基于CJ2M框架下的电子膨胀阀控制策略研究

张　超， 张　伟， 赵红波， 马小津（.合肥通用机械研究院，安徽合肥30088；.约克广州空调冷冻设备有限公司，广东广州5500）

基于CJ2M框架下的电子膨胀阀控制策略研究

张超1， 张伟1， 赵红波2， 马小津1
（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥230088；2.约克广州空调冷冻设备有限公司，广东广州511500）

在制冷空调用试验装置中，制冷系统采用电子膨胀阀控制较热力膨胀阀具有调节精准、逻辑植入便捷、可控性强的优势，但合理有效的控制策略是保证其良好性能得以实现的关键。本文着重研究基于欧姆龙CJ2M系列PLC框架下的电子膨胀阀控制策略，及其软硬件设计思路，以实现电子膨胀阀对对制冷系统可靠性（过热度、限载运行压力）与供冷性能的双重精准控制。实践结果表明，搭载了该控制策略的制冷系统，控制逻辑调节简便，系统运行稳定可靠，有效的实现了制冷系统的高精度冷输出、长时可靠运行。

电子膨胀阀； 过热度； CJ2M； 制冷试验装置

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.018

0　引言

在制冷系统设计中，电子膨胀阀比起热力膨胀阀在控制精度、逻辑植入、可靠运行上都存在明显的优势，也因此得到了越来越广泛的应用［1，2］。本文主要是基于欧姆龙CJ2M系列PLC框架，在高精度温度控制室背景下，研究与实践电子膨胀阀开度的控制策略及其软硬件实现［3］。

高精度温度温控室中的温度控制通常依赖于空气 处理系统热源和冷源的状态平衡来实现，考虑到冷热源的分时输出及节能性，温控室温度控制采用冷热表控制可调热源与可调冷源，热源有电加热、蒸汽加热、热载体加热等方式，冷源有电子膨胀阀控制制冷剂蒸发流量、载冷剂供应量调节供冷等方式［4～6］。本文着重研究直接蒸发供冷的电子膨胀阀控制制冷剂流量冷源策略，来实现制冷系统过热度、限载压力的可靠性控制及制冷剂流量直接作用下的供冷量控制。

1　温控系统基本原理

控制系统主要包括PLC控制器及扩展模块、数据采集传感器（铂电阻、压力传感器、热电偶）、PID调节表、温度变送器、执行元件（电子膨胀阀、调功器、电磁阀）、触摸屏等，控制系统的基本结构框如图1所示。

高精度温控室通过铂电阻温度取样来测量温度，将温度值经变送器转成1-5V的电压信号反馈给测试间干球温度PID调节表，此调节表选用冷热表，热源控制调功器调节电加热，制冷端输出至PLC中，经过PLC控制算法的运算，控制制冷系统的电子膨胀阀开度，实现对温控室温度控制。温度调节表控制原理图如下图2所示。

在制冷系统控制中，采用热电偶感知压缩机的吸气点温度，配合吸气侧压力传感器测量压力，将采集到的温度值和压力值经过PLC的扩展模拟量输入模块反馈至PLC中，在PLC内通过电子膨胀阀开度值的控制逻辑，最终由模拟量输出通道输出电子膨胀阀开度值对应的4～20mA电流信号，控制电子膨胀阀的开度值，实现对制冷系统供冷量和过热度的调节。

图1　控制系统基本结构框图

图2　温度控制原理图

2　PLC控制系统硬件组成

欧姆龙CJ2M-CPU33是欧姆龙CJ2M系列的PLC，具有优越的性能、更快的I/O响应以及超级可扩展性，可以通过扩展基本I/O单元和高功能I/O单元实现模拟量的输入和输出，热电偶的读取等操作，CPU扩展单元根据正面板上使用旋转开关设定的单元号来识别，可以在CPU装置和每个扩展装置中最多连接10个配置单元。本试验装置用到的CPU模块和高功能I/O扩展单元模块见表1。

表1　本试验装置采用的PLC配置

控制系统采集用的传感器，如温控室温度测量选用四线制铂电阻，经过M-SYSTEM温度变送器，进入冷热调节表；吸气压力选用麦克0～21Bar的的压力传感器，电子膨胀阀通用驱动模块是4～20mA输入。

3　控制系统软件设计

3.1控制流程说明

控制电子膨胀阀最终开度输出段程序流程图如图3所示。

3.2程序初始化

程序初始化需要将CJ1W-AD081-V1的吸气压力值读取通道、CJ1W-PTS51的热电偶读取通道，以及CJ1W-DA041电子膨胀阀输出通道进行初始设定。在程序初始设定时，吸气压力值读取通道需要设置的信息是将其通道打开，并选用0～5V电压信号，分辨率设置为4000，而PID调节表输出的读取通道选用4～20mA电流信号，分辨率设置为4000；热电偶读取通道需要通过拨动开关将此单位设置为℃，小数点位数设置为0，并将旋转开关旋转至0的位置。电子膨胀阀开度的输出通道设置为4～20mA电流信号输出，分辨率设置为4000。

图2　电子膨胀阀控制流程图

3.3过热度PID控制输出计算

压缩机吸气压力和饱和温度对应的物性表是吸气压力0～21Bar对应的饱和温度值的一个关系表格，共划分为122个对应点。选用的压力传感器输入是0～21Bar，输出是0.5～4.5V电压信号，而压力模块的输入通道是0～5V，分辨率是4000，并且饱和温度是一个带有小数点的值，所以其值在写入物性表存储区域时可扩大十倍，因此在PLC存储区域内建立物性表时，应是0～21Bar的转换数值400～3600对应“饱和温度*10”的一个关系表，其值都存放在D600～D844的存储区域内。

