基于PLC的制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

宋翔 張彬 張大偉

關(guān)鍵詞：制冷系統(tǒng);PLC;控制;監(jiān)測;節(jié)能

0引言

制冷系統(tǒng)是工業(yè)工程中不可或缺的輔助系統(tǒng)，比如計(jì)算機(jī)服務(wù)器散熱、貨物低溫存儲等。根據(jù)基本結(jié)構(gòu)組成，可將制冷系統(tǒng)分成空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱源監(jiān)測系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，而溫度控制系統(tǒng)的合理性是決定節(jié)能環(huán)保效果的關(guān)鍵翻。從原理上講，制冷系統(tǒng)需要針對熱源產(chǎn)生的熱量獲取相應(yīng)的制冷量，而壓縮機(jī)的工作頻率與輸出功率控制是影響制冷量的關(guān)鍵主控因素。因此，本文通過先進(jìn)的控制方法，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的工作參數(shù)，使其具有良好的合理性與經(jīng)濟(jì)性。此外，電能消耗過大是制冷系統(tǒng)難以解決的關(guān)鍵問題，通用控制系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能改進(jìn)，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1控制要求分析

針對制冷系統(tǒng)的工作原理，可將控制系統(tǒng)的基本組成分為核心控制器、變頻控制器、監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)存儲與分析單元等。通過這些組成部分的合理配置，協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)基于PID控制的變頻控制，以實(shí)現(xiàn)智能控制和節(jié)能效果。

本文以大型中央空調(diào)制冷系統(tǒng)為例，對控制條件進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)主要存在的問題有：

（1）無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，包括監(jiān)控系統(tǒng)，大部分操作依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，沒有連續(xù)調(diào)節(jié)功能，節(jié)能效果不佳;

（2）傳感器配置不全，缺少重要的溫度、壓力、流量等傳感器，使得人工操作持續(xù)滯后于環(huán)境溫度的改變需求，制冷效果實(shí)時(shí)性較差，同時(shí)也消耗一定的人工費(fèi);

（3）對于故障的預(yù)測和預(yù)警缺少相應(yīng)的匹配功能，當(dāng)部分設(shè)備發(fā)生損壞后，容易造成總體的制冷失效，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失;

（4）壓縮機(jī)、水泵等驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置多數(shù)采用了直流直控方式，缺少變頻處理，冷卻量難以通過功率調(diào)節(jié)得到合理的控制。

由于目前的壓縮機(jī)一旦開機(jī)就會以50Hz滿負(fù)載的條件下快速啟動(dòng)，缺少軟啟動(dòng)過程，大型設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊較大。這樣一來，不但導(dǎo)致水泵的無效功增大，水資源的浪費(fèi)增多，而且冷卻量的控制精度不足。針對以上問題，本文對控制系統(tǒng)提出以下要求：

（1）增加合理的能源控制策略，在確保節(jié)能環(huán)保的基本要求下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，降低人力成本;

（2）實(shí)時(shí)保持設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)使用壽命的增大，降低設(shè)備維護(hù)與維修的成本;

（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行于最佳工況，使設(shè)備更換的周期延長，同時(shí)便于設(shè)備的保養(yǎng)和維修;

（4）具備完善的監(jiān)測與監(jiān)控功能，從而有效地改善制冷控制系統(tǒng)的管理能力，使得工作人員能夠在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題;

（5）改造水泵、壓縮機(jī)的控制方式，以變頻改造為基礎(chǔ)，基于PLC設(shè)計(jì)出一套完備的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1.2控制目標(biāo)

在被控對象的控制目標(biāo)設(shè)定方面，該系統(tǒng)采用主動(dòng)集散式控制策略，將被控對象集成為一體，以整體的形式對制冷進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)、時(shí)間補(bǔ)償?shù)瓤刂?。該控制目?biāo)可使得整個(gè)控制系統(tǒng)保持穩(wěn)定性，節(jié)能效果顯著。此外，系統(tǒng)在特殊情況下還能夠單獨(dú)進(jìn)行控制，因此需要針對核心被控對象設(shè)定單獨(dú)的控制箱，以避免斷電等意外故障帶來的不良效應(yīng)。

在功能目標(biāo)設(shè)定方面，該系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容有：水泵組狀態(tài)信息監(jiān)測與分析、制冷量反饋;溫度監(jiān)測;連鎖信號處理、軟啟動(dòng)控制、聯(lián)動(dòng)運(yùn)行響應(yīng)控制、變頻控制、控制邏輯編制等。為實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能控制效果，制冷系統(tǒng)中的水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和冷水機(jī)組等設(shè)備具有嚴(yán)格啟動(dòng)和運(yùn)行次序。在數(shù)據(jù)傳輸方面，增加遠(yuǎn)程通訊功能，基于GPRS實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的通訊。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

