（交通运输工程专业论文）舟山渔船制冷控制关键技术的开发与应用.pdf

上海海事大学硕士论文 摘要 随着远洋渔业的发展，渔船上制冷系统的应用日益增加，其容量也越来越 大，对于制冷系统的控制也在不断提高。结合目前渔船工作的特点，本文提出了 一套制冷设备的p l c 控制系统。 p l c 控制系统以p l c 为控制核心元件，利用特殊i o 模块并配以少量的测量 与控制的外围电路就可以构成控制系统的硬件，再通过编程对整个系统实现控 制。整个控制系统简洁明了，维修简单方便；运行可靠性高，它保留了继电器控 制系统分散控制的优点，控制灵活，又避免了计算机控制系统危险集中的缺点。 p l c 控制系统的特点适合在渔船上使用。 本文通过分析，在选定了p l c 控制技术后，又选择了温度控制系统和压缩 机控制系统的控制方式。对温度控制系统采用了定值控制方式，根据冷库的温差 来决定调节阀的开度大小，来适应热负荷的变化；压缩机控制系统采用变频控制， 其频率给定值由非线性环节来决定。从而完成了制冷系统的智能化的控制。 本文开发的p l c 制冷控制系统具有配置灵活、组态方便，功能扩展性强的特 点。在控制过程中选取了合适的控制方式，提高了制冷系统的性能，节约了制冷 系统的能耗，大大地提高了系统的稳定性、可靠性和制冷效率。 关键词：制冷系统，定值控制，非线性控制环节 上海海事大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e e p - s e af i s h i n g ，t h ea p p l i c a t i o no ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e mi n c r e a s e sd a yb yd a yo nt h ef i s h i n gb o a t ，i t sc a p a c i t yi sl a r g e ra n dl a r g e r ，t h e c o n t r o lo ft h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi si m p r o v i n gc o n s t a n t l yt o oa c o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ef i s h i n gb o a tw o r k sa tp r e s e n t ，t h i st e x tp r o p o s e sp l cc o n t r o l s y s t e mo f a s e to f r e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t 。 p l cc o n 仃o ls y s t e mi si tc o n t r o lk e yc o m p o n e n tt or e g a r dp l ca s ，u t i l i z es p e c i a l i 0m o d u l ea n di si tc a nf o h ah a r d w a r eo fc o n t r o ls 3 7 s t e mw i t has m a l la m o u n to f m e a s u r e m e n ta n dp e r i p h e r a lc i r c u i tt h a tc o n t r o lt om i x 。a n dt h e nr e a l i z ec o n t r 0 1t ot h e w h o l es y s t e mt h r o u g hp r o g r a m m i n g 。1 1 1 ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi ss u c c i n c ta n dc l e a r ， i ti ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tt om a i n t a i n ； o p e r a t i o nd e p e n d a b i l i t yh i g h ， i tk e e p c o n t r o ls y s t e mo ft h er e l a yd i s p e r s et h ea d v a n t a g ec o n t r o l l e d ， i ti sf l e x i b l et o c o n t r o l ，h a sa v o i d e dt h ed a n g e r o u ss h o r t c o m i n gt h a tc o n c e n t r a t e so ft h ec o m p u t e r c o n t r o ls y s t e ma g a i n 。1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i co f p l cc o n t r o ls y s t e mi ss u i t a b l ef o ru s i n go n t h ef i s h i n gb o a t 。 1 1 1 i st e x tp a s s e sa n da n a l y s e s ， a f t e rs e l e c t i n gp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，c h o s et h e c o n t r o ls y s t e mo ft e m p e r a t u r ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e c o m p r e s s o ra g a i n 。a d o p td e f i n i t ev a l u ec o n t r o lm e t h o dt ot e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m ，d e c i d et ot u r no na c c o r d i n gt od i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eo ff r e e z e rd e g r e e a l lk i n d so f r e g u l a t i n gv a l v e ，t om e e tt h ec h a n g eo f h o tl o a d ；t 1 l ec o n t r o ls y s t e mo f t h ec o m p r e s s o ra d o p t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt oc o n t r o l ，i t sf r e q u e n c ys e t t i n gv a l u ei s d e c i d e db yt h en o n - l i n e a rl i n k 。