PLC、HMI在商用制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC、HMI在商用制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

在商用制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)的控制大都采用機(jī)械式控制，眾所周知，機(jī)械式控制存在著許多不足，如：體積龐大，接線麻煩，不易維護(hù)，同時(shí)控制精度差，致使制冷系統(tǒng)中制冷劑的壓力波動(dòng)太大，造成制冷效果差，冷藏食品解凍受損，給用戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些采用單片機(jī)，工控機(jī)控制的控制器。但是，采用單片機(jī)開發(fā)的控制器由于抗干擾能力差，人機(jī)界面不夠友好，操作繁瑣，給用戶帶來了很多麻煩，所以，也沒有得到普及。而采用工控機(jī)控制的控制器由于大多是國(guó)外引進(jìn)的產(chǎn)品，全英文界面，不僅操作繁瑣，而且價(jià)格昂貴，大多數(shù)用戶不能接受。因而也得不到推廣，本文介紹的控制器正好填補(bǔ)了這一空白。它不僅體積小，接線簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，維護(hù)方便；同時(shí)控制精度高，運(yùn)行可靠，使制冷系統(tǒng)中制冷劑的壓力波動(dòng)很小，制冷效果好，冷藏品得到了很好的保護(hù)；最近用于冷鏈中廣泛使用的并聯(lián)機(jī)組，對(duì)冷量變化的精確調(diào)節(jié)和壓縮機(jī)運(yùn)行壽命的均勻調(diào)節(jié)，非常適合并聯(lián)機(jī)組的實(shí)際使用情況；并且，價(jià)格適中，因而受到了廣大用戶的普遍歡迎。五年來全國(guó)累計(jì)四十多套投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

二、系統(tǒng)的控制原理

本控制器主機(jī)采用三菱公司的PLC，型號(hào)為：FX2N—48MR，數(shù)據(jù)采集部分采用三菱公司的數(shù)據(jù)采集模塊，型號(hào)為：FX2N—4A/D，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視的人機(jī)界面采用三菱公司的圖形操作終端，型號(hào)為：F940GOT。同時(shí)，由主機(jī)，調(diào)制解調(diào)器，公用電話網(wǎng)，計(jì)算機(jī)，SCADA軟件組成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工作原理：首先，通過FX2N—4A/D采集系統(tǒng)壓力，電壓，溫度以及設(shè)備的保護(hù)等信號(hào)，并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，抗干擾濾波，然后進(jìn)行模擬量的量化和標(biāo)度變換，與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較判斷，根據(jù)比較結(jié)果和保護(hù)信號(hào)控制壓縮機(jī)的啟動(dòng)與停止。當(dāng)需要開機(jī)時(shí)，首先，根據(jù)所有壓縮機(jī)的開機(jī)時(shí)間，判斷哪一臺(tái)壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)間最短，然后，判斷其保護(hù)信號(hào)是否正常？如果正常，則開機(jī)，否則判斷下一臺(tái)壓縮機(jī)，……直到最后一臺(tái)。反之，當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，首先根據(jù)所有壓縮機(jī)的開機(jī)時(shí)間判斷哪一臺(tái)壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)，然后，輸出停機(jī)控制信號(hào)。

正常工作情況下，任何一臺(tái)壓縮機(jī)的保護(hù)信號(hào)出現(xiàn)故障，主機(jī)一旦檢測(cè)到故障信號(hào)，立即輸出停機(jī)信號(hào)，停止相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，告訴值班人員系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要人工監(jiān)視。同時(shí)，主機(jī)一旦檢測(cè)到故障的恢復(fù)信號(hào)，也會(huì)立即輸出開機(jī)信號(hào)，啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)。

F940GOT是人機(jī)接口圖形操作終端，通過它可以輸入系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可以手動(dòng)操作，例如：手動(dòng)啟動(dòng)或停止壓縮機(jī)等等。它可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行的各種狀態(tài)。另外，壓縮機(jī)的各種保護(hù)信號(hào)可以通過主機(jī)的開關(guān)量輸入端輸入PLC作為壓縮機(jī)的開機(jī)條件。安裝了SCADA軟件的計(jì)算機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器，公用電話網(wǎng)與PLC 連接，可以實(shí)時(shí)讀取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用本系統(tǒng)可以預(yù)防系統(tǒng)即將出現(xiàn)的故障，并及時(shí)采取補(bǔ)救措施，從而為客戶挽回不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

