基于PLC的节能制冷系统设计

2023.05.13

张阳+单海校+周东柳

摘要：为解决当前冷库能耗量大的问题，采用PLC实现系统自动化控制，并结合触摸屏与变频技术，通过变频器改变压缩机、冷凝风机、蒸发风机转速来改变制冷剂的流量，最终实现对冷库压力、温度的控制、监控与报警。选用实际温度作为反馈信号，调节冷库内的温度，提高系统的温控精度，延长使用寿命，实现高效节能。

关键词：PLC 变频冷库节能

引言

随着世界经济逐步回升和结构调整加快，能源日趋匮乏，我国经济也进入了快速成长期，但能源的匮乏与经济增长的矛盾日益突出，国家也提出了节能型社会。冷库制冷系统的耗电量相当的大，研发和推广应用节能的冷库制冷系统已经迫在眉睫。

制冷系统的自动控制是节能和提高制冷品质的最有效手段之一。本文使用三菱的PLC实现冷库制冷系统的自动控制，并结合使用触摸屏与变频器，监控冷库制冷系统以及实现压缩机、冷凝风机、蒸发风机的变频调速。

冷库制冷系统结构组成与原理

1、结构组成

冷库制冷系统有速冻、升温、冷藏、除霜等主要功能。冷库制冷系统主要有变频压缩机、变频蒸发风机、夜视镜、高效过冷器、变频冷凝风机、干燥过滤器、各种电磁阀和其他阀等组成。为了使冷库制冷系统安全运行，在变频压缩机上设置了高压报警、高温报警、低压报警、相序报警，并分别通过高压继电器、高温开关、低压继电器、相序指示器来实现。

2、冷库制冷系统原理

冷库制冷系统的PLC主机与变频器结合使用，通过改变变频器的输出频率改变制冷压缩机、冷凝风机、蒸发风机的转速，从而改变制冷剂流量的大小，控制制冷功率，调节冷库内的温度。选用实际温度作为反馈信号参数，使冷库内的温度稳定维持在设定温度，可以避免压缩机、冷凝风机、蒸发风机的频繁起动，延长使用寿命，并使冷库制冷系统的运行状态达到最佳效果，达到了安全可靠运行和高效节能的目的。

冷库制冷系统硬件设计

冷库制冷系统的主机使用三菱的FX2N-48MR-001，主要是由CPU、电源、存储器、I/O接口等组成。由于冷库冷藏系统需要控制较多的温度、压力等模拟量信号，因此，可以使用FX2N-8AD的模拟量输入模块。触摸屏选用三菱的GT1155系列，触摸屏控制主要功能有监视、报警、通信和控制。触摸屏通过多种通信方式可与多种设备直接连接，以以太网的形式组成网络化控制，通过RS-485/RS-422或者网线与小型PLC通信以监视PLC的运行。触摸屏实现了冷库制冷系统的启停控制、设置冷藏集装箱箱内的温度、监控并及时显示报警。变频器选用三菱的FR-F740，变频器有过流、缺相和短路等保护功能。

