船舶空調(diào)控制系統(tǒng)的改裝

劉干武 李光華 陳金增 何晨梟

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033

船舶空調(diào)控制系統(tǒng)的改裝

劉干武 李光華 陳金增 何晨梟

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033

某船舶空調(diào)控制系統(tǒng)采用的是多片式微機(jī)控制，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制技術(shù)落后、備件供應(yīng)困難，因而需要對(duì)該空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能性替換。可編程控制器（PLC）因其良好的性能和低廉的價(jià)格被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，故選用西門子S7－200系列作為空調(diào)控制系統(tǒng)的核心。改裝主要從兩個(gè)方面分析：一方面硬件替代必須選擇市場(chǎng)化、國(guó)有化的產(chǎn)品；另一方面軟件程序必須保證空調(diào)機(jī)組能安全運(yùn)行并滿足要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測(cè)與分析。經(jīng)試驗(yàn)，改裝后的系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足要求。

船舶空調(diào)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；可偏程控制器；改裝

1 引言

空調(diào)是船舶重要的輔助機(jī)械。空調(diào)設(shè)備的任務(wù)就是將艙室空氣溫度和濕度調(diào)節(jié)在一定的范圍內(nèi)，為船員的生活和工作創(chuàng)造一個(gè)適宜的大氣環(huán)境。對(duì)于保障電子、通信、機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行以及船員的身體健康發(fā)揮著極其重要的作用。

該船舶空調(diào)裝置采用了螺桿式冷水機(jī)組，其優(yōu)點(diǎn)有噪聲和振動(dòng)低，可靠性高，操作維護(hù)方便，動(dòng)力平衡好，適應(yīng)性強(qiáng)等［1］。但為實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)和各種安全保護(hù)，空調(diào)裝置電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，使用的是多片式微機(jī)控制。由于該電控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制技術(shù)落后、裝置備件的保障困難且價(jià)格昂貴，因此有必要對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行功能性替換。

進(jìn)行功能性替換時(shí)的設(shè)計(jì)思路：

1）遵循功能替代的原則，滿足原有設(shè)備物理接口、電器接口和技術(shù)參數(shù)不變、不改變機(jī)組的系統(tǒng)配置，達(dá)到原機(jī)組的性能指標(biāo)要求；

2）采用成熟先進(jìn)的控制理論和技術(shù)，使得控制更加合理、操作更加簡(jiǎn)單、維修更加方便；

3）改裝后的系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制也能進(jìn)行手動(dòng)控制，并根據(jù)要求設(shè)定相應(yīng)的壓力、溫度檢測(cè)點(diǎn)，并以開關(guān)量的形式控制各回路的工作狀況切換（運(yùn)行／停機(jī)），達(dá)到制冷量自動(dòng)切換的目的。

4）改裝后的系統(tǒng)應(yīng)最大限度地減少能量損耗。

進(jìn)行裝置功能性替換時(shí)，首先就要了解和掌握原裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能及不足之處，然后從兩個(gè)方面進(jìn)行替換研究：一是硬件替換，主要原則是替換產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化、市場(chǎng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)兼顧產(chǎn)品之間的匹配；二是軟件編程，必須保證空調(diào)機(jī)組能安全運(yùn)行并滿足要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測(cè)與分析。通過(guò)對(duì)原裝置的電控系統(tǒng)進(jìn)行分析，擬合出原裝置控制規(guī)律，并通過(guò)驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的控制。

2 硬件的替換

2.1 電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該船舶空調(diào)電控系統(tǒng)的控制核心是程序控制模塊，程序控制模塊主要用于自動(dòng)停開機(jī)、自動(dòng)能量調(diào)節(jié)、機(jī)組的安全保護(hù)、溫度顯示等等。這種控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由24個(gè)功能模塊和組件組成，且模塊和組件互相關(guān)聯(lián)，一旦某處出現(xiàn)故障，整套裝置將處于癱瘓狀態(tài)。而且這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大，安裝、保養(yǎng)和維修都很困難，因此改裝就是針對(duì)這一復(fù)雜的控制系統(tǒng)展開的。

2.2 控制裝置的選擇

針對(duì)以上復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，最好的方式就是應(yīng)用簡(jiǎn)單的、便宜的、可靠性高的、維修性好的產(chǎn)品來(lái)替代以上控制電路，目前應(yīng)用最為廣泛的就是可編程控制器。可編程控制器利用最基本的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能進(jìn)行邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得可編程控制器更加智能化、功能更強(qiáng)大、整體性能更高，它必將以代表當(dāng)今電氣控制技術(shù)的世界先進(jìn)水平的身份，真正成為繼電—接觸器控制系統(tǒng)的替代產(chǎn)品［2］。

