船舶空调控制系统的改装

刘干武 李光华 陈金增 何晨枭

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

船舶空调控制系统的改装

刘干武 李光华 陈金增 何晨枭

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

某船舶空调控制系统采用的是多片式微机控制，由于其结构复杂、控制技术落后、备件供应困难，因而需要对该空调控制系统进行功能性替换。可编程控制器（PLC）因其良好的性能和低廉的价格被广泛应用于控制系统中，故选用西门子S7－200系列作为空调控制系统的核心。改装主要从两个方面分析：一方面硬件替代必须选择市场化、国有化的产品；另一方面软件程序必须保证空调机组能安全运行并满足要求，同时能够实现故障检测与分析。经试验，改装后的系统运行良好，满足要求。

船舶空调系统；控制系统；可偏程控制器；改装

1 引言

空调是船舶重要的辅助机械。空调设备的任务就是将舱室空气温度和湿度调节在一定的范围内，为船员的生活和工作创造一个适宜的大气环境。对于保障电子、通信、机电设备的正常运行以及船员的身体健康发挥着极其重要的作用。

该船舶空调装置采用了螺杆式冷水机组，其优点有噪声和振动低，可靠性高，操作维护方便，动力平衡好，适应性强等［1］。但为实现压缩机能量调节和各种安全保护，空调装置电控系统的设计异常复杂，使用的是多片式微机控制。由于该电控系统控制结构复杂、控制技术落后、装置备件的保障困难且价格昂贵，因此有必要对电控系统进行功能性替换。

进行功能性替换时的设计思路：

1）遵循功能替代的原则，满足原有设备物理接口、电器接口和技术参数不变、不改变机组的系统配置，达到原机组的性能指标要求；

2）采用成熟先进的控制理论和技术，使得控制更加合理、操作更加简单、维修更加方便；

3）改装后的系统既能实现自动控制也能进行手动控制，并根据要求设定相应的压力、温度检测点，并以开关量的形式控制各回路的工作状况切换（运行／停机），达到制冷量自动切换的目的。

4）改装后的系统应最大限度地减少能量损耗。

进行装置功能性替换时，首先就要了解和掌握原装置系统的结构、性能及不足之处，然后从两个方面进行替换研究：一是硬件替换，主要原则是替换产品的国产化、市场化和标准化，同时兼顾产品之间的匹配；二是软件编程，必须保证空调机组能安全运行并满足要求，同时能够实现故障检测与分析。通过对原装置的电控系统进行分析，拟合出原装置控制规律，并通过验证，从而实现更优的控制。

2 硬件的替换

2.1 电控系统的结构

如图1所示，该船舶空调电控系统的控制核心是程序控制模块，程序控制模块主要用于自动停开机、自动能量调节、机组的安全保护、温度显示等等。这种控制系统模块结构复杂，由24个功能模块和组件组成，且模块和组件互相关联，一旦某处出现故障，整套装置将处于瘫痪状态。而且这种控制系统结构较大，安装、保养和维修都很困难，因此改装就是针对这一复杂的控制系统展开的。

2.2 控制装置的选择

针对以上复杂的电路结构，最好的方式就是应用简单的、便宜的、可靠性高的、维修性好的产品来替代以上控制电路，目前应用最为广泛的就是可编程控制器。可编程控制器利用最基本的逻辑运算、定时、计数等功能进行逻辑控制，可以取代传统的继电器控制系统，特别是随着计算机技术的发展，使得可编程控制器更加智能化、功能更强大、整体性能更高，它必将以代表当今电气控制技术的世界先进水平的身份，真正成为继电—接触器控制系统的替代产品［2］。

图1 原控制系统电气原理图

目前，可编程控制器型号、种类和生产厂家比较多，且分布在全国各地，针对装置本身的要求选择合适的型号非常有利，同时备件的配备也比较方便、快捷。西门子S7－200系列PLC因其强大的功能、先进的程序结构、灵活的寻址方法、使用方便的编程软件、强大的通信功能、较高的性能价格比和丰富的人机界面等特点，适用于各行各业、各种场合的监测及控制的自动化。该系列产品符合多项国家和国际标准及相应的技术规范，在硬件质量和可靠性及防护等级方面有较好的表现，同时考虑输入输出的点位数，因而选用西门子S7－200 CPU226作为控制核心。可编程控制器在螺杆式制冷压缩机的控制方面已有很多成功应用的实例［3-5］。

