小型冷库PLC自动控制系统设计及试验

刘焕卫,周秋淑,王培凤,王德法

(1.烟台大学海洋学院,山东 烟台 264005;2.烟台万德嘉空调设备有限公司,山东 烟台 264000;3.山东东方海洋科技股份有限公司,山东 烟台 264003)

应用技术

小型冷库PLC自动控制系统设计及试验

刘焕卫1,周秋淑1,王培凤2,王德法3

(1.烟台大学海洋学院,山东 烟台 264005;2.烟台万德嘉空调设备有限公司,山东 烟台 264000;3.山东东方海洋科技股份有限公司,山东 烟台 264003)

为解决小型冷库能耗高、温度波动大的问题,采用PLC自动控制系统,并对其进行了上、下位机程序设计和制冷性能实验．结果表明:小型冷库制冷系统制冷量与压缩机输入功率随着压缩机频率的升高而增大,而系统性能系数COP随着压缩机频率的升高而降低,但仍高于3.7,表明采用PLC自动控制运行的小型冷库具有较好的节能特性．采用PLC自动控制策略的小型冷库温度波动±0.3℃,且能够实现无人值守自动运行．

小型冷库;自动控制;频率;制冷性能

随着人民生活水平的提高,对小型冷库的需求越来越大,与此同时对冷库温度的波动要求越来越小[1]．目前,小型冷库多采用继电器逻辑电路组成的控制器,但是这种控制策略造成冷库能耗高、冷库温度波动大以及冷库温度调节滞后等缺点[2]．可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC[3-6]),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产．其具有多级、开放、模块化、可扩展的特点,可为冷库全自动控制提供解决方案,并能确保制冷系统安全、可靠、高效、稳定、节能运行[7]．因此,其广泛应用于冷库制冷系统的自动控制．张君艳等[8]对PLC在小型冷库恒温控制系统中的应用进行了研究,给出了制冷系统的设计要求、PLC控制的工艺流程及PLC的程序图．李忠等[9]将PLC控制系统和变频器对半封闭螺杆压缩机进行控制并对其进行了变频调节研究,达到了大型冷库节能降耗的目的．本文对实验室一小型冷库制冷系统采用PLC自动控制,对其上、下位机程序进行了设计,并进行了制冷性能实验研究．

1 小型冷库制冷系统

小型冷库制冷系统原理如图1．该制冷系统主要设备包括2台并联的变频涡旋压缩机、蒸发式冷凝器、冷风机、膨胀阀以及一些辅助设备,如油分离器、气液分离器、高压贮液器、截止阀、干燥过滤器等组成．

系统回路包括高压气体回路、高压液体回路、低压气体回路、低压液体回路、润滑油回路．涡旋压缩机可通过变频器在30～100 Hz频率范围内进行调节．蒸发器出口的过热度通过电子膨胀阀来调节．

该小型冷库试验系统采用上、下位机自动控制系统和运行监控界面予以实现自动且无人值守运行．为此,小型冷库制冷系统采用PLC S7-200CPU型号,其模块配置如表1．

图1 小型冷库制冷系统原理

表1 PLC模块及其功能参数

上、下位机控制界面分为自动运行监控界面(图2,图3)、压缩机运行监控界面、膨胀阀运行监控界面、变频器运行监控界面等．

图2 上位机自动控制监控界面

图3 下位机程序设计

2 实验及数据处理

对采用PLC自动控制的小型冷库进行了实验研究．重点分析冷库温度随运行时间波动变化规律,以及反应制冷系统能耗指标的制冷系统制冷量、压缩机输入功率以及制冷系统性能系数COP与压缩机频率的关系．

实验通过PLC自动调整压缩机频率来实现冷库温度的精确控制,实验参数由上位机实时显示并自动保存．图4为制冷系统压焓图．

图4 制冷系统p-h

制冷系统单位制冷量(kJ/kg),q0=h1′-h5;

压缩机单位比功(kJ/kg),w0=h2-h1′;

该制冷系统的质量流量(kg/s),qm=qv/3 600v;

其中:h1′、h2、h5分别为制冷剂各状态点比焓值(kJ/kg);qv为制冷剂体积流量(m3/h);v为压缩机吸气状态比体积(m3/kg)．

3 实验结果及分析

压缩机频率对制冷系统性能影响较大,本实验主要研究压缩机频率对制冷系统性能的影响规律．图5为制冷系统制冷量与压缩机频率的关系．

图5 制冷量与压缩机频率关系

由图5可以看出,随着压缩机频率的增加,系统的制冷量呈现出增大的趋势,压缩机频率由40 Hz增加到80 Hz,制冷量由25 kW左右增加到50 kW左右,这是因为当压缩机的频率增大时,转速随之增大,输气量又与转速成正比,就会造成压缩机的输气量增加,从而使得系统的制冷剂流量增加,系统制冷量随之增大．