1、PLC主机与各个模块接线图

PLC主机FX2N-48MR-001通过RS-485串行通信接口把变频器、触摸屏进行连接。PLC主机与各个模块接线图如图1所示。

图1 PLC主机与各个模块接线图

2、主电路图

主电路图2中相序指示器可以用来监控主电路的相序，对电压失衡、逆序和缺相进行保护，切断主电路电源，对用电负载进行有效保护。当检测到相序为正确时，接触器KM1就会闭合接通，1#变频器FR-F740启动，1#变频器FR-F740得电运行，压缩机低频软启动，随着频率的不断升高，以工频正常运行；当采集的温度达到系统设定的温度时，温度控制信号就会改变变频器频率，变频器将频率降低，压缩机低速运行，避免了压缩机的频繁启动；变频器自身带有过流、过载、缺相、接地、短路等保护功能。当检测到相序为正确时，接触器KM2就会闭合接通，2#变频器FR-F740启动，2#变频器FR-F740得电运行，冷凝风机低频软启动，随着频率的不断升高，以工频正常运行；当采集的温度达到系统设定的温度时，温度控制信号就会改变变频器频率，变频器将频率降低，冷凝风机低速运行，避免了冷凝风机的频繁启动。当检测到相序为正确时，接触器KM3就会闭合接通，3#变频器FR-F740启动，3#变频器FR-F740得电运行，蒸发风机低频软启动，随着频率的不断升高，以工频正常运行；当采集的温度达到系统设定的温度时，温度控制信号就会改变变频器频率，变频器将频率降低，蒸发风机低速运行，避免了蒸发风机的频繁启动。当检测到相序为正确时，接触器KM4就会闭合接通，电热融霜加热器就会启动加热，热继电器FR1可以对电热融霜加热器实现过电流保护。

图2 主电路图

3、PLC输入输出的接线图

三菱的FX2N-48MR-001与FX2N-8AD的模拟量输入模块连接起来，PLC通过FX2N-8AD的模拟量输入模块里的缓冲存储器对数据进行交换、运算以及控制。PLC输入输出的接线图如图3所示。

图3 PLC输入输出的接线图

冷库制冷系统软件设计

1、冷库制冷系统的流程图

如图4所示，系统开始，先设定温度值T1，设定温度值T1与回风温度值T2进行比较，当设定温度值T1小于等于回风温度值T2时，进入降温模式，否则，就进入升温模式。在降温模式中，当设定温度值T1大于-18℃时，进入冷藏模式，否则，就进入速冻模式。系统开始后，计数器C0计6个数与6进行比较，当计数器C0大于6时，定时器就会定时20min，每经过20min，计数器C0加1，当计数器C0小于等于6时，开始除霜。

2、PLC程序设计

根据冷库制冷系统的控制要求，使用三菱的PLC编程软件GX Developer对制冷控制系统进行编程。

在融霜模式中，当计数器（C0）计6个数与6比较大小，当计数器大于6时，通用辅助继电器（M52、M53）就会闭合接通，定时器（T7）定时20min，每经过20min，计数器加1，当计数器小于等于6时，开始除霜，通用辅助继电器（M51）和融霜启动（X13）就会闭合接通，电热融霜加热器接触器（Y3）得电，定时器（T8）定时2S后，热气电磁阀（Y6）得电，电热融霜加热器启动，进行融霜。融霜模式程序图如图5所示。

图4 冷库制冷系统的流程图图5 融霜模式程序图

3、触摸屏界面设计

打开触摸屏上的制冷系统启动界面、监视界面与报警界面，可以看到制冷系统的控制、监视、报警面板，工作人员可以通过界面对制冷系统进行启动、停止、监控与报警。监视界面可以实时监控并显示系统的压力、温度的数值。报警界面可以对系统故障实时报警，提醒工作人员及时处理系统故障。

结语

采用PLC控制技术提高了系统的自动化水平，并使其使用和维护更加简便，保证了系统的长时间安全无故障运行。系统采用触摸屏与变频技术，实现了对冷库制冷系统的监控，解决了压缩机、冷凝风机、蒸发风机的频繁启动，缩短了控制系统的滞后时间，延长了使用寿命，减少了系统控制误差，提高了系统的控制精度，使冷库的温度达到最佳控制效果，提高了系统的节能效果。

参考文献：

[1] 初勤亭. 基于PLC的模糊参数自整定冷库控制系统研究[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2008，（8）：64-67.

[2] 苟晓卫，汪国民，田昕，等. PLC与触摸屏快速入门与实践[M]. 北京：人民邮电出版社， 2010.

[3] 薛威. 船用冷藏集装箱制冷机组的设计与特性研究[D]福建：集美大学， 2013.

（作者单位：浙江海洋学院船舶与海洋工程学院）