基于CJ2M框架下的電子膨脹閥控制策略研究

張　超， 張　偉， 趙紅波， 馬小津（.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥30088；.約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)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(jī)械研究院，安徽合肥230088；2.約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司，廣東廣州511500）

在制冷空調(diào)用試驗(yàn)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(zhǔn)、邏輯植入便捷、可控性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但合理有效的控制策略是保證其良好性能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)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(shè)計(jì)思路，以實(shí)現(xiàn)電子膨脹閥對(duì)對(duì)制冷系統(tǒng)可靠性（過(guò)熱度、限載運(yùn)行壓力）與供冷性能的雙重精準(zhǔn)控制。實(shí)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(jiǎn)便，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效的實(shí)現(xiàn)了制冷系統(tǒng)的高精度冷輸出、長(zhǎng)時(shí)可靠運(yùn)行。

電子膨脹閥； 過(guò)熱度； CJ2M； 制冷試驗(yàn)裝置

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.018

0　引言

在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行上都存在明顯的優(yōu)勢(shì)，也因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(shí)踐電子膨脹閥開(kāi)度的控制策略及其軟硬件實(shí)現(xiàn)［3］。

高精度溫度溫控室中的溫度控制通常依賴(lài)于空氣 處理系統(tǒng)熱源和冷源的狀態(tài)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮到冷熱源的分時(shí)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(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)過(guò)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(kuò)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(guò)鉑電阻溫度取樣來(lái)測(cè)量溫度，將溫度值經(jīng)變送器轉(zhuǎn)成1-5V的電壓信號(hào)反饋給測(cè)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(guò)PLC控制算法的運(yùn)算，控制制冷系統(tǒng)的電子膨脹閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)的吸氣點(diǎn)溫度，配合吸氣側(cè)壓力傳感器測(cè)量壓力，將采集到的溫度值和壓力值經(jīng)過(guò)PLC的擴(kuò)展模擬量輸入模塊反饋至PLC中，在PLC內(nèi)通過(guò)電子膨脹閥開(kāi)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(kāi)度值對(duì)應(yīng)的4～20mA電流信號(hào)，控制電子膨脹閥的開(kāi)度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)供冷量和過(guò)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(yīng)以及超級(jí)可擴(kuò)展性，可以通過(guò)擴(kuò)展基本I/O單元和高功能I/O單元實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入和輸出，熱電偶的讀取等操作，CPU擴(kuò)展單元根據(jù)正面板上使用旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)設(shè)定的單元號(hào)來(lái)識(shí)別，可以在CPU裝置和每個(gè)擴(kuò)展裝置中最多連接10個(gè)配置單元。本試驗(yàn)裝置用到的CPU模塊和高功能I/O擴(kuò)展單元模塊見(jiàn)表1。

表1　本試驗(yàn)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(cè)量選用四線制鉑電阻，經(jīng)過(guò)M-SYSTEM溫度變送器，進(jìn)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(dòng)模塊是4～20mA輸入。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1控制流程說(shuō)明

控制電子膨脹閥最終開(kāi)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(jìn)行初始設(shè)定。在程序初始設(shè)定時(shí)，吸氣壓力值讀取通道需要設(shè)置的信息是將其通道打開(kāi)，并選用0～5V電壓信號(hào)，分辨率設(shè)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(hào)，分辨率設(shè)置為4000；熱電偶讀取通道需要通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)將此單位設(shè)置為℃，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)設(shè)置為0，并將旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至0的位置。電子膨脹閥開(kāi)度的輸出通道設(shè)置為4～20mA電流信號(hào)輸出，分辨率設(shè)置為4000。

圖2　電子膨脹閥控制流程圖

3.3過(guò)熱度PID控制輸出計(jì)算

壓縮機(jī)吸氣壓力和飽和溫度對(duì)應(yīng)的物性表是吸氣壓力0～21Bar對(duì)應(yīng)的飽和溫度值的一個(gè)關(guān)系表格，共劃分為122個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)。選用的壓力傳感器輸入是0～21Bar，輸出是0.5～4.5V電壓信號(hào)，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(gè)帶有小數(shù)點(diǎn)的值，所以其值在寫(xiě)入物性表存儲(chǔ)區(qū)域時(shí)可擴(kuò)大十倍，因此在PLC存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)建立物性表時(shí)，應(yīng)是0～21Bar的轉(zhuǎn)換數(shù)值400～3600對(duì)應(yīng)“飽和溫度*10”的一個(gè)關(guān)系表，其值都存放在D600～D844的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。

