shè)計完成后經(jīng)過編譯可通過USB編程口傳送到HMI中。歐姆龍PLC通過RS232通訊線與觸摸屏相連，組態(tài)設(shè)計中各元件的地址與PLC相應(yīng)元件的地址一致，通過觸摸屏可以控制流化冰設(shè)備的啟動與停止，并在設(shè)備出現(xiàn)高低壓保護和冰濃度過高或缺水的情況時亮起相應(yīng)的指示燈，以便排除海水流化冰設(shè)備的故障。

2 結(jié)論與展望

基于歐姆龍PLC和HMI的海水流化冰制取設(shè)備控制系統(tǒng)，克服了以往控制不穩(wěn)定、故障率高、可擴展性差等缺點。在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)設(shè)備的要求并配合CXProgrammer軟件對PLC梯形圖程序進行修改，實現(xiàn)流化冰設(shè)備的多功能應(yīng)用，如清洗、控制冰濃度等功能。后期研發(fā)中，將海水流化冰控制系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，可通過聯(lián)網(wǎng)計算機或手機對海水流化冰制取設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。