通过APR指令可将CJ1W-AD081-V1模拟输入通道读取到的吸气压力值在程序内查表得出对应的饱和温度值，CJ1W-PTS51的热电偶输入模块读取的吸气温度值扩大10倍之后与查表得出的饱和温度值进行比较，即可计算出当前的过热度，此计算得到的过热度是实际过热度的10倍值。

PIDAT指令是PLC可根据需要自动计算P、I、D参数，并实现PID控制参数C的设置含义从C～C+40，其中C～C+10的11个字需要用户设置，其余C+11～C+40的30个字为指令工作区，用户不可占用，在实际运用时需要设置PID的正反作用、采样周期、滤波时间等参数。

过热度PIDAT运算时，设定的过热度从触摸屏画面输入，经过画面AD转换成0～4000的数字，所以上述计算得到的过热度应再扩大4倍，作为过程量参与PIDAT运算。

3.4吸气压力PID控制输出计算

吸气压力PID控制输出使用PIDAT运算指令，模拟量输入模块CJ1W-AD081-V1读取的吸气压力值作为PIDAT的过程量，目标值由PIDAT画面输入，在触摸屏程序内经过AD转换成0～4000的数字，在执行PIDAT指令时需要设置PID的正反作用、采样周期、滤波时间等参数，可见过热度PID控制输出参数设置，此段程序与过热度PIDAT同理。

3.5开度最小值运算

从图2测试间干球温度控制原理图可以看出，PID调节表冷端输出进入PLC参与电子膨胀阀控制输出计算，其值是通过模拟量输入模块CJ1W-AD081-V1读取，读取时需要通过拨码将其模块通道设定为4-20mA的电流输入，分辨率设置为4000。电子膨胀阀开度上限值在触摸屏画面内输入，在触摸屏程序内经过AD转换成0～4000的数字。

计算电子膨胀阀开度值，是取PID调节表输出、过热度PID控制输出、吸气压力PID过热度控制输出和开度上限值四者的逻辑最小值。

4　测试结果

应用本文控制策略的电子膨胀阀制冷系统，其可行性和可靠性在多个高精度温控室中已得到广泛验证，在触摸屏内建立制冷系统吸气压力和过热度资料取样，实时记录的吸气压力及过热度曲线。

如图4和图5中的制冷系统是直接蒸发供冷给载冷剂的板换型两套系统实时监控界面，板换侧与机组侧分别为压缩机蒸发末端与机组本体，可以看出1#压机和3#压机过热度曲线、压力曲线均在舒适运行范围之内，并且波动较小，处于平稳运行状态。

5　结语

通过对欧姆龙CJ2M系列PLC框架的深入理解和直接蒸发供冷电子膨胀阀控制策略研究，通过多个系统实践总结得出：

图4　压冷机组压力实时曲线

图5　压冷机组过热度实时曲线

（1）欧姆龙CJ2M系列PLC，可利用CX-Program自带的强大的功能指令库，编程简易，且PIDAT指令的自整功能可有效应对制冷系统的复杂运行环境来按需适时调整。

（2）搭载了该控制策略的制冷系统，可有效实现对供冷量及限载压力、过热度的有效控制，对于直接蒸发制冷系统性能与可靠性提升具有显著效果。

（3）应用该控制策略的高精度温控系统，具备温度或负荷变化响应快、调节精度高、运行经济性高等优点，可推广用于模块式并联供冷，具有很广泛的应用前景。

［1］昝世超，张伟，张泽国，等.变负荷下制冷系统容量调节技术研究［J］.制冷与空调，2014，（10）：25～28.

［2］王汝金，张秀平，贾磊，等.空调压缩机变容量调节技术［J］.低温与超导，2011，（03）：58～62.

［3］张宁，沙陆，郭皓.电子膨胀阀过热度控制技术研究［J］.制冷，2013，（02）：15～18.

［4］章晓龙，李征涛，陈忆喆，等.电子膨胀阀对蒸发器过热度稳定性的影响［J］.流体机械，2014，（04）：72～75.

［5］由玉文，吴爱国，张志刚，等.基于最小稳定过热度的制冷系统变负荷优化控制［J］.低温与超导，2011，（11）：1～6.

［6］周海良，姜周曙，丁强.用于制冷性能测试的电子膨胀阀测控系统［J］.机电工程，2012，（12）：1405～1409.

Research on Electronic Expansion Valve Control Strategy Based on the CJ2M Framework

ZHANG Chao1， ZHANG Wei1， ZHAO Hong-bo2， MA Xiao-jin1
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China；2.York Guangzhou Air Conditioner and Refrigeration Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 511500，China）

In the experimental test device of refrigeration，refrigeration system used electronic expansion valve control compared with thermal expansion valve control has more advantages，such as adjusting precision，logic into the convenient and strong controllability，but reasonable and effective control strategy is the key to ensure the realization of the good performance.This paper focuses on the control strategy that based on the electronic expansion valve under Omron CJ2M series PLC frame，and hardware and software design method，in order to realize the double control of the cooling system's reliability （superheat and limit load operating pressure）and the cooling performance.Practical results show that refrigeration system which used the control strategy can run steadily and reliably，the control logic of the regulation is simple，effective realize the refrigeration system of high precision cold output and long-term reliable operation.

electronic expansion valve； superheat； CJ2M； experimental test device of refrigeration

TB65

B

2095-3429（2015）02-0068-04

张超（1985-），男，安徽六安人，硕士，研究方向：自动化控制、制冷试验装置研制。

2015-02-05

2015-03-25