三、系統(tǒng)的硬件框圖

圖1系統(tǒng)硬件組成

輸入部分：輸入部分包括模擬信號(hào)輸入和開關(guān)信號(hào)輸入兩部分組成。

模擬信號(hào)包括：安裝在吸氣集管上的吸氣壓力傳感器（0~200PSIG），和安裝在排氣集管上的排氣壓力傳感器(0~500PSIG)和溫度傳感器。還有監(jiān)視系統(tǒng)供電電壓的電壓傳感器。

開關(guān)信號(hào)包括：安裝在壓縮機(jī)上的電子熱保護(hù)（溫度探頭安裝在電機(jī)繞組內(nèi)），安裝在壓縮機(jī)吸氣側(cè)的低壓開關(guān)，安裝在壓縮機(jī)排氣側(cè)的高壓開關(guān)，油位控制器，油壓差控制器. 電子熱保護(hù)根據(jù)安裝在電機(jī)繞組內(nèi)的溫度探頭感知的繞組溫度的高低，發(fā)出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)斷開控制回路，反之則接通控制回路，主要防止因繞組溫度過高而導(dǎo)致的壓縮機(jī)故障。安裝在壓縮機(jī)吸氣側(cè)的低壓開關(guān)主要用于：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)械后備狀態(tài)時(shí)，根據(jù)吸氣壓力的高低來控制壓縮機(jī)的開/停。安裝在壓縮機(jī)排氣側(cè)的高壓開關(guān)則用于：當(dāng)排氣壓力超過上限設(shè)定值時(shí)斷開控制回路，停止壓縮機(jī)的運(yùn)行，防止由于排氣壓力過高而造成的壓縮機(jī)故障。油位控制器：當(dāng)壓縮機(jī)的瑞滑油供應(yīng)不上時(shí)（系統(tǒng)油位低于某一設(shè)定值時(shí)）斷開控制回路，停止壓縮機(jī)的運(yùn)行，可以有效防止壓縮機(jī)因缺油干磨導(dǎo)致的損壞。油壓差控制器.用于監(jiān)測(cè)半封閉壓縮機(jī)高低壓腔油壓差，當(dāng)油壓差太小時(shí)將出現(xiàn)潤(rùn)滑油供應(yīng)不上，影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑，將導(dǎo)致壓縮機(jī)干磨。還有監(jiān)視系統(tǒng)供電電源的相序保護(hù)器。

輸出部分：通過中間繼電器控制壓縮機(jī)和報(bào)警。

另外：一方面，主機(jī)通過RS 422接口與觸模屏（圖形操作終端F940GOT）連接，觸模屏作為一種人機(jī)接口，可以通過它進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)視等等。另一方面，主機(jī)通過RS 232接口與調(diào)制解調(diào)器連接，通過公用電話網(wǎng)，把系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行工況傳送到遠(yuǎn)方的計(jì)算機(jī)以便于進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。

四、控制軟件的編制思路

在控制軟件編制之前，首先要搞清楚影響壓縮機(jī)運(yùn)行的各種因素，以及各種因素本身的特性和它們之間的相互關(guān)系，結(jié)合本控制器，影響壓縮機(jī)運(yùn)行的各種因素如下：

系統(tǒng)的吸氣壓力
系統(tǒng)的供電電壓
三相電源的相序保護(hù)
壓縮機(jī)的電子熱保護(hù)
壓縮機(jī)的低壓開關(guān)
壓縮機(jī)的高壓開關(guān)
壓縮機(jī)的油位控制器
壓縮機(jī)的油壓差控制器

正常情況下，在設(shè)備安裝完畢后首先應(yīng)校正三相電源的相序，保證三相電源的相序是正確的；系統(tǒng)的供電電壓應(yīng)處于正常范圍內(nèi)（線電壓為交流380V±15%）。當(dāng)壓縮機(jī)的電子熱保護(hù)探測(cè)到的繞組溫度正常，壓縮機(jī)的排氣壓力低于設(shè)定值，壓縮機(jī)的油位正常，壓縮機(jī)的油壓差控制在必要的范圍內(nèi)，此時(shí)當(dāng)系統(tǒng)的吸氣壓力高于設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)即可以開機(jī)運(yùn)行。

在設(shè)備運(yùn)行過程中，三相電源的相序是不變的，當(dāng)系統(tǒng)的供電電壓超出正常范圍（線電壓為交流380V±15%）時(shí)，控制器將發(fā)出電壓故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，將停止所有正在運(yùn)行的壓縮機(jī)，提醒值班人員檢查系統(tǒng)電源供電情況，直到解除故障。

