基于PLC的節能制冷系統設計

張陽+單海校+周東柳

摘 要：為解決當前冷庫能耗量大的問題，采用PLC實現系統自動化控制，并結合觸摸屏與變頻技術，通過變頻器改變壓縮機、冷凝風機、蒸發風機轉速來改變制冷劑的流量，最終實現對冷庫壓力、溫度的控制、監控與報警。選用實際溫度作為反饋信號，調節冷庫內的溫度，提高系統的溫控精度，延長使用壽命，實現高效節能。

關鍵詞：PLC 變頻 冷庫 節能

引言

隨著世界經濟逐步回升和結構調整加快，能源日趨匱乏，我國經濟也進入了快速成長期，但能源的匱乏與經濟增長的矛盾日益突出，國家也提出了節能型社會。冷庫制冷系統的耗電量相當的大，研發和推廣應用節能的冷庫制冷系統已經迫在眉睫。

制冷系統的自動控制是節能和提高制冷品質的最有效手段之一。本文使用三菱的PLC實現冷庫制冷系統的自動控制，并結合使用觸摸屏與變頻器，監控冷庫制冷系統以及實現壓縮機、冷凝風機、蒸發風機的變頻調速。

冷庫制冷系統結構組成與原理

1、結構組成

冷庫制冷系統有速凍、升溫、冷藏、除霜等主要功能。冷庫制冷系統主要有變頻壓縮機、變頻蒸發風機、夜視鏡、高效過冷器、變頻冷凝風機、干燥過濾器、各種電磁閥和其他閥等組成。為了使冷庫制冷系統安全運行，在變頻壓縮機上設置了高壓報警、高溫報警、低壓報警、相序報警，并分別通過高壓繼電器、高溫開關、低壓繼電器、相序指示器來實現。

2、冷庫制冷系統原理

冷庫制冷系統的PLC主機與變頻器結合使用，通過改變變頻器的輸出頻率改變制冷壓縮機、冷凝風機、蒸發風機的轉速，從而改變制冷劑流量的大小，控制制冷功率，調節冷庫內的溫度。選用實際溫度作為反饋信號參數，使冷庫內的溫度穩定維持在設定溫度，可以避免壓縮機、冷凝風機、蒸發風機的頻繁起動，延長使用壽命，并使冷庫制冷系統的運行狀態達到最佳效果，達到了安全可靠運行和高效節能的目的。

冷庫制冷系統硬件設計

冷庫制冷系統的主機使用三菱的FX2N-48MR-001，主要是由CPU、電源、存儲器、I/O接口等組成。由于冷庫冷藏系統需要控制較多的溫度、壓力等模擬量信號，因此，可以使用FX2N-8AD的模擬量輸入模塊。觸摸屏選用三菱的GT1155系列，觸摸屏控制主要功能有監視、報警、通信和控制。觸摸屏通過多種通信方式可與多種設備直接連接，以以太網的形式組成網絡化控制，通過RS-485/RS-422或者網線與小型PLC通信以監視PLC的運行。觸摸屏實現了冷庫制冷系統的啟?？刂?、設置冷藏集裝箱箱內的溫度、監控并及時顯示報警。變頻器選用三菱的FR-F740，變頻器有過流、缺相和短路等保護功能。

1、PLC主機與各個模塊接線圖

PLC主機FX2N-48MR-001通過RS-485串行通信接口把變頻器、觸摸屏進行連接。PLC主機與各個模塊接線圖如圖1所示。

圖1 PLC主機與各個模塊接線圖

2、主電路圖

主電路圖2中相序指示器可以用來監控主電路的相序，對電壓失衡、逆序和缺相進行保護，切斷主電路電源，對用電負載進行有效保護。當檢測到相序為正確時，接觸器KM1就會閉合接通，1#變頻器FR-F740啟動，1#變頻器FR-F740得電運行，壓縮機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當采集的溫度達到系統設定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，壓縮機低速運行，避免了壓縮機的頻繁啟動；變頻器自身帶有過流、過載、缺相、接地、短路等保護功能。當檢測到相序為正確時，接觸器KM2就會閉合接通，2#變頻器FR-F740啟動，2#變頻器FR-F740得電運行，冷凝風機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當采集的溫度達到系統設定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，冷凝風機低速運行，避免了冷凝風機的頻繁啟動。當檢測到相序為正確時，接觸器KM3就會閉合接通，3#變頻器FR-F740啟動，3#變頻器FR-F740得電運行，蒸發風機低頻軟啟動，隨著頻率的不斷升高，以工頻正常運行；當采集的溫度達到系統設定的溫度時，溫度控制信號就會改變變頻器頻率，變頻器將頻率降低，蒸發風機低速運行，避免了蒸發風機的頻繁啟動。當檢測到相序為正確時，接觸器KM4就會閉合接通，電熱融霜加熱器就會啟動加熱，熱繼電器FR1可以對電熱融霜加熱器實現過電流保護。

圖2 主電路圖

3、PLC輸入輸出的接線圖

三菱的FX2N-48MR-001與FX2N-8AD的模擬量輸入模塊連接起來，PLC通過FX2N-8AD的模擬量輸入模塊里的緩沖存儲器對數據進行交換、運算以及控制。PLC輸入輸出的接線圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出的接線圖

冷庫制冷系統軟件設計

1、冷庫制冷系統的流程圖

如圖4所示，系統開始，先設定溫度值T1，設定溫度值T1與回風溫度值T2進行比較，當設定溫度值T1小于等于回風溫度值T2時，進入降溫模式，否則，就進入升溫模式。在降溫模式中，當設定溫度值T1大于-18℃時，進入冷藏模式，否則，就進入速凍模式。系統開始后，計數器C0計6個數與6進行比較，當計數器C0大于6時，定時器就會定時20min，每經過20min，計數器C0加1，當計數器C0小于等于6時，開始除霜。

2、PLC程序設計

根據冷庫制冷系統的控制要求，使用三菱的PLC編程軟件GX Developer對制冷控制系統進行編程。

在融霜模式中，當計數器（C0）計6個數與6比較大小，當計數器大于6時，通用輔助繼電器（M52、M53）就會閉合接通，定時器（T7）定時20min，每經過20min，計數器加1，當計數器小于等于6時，開始除霜，通用輔助繼電器（M51）和融霜啟動（X13）就會閉合接通，電熱融霜加熱器接觸器（Y3）得電，定時器（T8）定時2S后，熱氣電磁閥（Y6）得電，電熱融霜加熱器啟動，進行融霜。融霜模式程序圖如圖5所示。

圖4 冷庫制冷系統的流程圖 圖5 融霜模式程序圖

3、觸摸屏界面設計

打開觸摸屏上的制冷系統啟動界面、監視界面與報警界面，可以看到制冷系統的控制、監視、報警面板，工作人員可以通過界面對制冷系統進行啟動、停止、監控與報警。監視界面可以實時監控并顯示系統的壓力、溫度的數值。報警界面可以對系統故障實時報警，提醒工作人員及時處理系統故障。

結語

采用PLC控制技術提高了系統的自動化水平，并使其使用和維護更加簡便，保證了系統的長時間安全無故障運行。系統采用觸摸屏與變頻技術，實現了對冷庫制冷系統的監控，解決了壓縮機、冷凝風機、蒸發風機的頻繁啟動，縮短了控制系統的滯后時間，延長了使用壽命，減少了系統控制誤差，提高了系統的控制精度，使冷庫的溫度達到最佳控制效果，提高了系統的節能效果。

參考文獻：

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（作者單位：浙江海洋學院船舶與海洋工程學院）endprint