2.3 具体替换方案

1）保留冷媒水泵、冷凝水泵、压缩机电机和滑阀控制机构电控箱，由可编程控制器控制启停；

2）原装置的程序控制模块，改为西门子S7－200 CPU226型PLC控制，并选择相应的操作按钮、接触器、继电器等，仪表选择以压缩机安全为第一原则［6］；

3）选用EM235A／D、D／A转换模块配温度、压力、电流变送器；

4）空调控制系统接口的匹配：计算机系统与显示面板接口，与冷媒水泵、冷凝水泵的控制接口，与压力、温度、转速、电流变送器接口，与能量调节结构的接口设计；

5）显示和操作员界面选用了西门子经济好用的文本显示器 TD200，PLC与 TD200采用RS485通信协议；

6）使用ZB系列电动调节器代替原装置能量调节器，控制螺杆式制冷压缩机滑阀的移动，从而控制其能量输出；

7）系统使用原控制台的127 V、50 Hz单相交流电。

3 软件的设计

3.1 主程序控制流程

根据控制对象的工艺要求，采用结构化程序设计方法，完成PLC控制程序的设计和调试。主要模块功能包括：人机交互、数据采集、控制调节、保护报警、通信等［7］。

开机系统初始化，系统接到开机指令后，首先进行故障检测，如无故障且水温在设定范围外，压缩机延时启动，压缩机以25%能量运行30 s后根据水温进行能量调节。

系统进入螺杆压缩机能量调节时，通过控制滑阀的左右移动来实现，使压缩机依据热负荷的大小自动进行能量调节，依据热负荷的大小分别以25%、50%、75%和100%几个能量状态运行。本系统依据当前测量水温Tt、前次测量水温Tt－Δt、下次预测温度Tt＋Δt、设定的水温Ts、温度采样周期Δt等参数进行调节，能量调节参数

其中Tt＋（Tt－Tt－Δt）＝Tt＋Δt［8］。A＞1增加一级能量，1≥A≥－1能量维持不变，A＜－1减少一级能量。这种调节方式既考虑了水温偏差又考虑了水温变化率，因而调节更加合理。

系统接到停机指令时系统按程序首先以25%能量状态运行30 s，然后进入停机程序。机组停机后自动进行检测。

螺杆压缩机监测控制系统工作流程如图2所示：

图2 程序控制流程框图

3.2 故障保护功能

机组运行时各故障检测点的开关信号输入PLC，由PLC控制各类故障信号产生相应的动作和报警，同时对各类模拟量和温度模块的状态进行监测。

机组保护主要包括：冷媒水温度低温保护、滑油温度过高保护、压缩机排出温度过高保护、吸入压力过低保护、排出压力过高保护、全船系统向冷凝器供水保护发送器、滑阀执行机构电动机过载保护、冷媒水泵与螺杆压缩机的连锁保护等。

以上任意一个保护动作后，可编程控制器保证在所有控制工况下按顺序断开压缩机的各部分机械：控制滑阀的直流电动机——压缩机交流电动机——冷媒水泵电动机——冷凝水泵电动机。

电控系统故障时，在机械设备保护自检完好的情况下，可应急手动启动、停止压缩机电机、冷媒水泵和冷凝器水泵，提高空调装置的适用性、可靠性和安全性。

3.3 故障显示及判断

各种端口检测的参数值只有在设定的延时后仍超过规定值，才产生相应的故障信号，这是为了防止某些干扰以确保故障的真实性。机组故障时停止压缩机。故障时故障信息在TD200上闪烁显示，直到故障排除后可在TD200上复位，此时故障报警灯熄灭，否则复位无效。

当系统发生故障时，经故障专家系统分析，在TD200上会直接显示出故障的具体原因和部位，这样更有利于故障的排除，缩短了排查故障的时间从而提高了系统的可靠性。

4 改装后的PLC接线图

经过改装后，控制系统结构和接线更加简单、可靠性更高、维修性更好，而且控制功能主要是通过软件编程的方式实现的，这就减少了硬件系统的结构，同时也为模糊算法、神经网络、遗传算法等在空调控制系统中的应用提供了可能，如图3所示。

图3 改装后的可编程控制器接线图

5 结论

改装后的空调控制系统经过性能试验及型式试验等各种测试，均符合原装置所规定的性能要求。改装后的系统不仅控制线路简化、控制性能提高、可靠性也大大提高，而且模块化的西门子可编程控制器更利于维修。因此，改装后的螺杆压缩机控制系统更优于原装置的产品。经鉴定的空调控制系统已在该引进船舶上安装并进行了试运行，试运行的结果表明：操作简单，监控方便，完全可以替换原空调控制装置。

随着科学技术的迅猛发展，自动控制技术也取得了飞速发展，尤其是PID与先进的算法结合运用到PLC控制器中［9］，如神经网络、模糊算法、遗传算法、蚁群算法等等，将这些算法运用到PLC控制器中，必定能够实现对螺杆制冷压缩机控制系统更好的监测、管理和控制，这也是未来空调控制发展的方向。同时，螺杆压缩机变频控制与PLC控制结合也是未来空调控制发展的一个趋势［10］。

［1］喻志强，林子良，于洋.国内螺杆压缩机的发展现状［J］.通用机械，2006（8）：18－20.

［2］张传兴.浅议可编程序控制器对传统继电器的冲击［J］.科技创新导报，2008（32）：102－103.

［3］廖常初.PLC编程及应用.第3版［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］朱平，仲华.螺杆式风冷热泵机组的PLC控制系统［J］.制冷与空调，2004，4（1）：58－60.

［5］侯伟.PLC在双螺杆压缩机控制系统中的应用［J］.石油化工自动化，2008，44（4）：34－36.

［6］陆德民，黄步余.石油化工自动控制设计手册.第3版［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［7］肖风华.螺杆制冷压缩机组微电脑控制系统设计与实现［D］.武汉：武汉大学，2004.

［8］朱平，仲华.螺杆压缩机能量的模糊控制方法［J］.制冷与空调，2004，4（2）：50－51，41.

［9］Samo Gerkšicˇ，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］蔡宗莲，焦玉学，于志强，等.复叠式螺杆压缩机组的变频控制［J］.制冷与空调，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

刘干武（1983-），男，硕士研究生。研究方向：空调控制系统研究。E鄄mail：824066268@qq.com