图6为压缩机电功率与压缩机频率的关系．由图6可知,随着压缩机频率由40 Hz增加到80 Hz,压缩机输入功率由5.4 kW左右增大到了13.3 kW左右．这是因为随着压缩机频率的增加,压缩机的转速增加,而电机的输入功率的变化率是转速变化率的三次方,因而压缩机输入电功率增大．

图6 压缩机功率与机频率的关系

图7为制冷系统性能系数COP与压缩机频率的关系．由图7可知,随着压缩机频率的增大,制冷系统的COP随之下降,COP从4.67下降到3.73左右．分析原因为制冷量和输入功率与压缩机转速也近似呈正比关系,这就意味着蒸发器和冷凝器之间的传热负荷与相应的传热温差增大,当室内、外环境温度不变的条件下,冷凝温度升高,蒸发温度降低,就造成压比pk/p0增大,相应的系统所消耗的电功率就增加,而系统的制冷量增加的速度比电功率增加的小,从而就使性能系数减少,分析结果与文献[10]较为吻合．

图7 制冷系统COP与压缩机频率的关系

由图7可知,小型冷库制冷系统COP在压缩机频率80 Hz时仍高于3.7．

图8为PLC自动控制时冷库内温度的变化曲线．由图8可知,随着运行时间由9:00至21:30,冷库在自动控制状态下,库内温度的最大值为2.3 ℃,最小值为1.9 ℃,温度波动范围较小,且昼夜温度变化不明显,受夜间环境温度变化的影响较小．通过自动调节使库内温度维持在控制范围内,满足了库内储藏食品的需求．

图8 PLC自动控制时库内温度变化曲线

Fig.8 Temperature variation curve of cold storage with PLC au-tomatic control

4 结 论

对小型冷库实验系统采用PLC上、下位机自动控制系统设计并对其制冷性能进行了实验研究．结论有2点.

(1)压缩机频率在40～80 Hz内变化时,制冷系统性能系数COP高于3.7,表明采用PLC自动控制运行的小型冷库具有较好的节能特性和部分负荷特性．

(2)采用PLC自动控制策略的小型冷库温度波动±0.3℃,且能够实现无人值守自动运行．

[1] 胡云峰, 李喜宏,朱志强,等.果蔬保鲜温度梯度试验冷库的设计与效果分析[J].农业工程学报,2005, 21(7):132-135.

[2] 罗晓珍.PLC在小型冷库控制系统中的应用[J].机械工程与自动化,2010(2):164-165.

[3] 张洪臣, 任益夫, 李凤丽, 等. 基于PLC的农村小型冷库微电脑控制系统设计及试验[J]. 农机化研究, 2011,5:162-165.

[4] 叶翠安, 吴晶, 卢晓春, 等. PLC技术在冷库自动控制中的应用[J]. 机电工程技术, 2010,39(7):116-118.

[5] 周晓龙, 吕恩丽, 陆华忠, 等. 果蔬气调贮运保鲜环境控制技术发展研究[J]. 农机化研究, 2013,10:242-244.

[6] 单海校. PLC在小型冷库压缩机控制系统中的应用[J]. 浙江海洋学报:自然科学版, 2004,23(1):87-90.

[7] 胡日刚.浅谈PLC控制在自动化冷库中的应用[J].制冷与空调,2013,13(6):16-18.

[8] 张君艳,石桂荣. PLC在小型冷库恒温控制系统中的应用[J]. 机械制造与自动化,2009,38(6):156-160.

[9] 李忠,常雪华,李子彦. PLC控制条件下变频器在螺杆压缩机制冷中的运用[J]. 食品工业,2014,35(5):182-184.

[10] 王周,连之伟,范晓伟,等.高温热泵压缩机频率对循环参数的影响[J].流体机械,2009, 37(5):5-8.

(责任编辑 苏晓东)

PLC Automatic Control System Design and Experiments of Cold Storage

LIU Huan-wei1, ZHOU Qiu-shu1, WANG Pei-feng2, WANG De-fa3

(1.School of Ocean, Yantai University,Yantai 264005, China;2. Yantai Wandejia Air-conditioning Equipment Co., Ltd,Yantai 264000, China;3. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China)

In order to solve problems of the high energy consumption and large temperature fluctuation of cold storage, PLC automatic control system is applied to the cold storage, and program of the master and slave computer is designed. Furthermore, the cooling performances are also experimentally investigated. The experimental results show that the cooling capacity and compressor input power are direct ratio with compressor frequency, but the coefficient of performance(COP) is reverse with it. The COP is above 3.7 in different frequency, which indicates that the cold storage with PLC automatic control system has good energy saving character. Furthermore, the temperature fluctuation of cold storage with PLC automatic control strategy is ±0.3℃, and the cold storage could complete unattended operation.

cold storage; automatic control; compressor frequency; cooling performance

1004-8820(2015)04-0303-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.013

2014-11-27

山东省自然科学基金资助项目(ZR2015EL033);烟台大学博士启动基金(HX12B7)．

刘焕卫(1982- ),男,山东临沂人,讲师,博士,研究方向为燃气机热泵,新型替代制冷剂.

TB66;TP273

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