通過(guò)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(duì)應(yīng)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(kuò)大10倍之后與查表得出的飽和溫度值進(jìn)行比較，即可計(jì)算出當(dāng)前的過(guò)熱度，此計(jì)算得到的過(guò)熱度是實(shí)際過(guò)熱度的10倍值。

PIDAT指令是PLC可根據(jù)需要自動(dòng)計(jì)算P、I、D參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)C的設(shè)置含義從C～C+40，其中C～C+10的11個(gè)字需要用戶設(shè)置，其余C+11～C+40的30個(gè)字為指令工作區(qū)，用戶不可占用，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要設(shè)置PID的正反作用、采樣周期、濾波時(shí)間等參數(shù)。

過(guò)熱度PIDAT運(yùn)算時(shí)，設(shè)定的過(guò)熱度從觸摸屏畫(huà)面輸入，經(jīng)過(guò)畫(huà)面AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字，所以上述計(jì)算得到的過(guò)熱度應(yīng)再擴(kuò)大4倍，作為過(guò)程量參與PIDAT運(yùn)算。

3.4吸氣壓力PID控制輸出計(jì)算

吸氣壓力PID控制輸出使用PIDAT運(yùn)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(guò)程量，目標(biāo)值由PIDAT畫(huà)面輸入，在觸摸屏程序內(nèi)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字，在執(zhí)行PIDAT指令時(shí)需要設(shè)置PID的正反作用、采樣周期、濾波時(shí)間等參數(shù)，可見(jiàn)過(guò)熱度PID控制輸出參數(shù)設(shè)置，此段程序與過(guò)熱度PIDAT同理。

3.5開(kāi)度最小值運(yùn)算

從圖2測(cè)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(jìn)入PLC參與電子膨脹閥控制輸出計(jì)算，其值是通過(guò)模擬量輸入模塊CJ1W-AD081-V1讀取，讀取時(shí)需要通過(guò)撥碼將其模塊通道設(shè)定為4-20mA的電流輸入，分辨率設(shè)置為4000。電子膨脹閥開(kāi)度上限值在觸摸屏畫(huà)面內(nèi)輸入，在觸摸屏程序內(nèi)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字。

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

4　測(cè)試結(jié)果

應(yīng)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(gè)高精度溫控室中已得到廣泛驗(yàn)證，在觸摸屏內(nèi)建立制冷系統(tǒng)吸氣壓力和過(guò)熱度資料取樣，實(shí)時(shí)記錄的吸氣壓力及過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)控界面，板換側(cè)與機(jī)組側(cè)分別為壓縮機(jī)蒸發(fā)末端與機(jī)組本體，可以看出1#壓機(jī)和3#壓機(jī)過(guò)熱度曲線、壓力曲線均在舒適運(yùn)行范圍之內(nèi)，并且波動(dòng)較小，處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(guò)多個(gè)系統(tǒng)實(shí)踐總結(jié)得出：

圖4　壓冷機(jī)組壓力實(shí)時(shí)曲線

圖5　壓冷機(jī)組過(guò)熱度實(shí)時(shí)曲線

（1）歐姆龍CJ2M系列PLC，可利用CX-Program自帶的強(qiáng)大的功能指令庫(kù)，編程簡(jiǎn)易，且PIDAT指令的自整功能可有效應(yīng)對(duì)制冷系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境來(lái)按需適時(shí)調(diào)整。

（2）搭載了該控制策略的制冷系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)供冷量及限載壓力、過(guò)熱度的有效控制，對(duì)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(yīng)用該控制策略的高精度溫控系統(tǒng)，具備溫度或負(fù)荷變化響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，可推廣用于模塊式并聯(lián)供冷，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

［1］昝世超，張偉，張澤國(guó)，等.變負(fù)荷下制冷系統(tǒng)容量調(diào)節(jié)技術(shù)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(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，（03）：58～62.

［3］張寧，沙陸，郭皓.電子膨脹閥過(guò)熱度控制技術(shù)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(duì)蒸發(fā)器過(guò)熱度穩(wěn)定性的影響［J］.流體機(jī)械，2014，（04）：72～75.

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

［6］周海良，姜周曙，丁強(qiáng).用于制冷性能測(cè)試的電子膨脹閥測(cè)控系統(tǒng)［J］.機(jī)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(dòng)化控制、制冷試驗(yàn)裝置研制。

2015-02-05

2015-03-25