在設(shè)備運(yùn)行過程中，無論壓縮機(jī)的電子熱保護(hù)，壓縮機(jī)的高壓開關(guān)，壓縮機(jī)的油位控制器，壓縮機(jī)的油壓差控制器那一個(gè)出現(xiàn)故障，都可以隨時(shí)停止相應(yīng)的壓縮機(jī)；當(dāng)故障解除后，相應(yīng)的壓縮機(jī)即可根據(jù)控制器的需要隨時(shí)投入運(yùn)行。

壓縮機(jī)的低壓開關(guān)主要用于機(jī)械后備。當(dāng)主控制器故障時(shí)將讓出控制權(quán)，由壓縮機(jī)的低壓開關(guān)控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，以保持制冷系統(tǒng)正常工作，避免因主控制器故障而導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)停止工作。

五、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用三菱公司的圖形操作終端：F940GOT—LWD。在進(jìn)行人機(jī)界面的畫面設(shè)計(jì)之前應(yīng)該了解系統(tǒng)要監(jiān)視和操作的內(nèi)容，這里我們要監(jiān)視系統(tǒng)的吸氣壓力，壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況（即目前壓縮機(jī)是運(yùn)行狀態(tài)還是停機(jī)狀態(tài)，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)還是強(qiáng)制運(yùn)行狀態(tài)），系統(tǒng)電源電壓，各臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間等等。另外，還要設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的畫面和手動(dòng)操作的畫面，以及系統(tǒng)故障后的報(bào)警畫面和報(bào)警解除畫面，報(bào)警記錄和運(yùn)行記錄的清除畫面。

在主菜單畫面中，顯示了系統(tǒng)操作的一級(jí)菜單，它包括廠商信息，運(yùn)行顯示，運(yùn)行記錄，報(bào)警記錄，參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)維護(hù)等畫面。

在廠商信息畫面中，記錄了本軟件的研發(fā)背景和公司的簡(jiǎn)單介紹。

在運(yùn)行顯示畫面中，可以監(jiān)視系統(tǒng)的吸氣壓力，壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，系統(tǒng)電源電壓及系統(tǒng)時(shí)間，日期，還可以顯示系統(tǒng)目前是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)還是強(qiáng)制運(yùn)行狀態(tài)。

在運(yùn)行記錄畫面中，記錄了低溫系統(tǒng)和中溫系統(tǒng)中各臺(tái)壓縮機(jī)詳細(xì)的運(yùn)行時(shí)間和本記錄開始時(shí)間。本記錄開始時(shí)間以 年，月，日，時(shí)，分，的形式顯示，壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間以 時(shí)，分，的形式顯示。

在報(bào)警記錄畫面中，記錄了報(bào)警的歷史記錄和當(dāng)前正在進(jìn)行的報(bào)警，以及各種報(bào)警的頻率和報(bào)警提示信號(hào)，在此畫面中可以解除正在進(jìn)行的報(bào)警的音響信號(hào)。

在參數(shù)設(shè)置畫面中，可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，它包括調(diào)試階段部報(bào)警的時(shí)間，壓力和電壓報(bào)警的延時(shí)時(shí)間 ，故障判斷時(shí)間，壓縮機(jī)的開機(jī)間隔時(shí)間；壓縮機(jī)的臺(tái)數(shù)，系統(tǒng)壓力設(shè)定點(diǎn)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)范圍和壓力上下限報(bào)警設(shè)定值等等。

在系統(tǒng)維護(hù)畫面中，可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行人工干預(yù)（強(qiáng)制操作），可以強(qiáng)制開啟某一臺(tái)壓縮機(jī)，或者強(qiáng)制停止某一臺(tái)壓縮機(jī)；在系統(tǒng)維護(hù)畫面中，還可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行記錄和報(bào)警記錄進(jìn)行清除操作。在此畫面中為了防止誤操作，特意設(shè)置了防誤程序。另外，還設(shè)計(jì)了三級(jí)密碼，用以限制用戶的越級(jí)操作。

由于本軟件采用中文界面，語言簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單方便，因此受到了廣大用戶的好評(píng)。

六、SCADA監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)有二種方案：一種是通過RS485與主機(jī)連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備的當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，另一種是通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM），公用電話網(wǎng)，調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與主機(jī)連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主要用于用戶的日常監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控主要用于設(shè)備隱患的預(yù)防和設(shè)備故障的快速定位及修復(fù)。監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)與人機(jī)界面的設(shè)計(jì)類似。用全中文共控組態(tài)軟件MCGS做開發(fā)平臺(tái)。

七、結(jié)束語

本文旨在探討和研究用PLC， 觸模屏，計(jì)算機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊和商用制冷系統(tǒng)的監(jiān)視與控制方案，為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了一種方便，快捷的工程組態(tài)方案。