基于PLC的制冷控制系统设计与研究

宋翔 张彬 张大伟

关键词：制冷系统;PLC;控制;监测;节能

0引言

制冷系统是工业工程中不可或缺的辅助系统，比如计算机服务器散热、货物低温存储等。根据基本结构组成，可将制冷系统分成空气调节系统、热源监测系统和温度控制系统，而温度控制系统的合理性是决定节能环保效果的关键翻。从原理上讲，制冷系统需要针对热源产生的热量获取相应的制冷量，而压缩机的工作频率与输出功率控制是影响制冷量的关键主控因素。因此，本文通过先进的控制方法，调节压缩机的工作参数，使其具有良好的合理性与经济性。此外，电能消耗过大是制冷系统难以解决的关键问题，通用控制系统的优化，能够实现节能改进，表现出良好的经济效益和社会效益。

1系统功能设计

1.1控制要求分析

针对制冷系统的工作原理，可将控制系统的基本组成分为核心控制器、变频控制器、监测传感器、数据采集单元、数据存储与分析单元等。通过这些组成部分的合理配置，协同工作，最终实现基于PID控制的变频控制，以实现智能控制和节能效果。

本文以大型中央空调制冷系统为例，对控制条件进行分析，得出系统主要存在的问题有：

（1）无法实现远程调控，包括监控系统，大部分操作依赖于人工经验，没有连续调节功能，节能效果不佳;

（2）传感器配置不全，缺少重要的温度、压力、流量等传感器，使得人工操作持续滞后于环境温度的改变需求，制冷效果实时性较差，同时也消耗一定的人工费;

（3）对于故障的预测和预警缺少相应的匹配功能，当部分设备发生损坏后，容易造成总体的制冷失效，导致较大的经济损失;

（4）压缩机、水泵等驱动机械装置多数采用了直流直控方式，缺少变频处理，冷却量难以通过功率调节得到合理的控制。

由于目前的压缩机一旦开机就会以50Hz满负载的条件下快速启动，缺少软启动过程，大型设备对电网的冲击较大。这样一来，不但导致水泵的无效功增大，水资源的浪费增多，而且冷却量的控制精度不足。针对以上问题，本文对控制系统提出以下要求：

（1）增加合理的能源控制策略，在确保节能环保的基本要求下实现自动化操作，降低人力成本;

（2）实时保持设备处于最佳的工作状态，以实现使用寿命的增大，降低设备维护与维修的成本;

（3）实现设备运行于最佳工况，使设备更换的周期延长，同时便于设备的保养和维修;

（4）具备完善的监测与监控功能，从而有效地改善制冷控制系统的管理能力，使得工作人员能够在最短的时间内发现问题和解决问题;

（5）改造水泵、压缩机的控制方式，以变频改造为基础，基于PLC设计出一套完备的自动调节系统。

1.2控制目标

在被控对象的控制目标设定方面，该系统采用主动集散式控制策略，将被控对象集成为一体，以整体的形式对制冷进行温度调节、时间补偿等控制。该控制目标可使得整个控制系统保持稳定性，节能效果显著。此外，系统在特殊情况下还能够单独进行控制，因此需要针对核心被控对象设定单独的控制箱，以避免断电等意外故障带来的不良效应。

在功能目标设定方面，该系统主要的设计内容有：水泵组状态信息监测与分析、制冷量反馈;温度监测;连锁信号处理、软启动控制、联动运行响应控制、变频控制、控制逻辑编制等。为实现最佳的节能控制效果，制冷系统中的水泵、风机、压缩机和冷水机组等设备具有严格启动和运行次序。在数据传输方面，增加远程通讯功能，基于GPRS实现不同设备间的通讯。

2系统硬件设计

2.1总体设计方案

為确保系统的可靠性，简化控制网的繁琐性，制冷控制系统的核心处理器选用PLC，以满足多功能的稳定性。根据制冷设备的工作原理，设计控制系统的总体设计方案如图1所示。在整个系统中，通过PLC可实现不同制冷位置和换热管道内的压力、温度的精确控制。在传感器信息的反馈作用下，水泵、压缩机等机械设备可进行变频调速，各循环换热器件的关闭和开启自动控制，最终实现节能效果。上位机主要用于发送控制指令和接收反馈数据，基于组态王6.02监控软件实现，不但能够对相关的参数数据进行总结、数显、存储、分析，而且能够根据被监测设备的位置进行编序和远程控制。制冷控制保留了手动控制功能，以保证系统的可靠性。

2.2 PLC选型

综合考虑性价比和控制目标，系统采用日本三菱FX系列的PLC作为核心控制器，主单元类型编号为FX1N-14MR。该PLC所包含的I/0接口数量非常多，存储量满足多信息要求，其主机接线原理图如图2所示。

该类型PLC具有较强的模块拓展功能，特定的拓展板卡能够提升多层次的数据通讯能力，且不需要外设电源，可直接连接主机系统。

2.3气流量监测电路设计

目前，利用专用芯片、集中式和分布式的方法，可以实现控制信号及传感器参数的测量。集中式检测方法只需一套完整的检测电路即可实现检测，这种方法依赖于浮动技术。其是指利用扫描的方法在较短的时间内采集温度即空气流量数据，然后分时进行分析。虽然该方法具有成本低的优点，但也存在精度低、开发困难等缺点。一般来说，分布式检测是指每个制冷区域都有自己独特的检测电路。之间没有任何关系，只是通过孤立的通信交换数据。另外，还有一个专门的芯片可以采集各个电气设备的参数信息。为了实现PLC对区域控制的独立性，系统采用了如图3所示的光耦隔离CAN通信技术。

在设计数据采集电路时，通常采用集中测量。但是，通过对采集到的数据进行分析，可以看出该方法的测量精度并不理想。然而，在预算放大器和精密电阻的帮助下，对采集到的信号进行调整后，精度将提高到1.2%。然而，该系统还存在信号调节困难、抗干扰能力差等缺点。因此，采用分布式方法，其精度高达0.1%。不需要调整信号，具有很高的抗干扰能力。

2.4温度监测电路设计

在系统的设计中，每个降温区域需要设置一个DSl8820。当采用18820实现信息传输时，有其独特的方式。在多温度检测过程中，可以有效简化系统接线。18820的DQ口与控制器的I/0口相连，每个18820连接到3.3v电源电压。对于多个不等温度测量，有若干个DSl8820连接在一条总线上。其主要功能是识别不同的序列号18820。每个18820都有一个64位的序列号，并设置在ROM中，只有在获得相应的序列号之后，才能对传感器进行一系列的操作。18B20型具有运行可靠、选号准确等优点。

3结束语

在基于PLC智能控制下的制冷系统，不但能够有效地针对当前环境温度进行闭环反馈，及时调整至最合适的制冷量，而且能够避免压缩机、水泵等机械设备长期处于高载荷状态，软启动控制的总体节能效果显著。目前，随着控制技术和计算机技术的发展，智能化控制系统在制冷系统中的应用越来越广泛。结合互联网技术，制冷系统能够实现远程控制和故障诊断，可以提升电气系统和机械系统的安全性和可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。