海水流化冰制取設備電氣控制系統的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備的穩定性差、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備，利用PLC系統編程簡單、擴展容易、穩定性強、抗干擾能力強等特點，并結合海水流化冰制取設備的控制要求，設計了PLC控制系統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備的工作狀態。

關鍵詞 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小冰晶粒子的固液兩相溶液，其冰晶粒子細小綿密，流動性強，可利用泵輸送，也稱為冰漿、二元冰[1-2]，是一種不同于傳統冰種的新型冷卻介質，廣泛應用于水產品低溫保鮮領域，具有換熱面積大、冷卻速度快、不破壞產品表皮等優點。在沿海地區，為了提高水產品的低溫保鮮質量，通常利用海水流化冰對水產品進行低溫保鮮，所以保證海水流化冰制取設備高效、穩定的工作狀態越發重要。

隨著計算機控制技術的發展，以微處理器為核心的可編程邏輯控制器（PLC）廣泛應用于工業自動化領域，PLC系統構成靈活、擴展容易、使用方便、編程簡單、能適應各種惡劣的運行環境、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系統的優勢，結合海水流化冰制取設備的控制要求，設計了海水流化冰PLC控制系統的硬件接線圖和軟件梯形程序，最終將海水流化冰制取設備控制系統改造為以PLC為核心的控制系統。

1 系統改造方案

1.1 控制系統總體設計

海水流化冰制取設備控制系統的改造以歐姆龍CP1E系列PLC為核心[3-4]，歐姆龍NB系列觸摸屏為監控操作界面，可以實現遠程控制和顯示海水流化冰制取設備工作狀態，上位PC機為個人計算機。PLC設備帶有編程口與RS232接口，通過編程口可以與上位PC機通訊，將程序寫入PLC。在控制系統中采用RS232通訊線實現PLC與觸摸屏的通訊，各類傳感器將相應開關量輸入信號傳輸到PLC，再由PLC設備控制制冰水泵、壓縮機、減速電機和冷凝水泵，系統結構框圖如圖1所示。

1.2 工作原理介紹

海水流化冰制取設備屬于單級蒸汽壓縮制冷系統，由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥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，制冷劑在這個系統中不斷地循環流動，不斷發生狀態變化，與外界進行熱量交換。海水流化冰制取設備系統工作原理圖如圖2所示，制冷劑在蒸發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放熱形成高壓液體，并經過膨脹閥變為低溫低壓的制冷劑，再次進入蒸發器吸熱汽化，形成循環制冷的效果。同時，制冰水泵將配制好的海水輸送至制冰桶（蒸發器）內，低溫低壓的制冷劑蒸發吸熱，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節流量計算。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備中增加流量開關傳感器，保證系統的正常運行。

1.3 PLC控制系統電路設計

海水流化冰制取設備的電氣控制系統通過壓力控制器、流量開關等傳感器對壓縮機、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備中電氣控制系統是由繼電器進行控制的，并不能滿足設備系統構成靈活、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。該研究根據海水流化冰制取設備的控制要求，選用歐姆龍CP1E-N30SDR-A型為PLC控制器。海水流化冰制取設備中電氣控制系統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

根據海水流化冰制取設備的控制要求，采用經驗設計法來編寫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，流化冰制取設備正常工作，通過調節流量計可制出不同濃度的流化冰。當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的最小值時，WFS觸點斷開，原本保持接通狀態的KA2中間繼電器斷開，KA2觸點復原，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控制點數的要求。HMI的組態設計通過NBDesigner軟件編寫，組態設計完成后經過編譯可通過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，組態設計中各元件的地址與PLC相應元件的地址一致，通過觸摸屏可以控制流化冰設備的啟動與停止，并在設備出現高低壓保護和冰濃度過高或缺水的情況時亮起相應的指示燈，以便排除海水流化冰設備的故障。

2 結論與展望

基于歐姆龍PLC和HMI的海水流化冰制取設備控制系統，克服了以往控制不穩定、故障率高、可擴展性差等缺點。在實際應用過程中，可以根據設備的要求并配合CXProgrammer軟件對PLC梯形圖程序進行修改，實現流化冰設備的多功能應用，如清洗、控制冰濃度等功能。后期研發中，將海水流化冰控制系統接入互聯網，可通過聯網計算機或手機對海水流化冰制取設備進行遠程控制。