三菱PLC、HMI在商用制冷系統中的應用

分類：技術教程日期：2007-07-12 00:00:00

一、概述
在商用制冷系統中壓縮機的控制大都采用機械式控制，眾所周知，機械式控制存在著許多不足，如：體積龐大，接線麻煩，不易維護，同時控制精度差，致使制冷系統中制冷劑的壓力波動太大，造成制冷效果差，冷藏食品解凍受損，給用戶造成巨大的經濟損失。
近年來市場上也出現了一些采用單片機，工控機控制的控制器。但是，采用單片機開發的控制器由于抗干擾能力差，人機界面不夠友好，操作繁瑣，給用戶帶來了很多麻煩，所以，也沒有得到普及。而采用工控機控制的控制器由于大多是國外引進的產品，全英文界面，不僅操作繁瑣，而且價格昂貴，大多數用戶不能接受。因而也得不到推廣，本文介紹的控制器正好填補了這一空白。它不僅體積小，接線簡單，人機界面友好，維護方便；同時控制精度高，運行可靠，使制冷系統中制冷劑的壓力波動很小，制冷效果好，冷藏品得到了很好的保護；最近用于冷鏈中廣泛使用的并聯機組，對冷量變化的精確調節和壓縮機運行壽命的均勻調節，非常適合并聯機組的實際使用情況；并且，價格適中，因而受到了廣大用戶的普遍歡迎。五年來全國累計四十多套投入運行，運行情況良好。
二、系統的控制原理
本控制器主機采用三菱公司的PLC,型號為：FX2N—48MR,數據采集部分采用三菱公司的數據采集模塊，型號為：FX2N—4A/D,現場監視的人機界面采用三菱公司的圖形操作終端，型號為：F940GOT。同時，由主機，調制解調器，公用電話網，計算機，SCADA軟件組成遠程監控系統。
系統的工作原理：首先，通過FX2N—4A/D采集系統壓力，電壓，溫度以及設備的保護等信號，并對模擬信號進行數字濾波，抗干擾濾波，然后進行模擬量的量化和標度變換，與設定參數進行比較判斷，根據比較結果和保護信號控制壓縮機的啟動與停止。當需要開機時，首先，根據所有壓縮機的開機時間，判斷哪一臺壓縮機開機時間最短，然后，判斷其保護信號是否正常？如果正常，則開機，否則判斷下一臺壓縮機，……直到最后一臺。反之，當需要停機時，首先根據所有壓縮機的開機時間判斷哪一臺壓縮機開機時間最長，然后，輸出停機控制信號。
正常工作情況下，任何一臺壓縮機的保護信號出現故障，主機一旦檢測到故障信號，立即輸出停機信號，停止相對應的壓縮機，并發出報警信號，告訴值班人員系統出現故障，需要人工監視。同時，主機一旦檢測到故障的恢復信號，也會立即輸出開機信號，啟動相對應的壓縮機。
F940GOT是人機接口圖形操作終端，通過它可以輸入系統運行參數，可以手動操作，例如：手動啟動或停止壓縮機等等。它可以顯示系統運行的各種參數及系統運行的各種狀態。另外，壓縮機的各種保護信號可以通過主機的開關量輸入端輸入PLC作為壓縮機的開機條件。安裝了SCADA軟件的計算機通過調制解調器，公用電話網與PLC 連接，可以實時讀取系統運行參數及設備運行狀態從而進行實時的遠程監控。采用本系統可以預防系統即將出現的故障，并及時采取補救措施，從而為客戶挽回不必要的經濟損失。
三、系統的硬件框圖

