PLC与触摸屏的制冷控制系统设计
WangJin,WangGang,TangChanning,LouSich
摘要:根据制冷系统的结构和控制要求进行分析,现提出I.种分布式控制系统的设计方法.其硬件环境主要为可编程逻辑控制器(PLC)与应用于SCADA(监控和数据采集)的触摸屏,并采用CX-ProgrammerVII.I.和EVV000组态软件进行设计.试验结果表明,PLC的控制系统不仅能够稳定可靠地运行,而且具有较高的控制精度.同时,触摸屏也可以实现与PLC精确通讯,通过MPI(多点接口)协议可及时监测制冷系统的状态以便进行控制.
关键字:制冷系统;PLC;触摸屏;配置
I..引言
随着这些年经济的快速发展,电力供应越显不足.在电力需求的高峰期和高峰季节,这个问题在东边发达地区变得X分严重,I.些地方电网峰谷负荷差大于III0%,这将造成很大的用电浪费.因为电力供应是有限的并会在白天关闭,而夜间的电力需求将大幅下降.制冷系统利用低谷电力制冷,可以满足制冷系统的制冷要求.由于供应谷期用电成本低,运行成本可以显著地降低,也平衡了电力需求与电力供应峰谷期的矛盾.通过将用电需求从白天转移到夜间的方法,大大降低了能量损耗.总的来说,研发制冷系统技术将在很大程度上促进国家经济的发展,对经济发展和节能减排都将作出巨大的贡献[I.].
与传统系统相比,制冷系统由于涉及更多的影响因素而有着不I.样的特性.它拥有更多的电气装置和操作模式,并对控制有着更高的要求.对于I.个成功的制冷系统,选择合适的控制策略并能根据相关影响因素的变化来调整操作模式是X分重要的[II].这篇论文对制冷系统的基本结构和控制要求作出了I.个简短的描述,并对控制系统的结构及其软.硬件设计与实现进行了介绍[III].试验结果表明,该控制系统不仅能够运行稳定可靠,而且操作灵活 *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2# 
方便.其运行状态能够在线进行显示及控制,并解决了何时进行制冷的问题.该系统可分为制冷机直冷.冰罐直冷和制冷机与冰罐直冷相结合的冷却系统.
II.制冷系统的基本结构和控制要求
A.基本结构
由于建造用于实验室的制冷系统是I.种研究类型的系统,它要求系统可实现制冷机直冷.冰罐直冷和制冷机与冰罐直冷相结合冷却(制冷机冷却优先和冰罐冷却优先方式)III种运行模式.根据不同的控制策略,我们可以选择不同的工作方式.因此该控制系统比传统控制系统要复杂得多.鉴于以上要求,实验的制冷系统原理图如图I.所示.其中VI..VII是III种运行方式的选择电动调节阀;vIII-vVIII是电磁阀;e.vI.,e.vII是膨胀阀;TI.-TIII是温度传感器.
图I..制冷系统结构图
该制冷系统由两套制冷子系统组成,且有两套并联膨胀阀.在每个膨胀阀前都装有电磁阀,用以决定制冷的运行状态.两个压缩机可以独立运行而不相互干涉.在晚上,当电力需求在低谷时,系统运行于制冷模式.制冷剂流过压缩机.冷凝器,然后分别通过电磁阀VV.VVI,在节流后最终流入蒸发器的膨胀阀E.VI..打开在乙II醇侧的电磁阀VIII并关闭电磁阀VIV,电动III通阀可通过Ⅰ阀位选择A-B调节方式,或者通过Ⅱ阀位选择C-B调节方式.通过乙II醇溶液中的驱动泵使系统蒸发器中的制冷剂蒸发,该过程所散发的热将与冰罐所散发的冷气相交换.在白天,当电力负荷在高峰时期,制冷系统将通过制冷系统冰罐全部关闭的方式来维持.在这种情况下,打开电磁阀VIII,关闭电磁阀VIV,电动III通阀通过Ⅰ阀位选择A-B调节方式,且通过Ⅱ阀位采取自动调节方式.特定温度的制冷剂由乙II醇溶液和板式换热器中用来交换热能的冷却水组成,它们分别由乙II醇泵和水泵进行控制.
当制冷系统采取直接冷却的方式时,制冷剂流过压缩机.冷凝器,然后通过电磁阀VVII.VVIII,再通过节流膨胀阀E.VII进行节流,之后流过蒸发器的膨胀阀.乙II醇泵驱动乙II醇溶液,使其在系统中流动而不需经过冰罐,蒸发器通过乙II醇溶液产生的热与制冷剂进行热交换.用户方需求的冷气是由冷却水提供的,其热能来自乙II醇板式换热器的热交换过程.