圖1 原控制系統(tǒng)電氣原理圖

目前，可編程控制器型號(hào)、種類和生產(chǎn)廠家比較多，且分布在全國(guó)各地，針對(duì)裝置本身的要求選擇合適的型號(hào)非常有利，同時(shí)備件的配備也比較方便、快捷。西門子S7－200系列PLC因其強(qiáng)大的功能、先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)、靈活的尋址方法、使用方便的編程軟件、強(qiáng)大的通信功能、較高的性能價(jià)格比和豐富的人機(jī)界面等特點(diǎn)，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。該系列產(chǎn)品符合多項(xiàng)國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，在硬件質(zhì)量和可靠性及防護(hù)等級(jí)方面有較好的表現(xiàn)，同時(shí)考慮輸入輸出的點(diǎn)位數(shù)，因而選用西門子S7－200 CPU226作為控制核心。可編程控制器在螺桿式制冷壓縮機(jī)的控制方面已有很多成功應(yīng)用的實(shí)例［3-5］。

2.3 具體替換方案

1）保留冷媒水泵、冷凝水泵、壓縮機(jī)電機(jī)和滑閥控制機(jī)構(gòu)電控箱，由可編程控制器控制啟停；

2）原裝置的程序控制模塊，改為西門子S7－200 CPU226型PLC控制，并選擇相應(yīng)的操作按鈕、接觸器、繼電器等，儀表選擇以壓縮機(jī)安全為第一原則［6］；

3）選用EM235A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊配溫度、壓力、電流變送器；

4）空調(diào)控制系統(tǒng)接口的匹配：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與顯示面板接口，與冷媒水泵、冷凝水泵的控制接口，與壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電流變送器接口，與能量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計(jì)；

5）顯示和操作員界面選用了西門子經(jīng)濟(jì)好用的文本顯示器 TD200，PLC與 TD200采用RS485通信協(xié)議；

6）使用ZB系列電動(dòng)調(diào)節(jié)器代替原裝置能量調(diào)節(jié)器，控制螺桿式制冷壓縮機(jī)滑閥的移動(dòng)，從而控制其能量輸出；

7）系統(tǒng)使用原控制臺(tái)的127 V、50 Hz單相交流電。

3 軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主程序控制流程

根據(jù)控制對(duì)象的工藝要求，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，完成PLC控制程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試。主要模塊功能包括：人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、保護(hù)報(bào)警、通信等［7］。

開機(jī)系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)接到開機(jī)指令后，首先進(jìn)行故障檢測(cè)，如無(wú)故障且水溫在設(shè)定范圍外，壓縮機(jī)延時(shí)啟動(dòng)，壓縮機(jī)以25%能量運(yùn)行30 s后根據(jù)水溫進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)控制滑閥的左右移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使壓縮機(jī)依據(jù)熱負(fù)荷的大小自動(dòng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，依據(jù)熱負(fù)荷的大小分別以25%、50%、75%和100%幾個(gè)能量狀態(tài)運(yùn)行。本系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前測(cè)量水溫Tt、前次測(cè)量水溫Tt－Δt、下次預(yù)測(cè)溫度Tt＋Δt、設(shè)定的水溫Ts、溫度采樣周期Δt等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能量調(diào)節(jié)參數(shù)

其中Tt＋（Tt－Tt－Δt）＝Tt＋Δt［8］。A＞1增加一級(jí)能量，1≥A≥－1能量維持不變，A＜－1減少一級(jí)能量。這種調(diào)節(jié)方式既考慮了水溫偏差又考慮了水溫變化率，因而調(diào)節(jié)更加合理。

系統(tǒng)接到停機(jī)指令時(shí)系統(tǒng)按程序首先以25%能量狀態(tài)運(yùn)行30 s，然后進(jìn)入停機(jī)程序。機(jī)組停機(jī)后自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。

螺桿壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示：

圖2 程序控制流程框圖

3.2 故障保護(hù)功能

機(jī)組運(yùn)行時(shí)各故障檢測(cè)點(diǎn)的開關(guān)信號(hào)輸入PLC，由PLC控制各類故障信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作和報(bào)警，同時(shí)對(duì)各類模擬量和溫度模塊的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

機(jī)組保護(hù)主要包括：冷媒水溫度低溫保護(hù)、滑油溫度過(guò)高保護(hù)、壓縮機(jī)排出溫度過(guò)高保護(hù)、吸入壓力過(guò)低保護(hù)、排出壓力過(guò)高保護(hù)、全船系統(tǒng)向冷凝器供水保護(hù)發(fā)送器、滑閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)、冷媒水泵與螺桿壓縮機(jī)的連鎖保護(hù)等。

以上任意一個(gè)保護(hù)動(dòng)作后，可編程控制器保證在所有控制工況下按順序斷開壓縮機(jī)的各部分機(jī)械：控制滑閥的直流電動(dòng)機(jī)——壓縮機(jī)交流電動(dòng)機(jī)——冷媒水泵電動(dòng)機(jī)——冷凝水泵電動(dòng)機(jī)。