輸入部分：輸入部分包括模擬信號輸入和開關信號輸入兩部分組成。
模擬信號包括：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。還有監視系統供電電壓的電壓傳感器。
開關信號包括：安裝在壓縮機上的電子熱保護（溫度探頭安裝在電機繞組內），安裝在壓縮機吸氣側的低壓開關，安裝在壓縮機排氣側的高壓開關，油位控制器，油壓差控制器. 電子熱保護根據安裝在電機繞組內的溫度探頭感知的繞組溫度的高低，發出一個開關信號，當溫度高于設定值時斷開控制回路，反之則接通控制回路，主要防止因繞組溫度過高而導致的壓縮機故障。安裝在壓縮機吸氣側的低壓開關主要用于：當系統進入機械后備狀態時，根據吸氣壓力的高低來控制壓縮機的開/停。安裝在壓縮機排氣側的高壓開關則用于：當排氣壓力超過上限設定值時斷開控制回路，停止壓縮機的運行，防止由于排氣壓力過高而造成的壓縮機故障。油位控制器：當壓縮機的瑞滑油供應不上時（系統油位低于某一設定值時）斷開控制回路，停止壓縮機的運行，可以有效防止壓縮機因缺油干磨導致的損壞。油壓差控制器.用于監測半封閉壓縮機高低壓腔油壓差，當油壓差太小時將出現潤滑油供應不上，影響壓縮機的潤滑，將導致壓縮機干磨。還有監視系統供電電源的相序保護器。
輸出部分：通過中間繼電器控制壓縮機和報警。
另外：一方面，主機通過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接口，可以通過它進行系統參數的設定，系統運行工況的監視等等。另一方面，主機通過RS 232接口與調制解調器連接，通過公用電話網，把系統參數，系統運行工況傳送到遠方的計算機以便于進行遠程的監控和遠程維護。
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運行的各種因素，以及各種因素本身的特性和它們之間的相互關系，結合本控制器，影響壓縮機運行的各種因素如下：
系統的吸氣壓力
系統的供電電壓
三相電源的相序保護
壓縮機的電子熱保護
壓縮機的低壓開關
壓縮機的高壓開關
壓縮機的油位控制器
壓縮機的油壓差控制器
正常情況下，在設備安裝完畢后首先應校正三相電源的相序，保證三相電源的相序是正確的；系統的供電電壓應處于正常范圍內（線電壓為交流380V±15%）。當壓縮機的電子熱保護探測到的繞組溫度正常，壓縮機的排氣壓力低于設定值，壓縮機的油位正常，壓縮機的油壓差控制在必要的范圍內，此時當系統的吸氣壓力高于設定值時，壓縮機即可以開機運行。
在設備運行過程中，三相電源的相序是不變的，當系統的供電電壓超出正常范圍（線電壓為交流380V±15%）時，控制器將發出電壓故障報警信號，同時，將停止所有正在運行的壓縮機，提醒值班人員檢查系統電源供電情況，直到解除故障。
在設備運行過程中，無論壓縮機的電子熱保護，壓縮機的高壓開關，壓縮機的油位控制器，壓縮機的油壓差控制器那一個出現故障，都可以隨時停止相應的壓縮機；當故障解除后，相應的壓縮機即可根據控制器的需要隨時投入運行。
壓縮機的低壓開關主要用于機械后備。當主控制器故障時將讓出控制權，由壓縮機的低壓開關控制系統繼續運行，以保持制冷系統正常工作，避免因主控制器故障而導致整個制冷系統停止工作。

五、人機界面的設計
人機界面采用三菱公司的圖形操作終端：F940GOT—LWD。在進行人機界面的畫面設計之前應該了解系統要監視和操作的內容，這里我們要監視系統的吸氣壓力，壓縮機的運行狀況（即目前壓縮機是運行狀態還是停機狀態，自動運行狀態還是強制運行狀態），系統電源電壓，各臺壓縮機運行時間等等。另外，還要設計運行參數設置的畫面和手動操作的畫面，以及系統故障后的報警畫面和報警解除畫面，報警記錄和運行記錄的清除畫面。
在主菜單畫面中，顯示了系統操作的一級菜單，它包括廠商信息，運行顯示，運行記錄，報警記錄，參數設置，系統維護等畫面。
在廠商信息畫面中，記錄了本軟件的研發背景和公司的簡單介紹。
在運行顯示畫面中，可以監視系統的吸氣壓力，壓縮機的運行工況，系統電源電壓及系統時間，日期，還可以顯示系統目前是自動運行狀態還是強制運行狀態。
在運行記錄畫面中，記錄了低溫系統和中溫系統中各臺壓縮機詳細的運行時間和本記錄開始時間。本記錄開始時間以年，月，日，時，分，的形式顯示，壓縮機的運行時間以時，分，的形式顯示。
在報警記錄畫面中，記錄了報警的歷史記錄和當前正在進行的報警，以及各種報警的頻率和報警提示信號，在此畫面中可以解除正在進行的報警的音響信號。
在參數設置畫面中，可以對系統運行的基本參數進行設置，它包括調試階段部報警的時間，壓力和電壓報警的延時時間，故障判斷時間，壓縮機的開機間隔時間；壓縮機的臺數，系統壓力設定點，系統壓力波動范圍和壓力上下限報警設定值等等。
在系統維護畫面中，可以對系統運行進行人工干預（強制操作），可以強制開啟某一臺壓縮機，或者強制停止某一臺壓縮機；在系統維護畫面中，還可以對系統運行記錄和報警記錄進行清除操作。在此畫面中為了防止誤操作，特意設置了防誤程序。另外，還設計了三級密碼，用以限制用戶的越級操作。
由于本軟件采用中文界面，語言簡潔，操作簡單方便，因此受到了廣大用戶的好評。
六、SCADA監控軟件的設計
監控軟件的設計有二種方案：一種是通過RS485與主機連接實現設備的當地監控，另一種是通過調制解調器（MODEM），公用電話網，調制解調器（MODEM）與主機連接實現設備的遠程監控。當地監控主要用于用戶的日常監控，遠程監控主要用于設備隱患的預防和設備故障的快速定位及修復。監控畫面的設計與人機界面的設計類似。用全中文共控組態軟件MCGS做開發平臺。
七、結束語
本文旨在探討和研究用PLC, 觸模屏，計算機構成的網絡之間的數據通訊和商用制冷系統的監視與控制方案，為同類系統的設計和實現提供了一種方便，快捷的工程組態方案。