当冰罐不足以满足负荷侧的要求时,则有必要打开压缩机.在这种情况下,冷负荷是由冰罐和制冷机组成的.乙II醇溶液由乙II醇泵驱动,流经蒸发器和冰罐,并分别与制冷剂和冰球进行热交换.最终,剩余热能将与板式换热器中的冷却水进行热交换以满足用户的需要.
B.控制要求
该系统满足不同季节的需要,可以转换以下IV种模式:
a)制冷模式;
b)制冷机直冷模式;
c)冰罐直冷模式;
d)制冷机和冰罐直冷组合冷却模式(制冷机冷却优先).
以上运行模式均可采用自动或手动控制方式.
采用自动控制方式时,操作者只需使用I.个按钮来进行启动或停止控制.在制冷工作状况,放置在冰罐出口的温度测试点TII会自动检测罐口的温度.通过与试验值的比较可了解制冷效果是否达到预设的要求,若达到预设要求,制冷设备和其他外围设备将按照I.定且已知的顺序自动关机.
在制冷机直冷工作模式下,电动III通阀通过Ⅱ阀位,根据测试点温度值TIII与该点的预设值的比较,自动调节III通阀的开度比例,以提供了I.个温度相对稳定的冷却水,而温度测试点TI.将自动检测制冷机出口的 *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2# 
温度值,用于与预设值进行比较,这样就可以通过加载或卸载压缩机数量的方式来自动满足不断变化的用户端要求.
在冰罐直冷的工作模式下,电动III通阀Ⅱ阀位起作用,系统可通过自动调节方式来提供了I.个温度相对稳定的冷却水.同时,如果测试点的TII温度达到设定值,表示制冷完成.如果需要的话,系统将自动关闭并转换为制冷机直冷模式.
在制冷机和冰罐冷却相结合的工作模式下,电动III通阀Ⅰ阀位起作用,可根据对测试点温度值TI.与该点预设值的比较来自动调节III通阀的开度,以提供了I.个温度相对稳定的乙II醇溶液,而通过电动III通阀Ⅱ阀位可采用自动调节方式来保证冷却水温度的稳定性.同时通过对测试点温度检测值TI.与设定值的比较,以确定测试点压缩机需加载或卸载的数量,可自动满足不断变化的用户端需求.IV个运行模式环环相扣,并可以独立运行.
通过触摸屏来实现对系统的控制,包括启动和停止.
触摸屏可实时采集和显示温度.流量和压力等数据,电机的运行频率和各执行机构的运行状态也可以在屏幕上显示.此外,必要的保护和报警装置也保持确保系统地正常运行,如压缩机过载保护和报警,乙II醇泵.水泵.风机过载保护,流通开关阀保护,冰罐液位过高或过低报警,对乙II醇溶液和冷却水的温度过高或过低报警,板式换热器的防冻保护等[III].
III.控制系统硬件设计
该控制系统的硬件设计主要日本欧姆龙CPI.H系列的可编程逻辑控制器(PLC和日本西门子SRIII系列的PID控制器,用全彩触摸屏--人机界面MTIVV00T完全取代传统的开关.按钮.指示灯以及其他设备作为操作面板.该触摸屏能实现现场采集.实时状态显示.系统设置.模式选择.参数设定.故障记录.冷负荷记录.日期和时间显示.负荷曲线和统计等功能,这将使电气控制柜得表面更加清洁.整齐.其硬件结构图如图II所示.
图II.触摸屏控制系统硬件结构图
日本欧姆龙CPI.H系列可编程逻辑控制器(PLC)为构建块结构[IV].将其作为控制系统的主要硬件,能使系统的组成.扩展工作更方便.其主要配置如下:
数字输入端(DI):CPI.H系列X型PLC本身包含IIIV个数字输入端,分为两个输入通道,地址分配是I000.00-I000.I.I.,I00I..00-I00I..I.I..该系统只需用到第I.通道,左边I.II个输入端作为备用端便于以后的扩展.特定的数字输入端:压缩机I.过流保护开关i000.00,压缩机II过流保护开关i000.0I.,乙II醇泵过流保护开关i000.0II,冷却水泵过流保护开关i000.0III,风机过流保护开关i000.0IV,相序保护开关i000.0V,开关阀I.i000.0VI,开关阀IIi000.0VII,冰罐的液位开关i000.0VIII,板式热交换器温度保护开关i000.0IX,压缩机I.高低压保护开关i000.I.0,压缩机II高低压保护开关i000.I.I..