電控系統(tǒng)故障時(shí)，在機(jī)械設(shè)備保護(hù)自檢完好的情況下，可應(yīng)急手動(dòng)啟動(dòng)、停止壓縮機(jī)電機(jī)、冷媒水泵和冷凝器水泵，提高空調(diào)裝置的適用性、可靠性和安全性。

3.3 故障顯示及判斷

各種端口檢測(cè)的參數(shù)值只有在設(shè)定的延時(shí)后仍超過(guò)規(guī)定值，才產(chǎn)生相應(yīng)的故障信號(hào)，這是為了防止某些干擾以確保故障的真實(shí)性。機(jī)組故障時(shí)停止壓縮機(jī)。故障時(shí)故障信息在TD200上閃爍顯示，直到故障排除后可在TD200上復(fù)位，此時(shí)故障報(bào)警燈熄滅，否則復(fù)位無(wú)效。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)故障專家系統(tǒng)分析，在TD200上會(huì)直接顯示出故障的具體原因和部位，這樣更有利于故障的排除，縮短了排查故障的時(shí)間從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 改裝后的PLC接線圖

經(jīng)過(guò)改裝后，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接線更加簡(jiǎn)單、可靠性更高、維修性更好，而且控制功能主要是通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)的，這就減少了硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等在空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能，如圖3所示。

圖3 改裝后的可編程控制器接線圖

5 結(jié)論

改裝后的空調(diào)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)性能試驗(yàn)及型式試驗(yàn)等各種測(cè)試，均符合原裝置所規(guī)定的性能要求。改裝后的系統(tǒng)不僅控制線路簡(jiǎn)化、控制性能提高、可靠性也大大提高，而且模塊化的西門子可編程控制器更利于維修。因此，改裝后的螺桿壓縮機(jī)控制系統(tǒng)更優(yōu)于原裝置的產(chǎn)品。經(jīng)鑒定的空調(diào)控制系統(tǒng)已在該引進(jìn)船舶上安裝并進(jìn)行了試運(yùn)行，試運(yùn)行的結(jié)果表明：操作簡(jiǎn)單，監(jiān)控方便，完全可以替換原空調(diào)控制裝置。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)也取得了飛速發(fā)展，尤其是PID與先進(jìn)的算法結(jié)合運(yùn)用到PLC控制器中［9］，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法、蟻群算法等等，將這些算法運(yùn)用到PLC控制器中，必定能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)螺桿制冷壓縮機(jī)控制系統(tǒng)更好的監(jiān)測(cè)、管理和控制，這也是未來(lái)空調(diào)控制發(fā)展的方向。同時(shí)，螺桿壓縮機(jī)變頻控制與PLC控制結(jié)合也是未來(lái)空調(diào)控制發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)［10］。

［1］喻志強(qiáng)，林子良，于洋.國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.通用機(jī)械，2006（8）：18－20.

［2］張傳興.淺議可編程序控制器對(duì)傳統(tǒng)繼電器的沖擊［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（32）：102－103.

［3］廖常初.PLC編程及應(yīng)用.第3版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］朱平，仲華.螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組的PLC控制系統(tǒng)［J］.制冷與空調(diào)，2004，4（1）：58－60.

［5］侯偉.PLC在雙螺桿壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2008，44（4）：34－36.

［6］陸德民，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).第3版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［7］肖風(fēng)華.螺桿制冷壓縮機(jī)組微電腦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢大學(xué)，2004.

［8］朱平，仲華.螺桿壓縮機(jī)能量的模糊控制方法［J］.制冷與空調(diào)，2004，4（2）：50－51，41.

［9］Samo Gerk?icˇ，Gregor Dolanc，Damir Vrancˇi c，et al.Advanced control algorithms embedded in a programmable Logic controller［J］.Control Engineering Practice，2006，14（8）：935－948.

［10］蔡宗蓮，焦玉學(xué)，于志強(qiáng)，等.復(fù)疊式螺桿壓縮機(jī)組的變頻控制［J］.制冷與空調(diào)，2008，8（4）：81－84，100.

Refit of Air-conditioning Control System on a Ship

Liu Gan-wu Li Guang-hua Chen Jin-zeng He Chen-xiao
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

The air－conditioning system on a certain ship was controlled by a multi－piece microcomputer.Due to its complex configuration，outdated technology and inconvenient supply of spare parts，the control system should be replaced functionally.Programmable Logic Controller（PLC）is widely used in control systems because of its better capabilities and lower price.Naturally Siemens S7－200 PLC was selected as the air－conditioning control center.Two major factors should be considered during the refit：one was that the hardware substitute must be selected among the COTs and homemade products，the other was that the software program must ensure that air－conditioning unit could run safely，meet the demands and has fault diagnosis and analysis.The test proves that the refitted system can run very smoothly and fully meet the demands.

marine air-conditioning system；control system；programmable logic controller；refit

TB657

A

1673－3185（2009）06－30－04

2009-04-16

劉干武（1983-），男，碩士研究生。研究方向：空調(diào)控制系統(tǒng)研究。E鄄mail：824066268@qq.com