為確保系統(tǒng)的可靠性，簡化控制網(wǎng)的繁瑣性，制冷控制系統(tǒng)的核心處理器選用PLC，以滿足多功能的穩(wěn)定性。根據(jù)制冷設(shè)備的工作原理，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。在整個(gè)系統(tǒng)中，通過PLC可實(shí)現(xiàn)不同制冷位置和換熱管道內(nèi)的壓力、溫度的精確控制。在傳感器信息的反饋?zhàn)饔孟?，水泵、壓縮機(jī)等機(jī)械設(shè)備可進(jìn)行變頻調(diào)速，各循環(huán)換熱器件的關(guān)閉和開啟自動(dòng)控制，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。上位機(jī)主要用于發(fā)送控制指令和接收反饋數(shù)據(jù)，基于組態(tài)王6.02監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)，不但能夠?qū)ο嚓P(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、數(shù)顯、存儲、分析，而且能夠根據(jù)被監(jiān)測設(shè)備的位置進(jìn)行編序和遠(yuǎn)程控制。制冷控制保留了手動(dòng)控制功能，以保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2 PLC選型

綜合考慮性價(jià)比和控制目標(biāo)，系統(tǒng)采用日本三菱FX系列的PLC作為核心控制器，主單元類型編號為FX1N-14MR。該P(yáng)LC所包含的I/0接口數(shù)量非常多，存儲量滿足多信息要求，其主機(jī)接線原理圖如圖2所示。

該類型PLC具有較強(qiáng)的模塊拓展功能，特定的拓展板卡能夠提升多層次的數(shù)據(jù)通訊能力，且不需要外設(shè)電源，可直接連接主機(jī)系統(tǒng)。

2.3氣流量監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

目前，利用專用芯片、集中式和分布式的方法，可以實(shí)現(xiàn)控制信號及傳感器參數(shù)的測量。集中式檢測方法只需一套完整的檢測電路即可實(shí)現(xiàn)檢測，這種方法依賴于浮動(dòng)技術(shù)。其是指利用掃描的方法在較短的時(shí)間內(nèi)采集溫度即空氣流量數(shù)據(jù)，然后分時(shí)進(jìn)行分析。雖然該方法具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在精度低、開發(fā)困難等缺點(diǎn)。一般來說，分布式檢測是指每個(gè)制冷區(qū)域都有自己獨(dú)特的檢測電路。之間沒有任何關(guān)系，只是通過孤立的通信交換數(shù)據(jù)。另外，還有一個(gè)專門的芯片可以采集各個(gè)電氣設(shè)備的參數(shù)信息。為了實(shí)現(xiàn)PLC對區(qū)域控制的獨(dú)立性，系統(tǒng)采用了如圖3所示的光耦隔離CAN通信技術(shù)。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路時(shí)，通常采用集中測量。但是，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出該方法的測量精度并不理想。然而，在預(yù)算放大器和精密電阻的幫助下，對采集到的信號進(jìn)行調(diào)整后，精度將提高到1.2%。然而，該系統(tǒng)還存在信號調(diào)節(jié)困難、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。因此，采用分布式方法，其精度高達(dá)0.1%。不需要調(diào)整信號，具有很高的抗干擾能力。

2.4溫度監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，每個(gè)降溫區(qū)域需要設(shè)置一個(gè)DSl8820。當(dāng)采用18820實(shí)現(xiàn)信息傳輸時(shí)，有其獨(dú)特的方式。在多溫度檢測過程中，可以有效簡化系統(tǒng)接線。18820的DQ口與控制器的I/0口相連，每個(gè)18820連接到3.3v電源電壓。對于多個(gè)不等溫度測量，有若干個(gè)DSl8820連接在一條總線上。其主要功能是識別不同的序列號18820。每個(gè)18820都有一個(gè)64位的序列號，并設(shè)置在ROM中，只有在獲得相應(yīng)的序列號之后，才能對傳感器進(jìn)行一系列的操作。18B20型具有運(yùn)行可靠、選號準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

3結(jié)束語

在基于PLC智能控制下的制冷系統(tǒng)，不但能夠有效地針對當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行閉環(huán)反饋，及時(shí)調(diào)整至最合適的制冷量，而且能夠避免壓縮機(jī)、水泵等機(jī)械設(shè)備長期處于高載荷狀態(tài)，軟啟動(dòng)控制的總體節(jié)能效果顯著。目前，隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能化控制系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，制冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和故障診斷，可以提升電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。