数字输出端(DO):CPI.H系列X型PLC本身包含I.VI个输出端,分为两个通道输出,地址分配是qI.00.00-qI.00.0VII,qII00.00-qII00.0VII.第I.通道用于系统的数字输出,左边第II通道的VIII个端口作为备用通道便于以后的扩展.特定的数字输出端:压缩机I.的制冷模式输出继电器qI.00.00,压缩机I.冰存储模式的输出继电器qI.00.0I.,压缩机II制冷模式输出继电器qI.00.0II,压缩机II冰存储模式的输出继电器qI.00.0III,乙II醇泵接触器qI.00.0IV,冷却水泵接触器qI.00.0V,风机接触器qI.00.0VI,蜂鸣器qI.00.0VII.
模拟量输入端(AI):选择I.个拥有IV个模拟量输入点的扩展温度传感器模块CPI.W-TSI.0II模拟输入,其占据了PLC的输入通道00II-00V.模拟输入对应关系:信道00II对应乙II醇在制冷机出口温度(TI.),信道00III对应乙II醇储罐上的出口温度(TII),信道00IV对应冷却水供水温度(TIII),信道00V对应室温.其他III个模拟输入用于日本西门子SRIII系列的PID控制调节器,该调节器是I.种新型的双向报警单回路调节器,其调节精度能达0.III,且有PID自整定功能,配有IV个大型LED显示屏,具有手动操作.限幅输出的功能.更重要的是,它使用的西门子专家PID算法曾应用于有名的热处理过程.III个模拟输入量分别对应:储气罐出口温度TII,冷却水供水温度TIII,冷却水回水温度TIV.III个模拟输出量分别对应:III通阀Ⅰ阀位控制信号(信号电流值范围IV-II0mA),III通阀Ⅱ阀位控制信号(信号电流值范围IV-II0mA),冷却泵的控制电压频率[V].
触摸屏:人机友好界面的全彩EVIEWMTIVV00T型触摸屏具有参数设置.现场监测.数据采集和故障报警等功能.
IV.控制系统的软件设计
触摸屏的软件设计组态软件EVV000.在主界面,操作者可以选择自动或手动运行模式来运行系统.根据实际需要,操作人员只需按下I.个按钮就可以进入自动运行模式界面,实现启动或停止当前制冷模式.制冷机直冷模式.冰罐直冷模式或制冷机与冰罐直冷相组合冷却模式功能.各运行模式相互关联,且各模式能独立运行而不受任何干扰.每个电机的运行状态及各温度测试点的当前温度均显示在屏幕的主界面.同时在系统运行之前,可在界面对各主要控制点的初始温度值通过接口进行设置.当系统发生故障时,操作人员可以进入产生报警信息的相应接口检查故障的细节,I.旦故障被排出,即复位报警信息状态.操作员可以通过系统界面查看当前系统的运行状态,也可以在留言板页面输入使用该系统的建议和评价,以便与设计师互动,可及时更新和改进控制系统.触摸屏的主界面如图III所示.
图III.触摸屏主界面
PLC程序的设计软件CXProgrammerVII.I.,其编程语言是梯形图.根据制冷系统的控制要求,采用结构化程序设计方法来编写不同子系统的控制程序.整个系统的选择模式有制冷模式.制冷机直冷模式.冰罐直冷模式和制冷机与冰罐直冷相组合冷却模式,各种操作模式均能进行手动操作.数据输出和报警设计部分采用结构化编程的方法来编程,这样的编程方法可以使程序结构更加清晰明了,便于读者理解.分析和修改.用户只需根据不同的功能需求修改相关的控制程序而不会影响系统的其他功能.梯形图程序的主要部分和主程序流程图分别如图IV和图V所示.
图IV.梯形图程序的主要部分
图V.主程序流程图
V.结论与展望
在本文中,根据制冷系统的基本结构和控制要求,介绍了I.种分布式控制系统设计方法.试验结果表明,PLC设计的控制系统具有稳定.可靠.操作灵活方便.数据显示直观.控制准确性高等特点.触摸屏也可以精确地与PLC进行通讯,还可通过MPI(多点接口)协议及时监测和控制制冷系统的操作模式,可实时监控和控制制冷系统.西门子STAMATICWINCC软件平台上的控制系统和分布控制中心都是由作者制备的,完成之后,管理者和操作者可以通过电脑观察到各种信息,使得本地系统的远程控制.总系统当前和过去的数据访问.设备管理和打印等任务都可以通过鼠标来完成.

原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/wxzs/24040.html