t h u sf m i s h e dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m 。 p l cr e f r i g e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mt h a tt h i st e x td e v e l o p si sd i s p o s e df l e x i b l y ，t h e c o n f i g u r a t i o ni sc o n v e n i e n t ，e x p a n d i n gs t r o n gc h a r a c t e r i s t i co f f u n c t i o n 。h a v ec h o o s e t h es u i t a b l ec o n t r o lm e t h o di nt h ec o u r s eo f c o n t r o l l i n g h a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c e o ft h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，h a v ee c o n o m i z e t h e e n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，h a si m p r o v e ds y s t e m a t i cs t a b i l i t y ，d e p e n d a b i l i t y a n d r e f r i g e r a t i o ne m c i e n c yg r e a t l y 。 k e y w o r d ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，d e f i n i t e v a l u ei sc o n t r o l l e d ，c o n t r o lt h el i n k n o n - l i n e a r l y s h uh a ib i n ( m t e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz o n gb e i h u aa n dy uz h o u p i n g 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不 包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他 同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意。 作者签名：虚丝日期：匕互：1 7 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或者其他复制手段保存论文。保密的论文在解密 后遵守此规定。 作者签名：屠隆 导师签名：日期： 上海海事大学硕士论文 第一章综述 第一节引言 随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，制冷系统已被广泛地应用于 石油、化工、煤炭、纺织、医药、水产、商业、食品、造船、国防和科研等各个 部门的各个行业。以渔业捕捞行业为例，随着人们对生鲜鱼产品需求量的不断增 大，为确保鱼产品在出售前不发生腐败变质，往往需要用冷藏装置来保存捕获的 鱼产品、半加工品及产成品。如果环节中的制冷系统出现异常，不仅会造成不必 要的经济损失和浪费还可能会危及人身健康及影响企业信誉，因此制冷系统的可 靠性及稳定性至关重要。此外制冷机系统是企业内、或渔船上重要的动力设备， 要耗费相当的能量，对其进行智能化管理和优化控制有重要的工程意义。 目前国内在陆上使用的制冷系统多采用典型的氨制冷剂，中小型制冷系统多 为单机系统，即用一条封闭冷媒液路通过串联方式连接数个冷库和单台的或多台 氨制冷压缩机。随着控制技术的发展，国内一些较先进的制冷系统己经普遍采用 p l c “1 ( 可编程控制器) 作为控制核心。1 ，可以根据用户预先设定的参数对制冷 压缩机进行自动控制，但在运行过程中往往还需要进行一些人工干预。 而在渔船上由于受到各种因素的限制，目前其制冷控制系统尚停留在传统 的继电器、接触器的控制方式上“”，它存在着可靠性差、故障率高、且耗电量高、 并对船舶电网有冲击的缺点。为提高制冷系统的运行效率和可靠性及节约资源， 本论文提出了一套冷库及制冷系统的p l c 控制系统。该系统以p l c 进行分散管理 和自动控制。具有操作管理方便，控制相对分散，配置灵活，组态方便，扩展性 强等特点。同时在控制的过程中引入p i d 控制来实现冷库温度的自动调节和动力 能源的合理分配，大大地提高了系统的稳定性和效率。 第二节选题的目的意义 一、舟山渔业现状 舟山市是我国重要的海洋渔业基地。舟山渔业在国内外有着较高的知名度， 在国际竞争中拥有特殊的有利条件。舟山解放5 0 年来，特别是党的十一届三中 上海海事大学硕士论文 全会以来，渔区通过广泛深入的改革开放，渔业经济得到了巨大的发展，从而为 整个渔业接轨市场经济，参与国际竞争奠定了良好的基础条件。海洋捕捞渔业 实力雄厚，水产品生产、供给能力明显增强。目前，全市拥有机动渔船约1 2 万艘，总吨位及总功率近7 0 万吨和1 3 0 万千瓦，其中大型钢质渔船3 0 0 0 多艘。 近三年全市每年渔业产量都在1 0 0 万吨以上，1 9 9 9 年达1 3 3 万吨( 年人均水产品 占有量达1 3 5 万吨) ，可为全省4 4 0 0 万人口每人供应3 0 多k 、全国1 2 5 亿人口 每人供应1 0 6 k g 。海洋渔业是舟山市的传统优势和最重要的基础产业，渔业经济 ( 包括水产品加工) 占全市国民经济的比重达5 0 。全市近百万人口中，渔业人 口达2 5 万人，占1 4 ，从事海洋渔业的劳动力近7 8 万人。 但是，1 9 9 6 年，我国加入联合国海洋法公约，随着公约的生效和2 0 0 海里专属经济制度的确立，以及2 0 0 0 年6 月1 日的中日渔业协定和2 0 0 1 年 6 月3 0 日的中韩渔业协定的生效，浙江省在济州岛、大小黑山等传统作业渔 场以及北太平洋日本专属经济区生产的船只不得不退出。在协定中的“暂定措施 水域”和“过渡水域”作业的渔船和捕捞量也受到严格限制。去年和今年，韩国管 辖水域和韩方一侧过渡水域的允许入渔船数和渔获配额逐年减少。到2 0 0 5 年， 过渡水域变成专属经济区，双方在对方专属经济区管理水域渔船数和渔获配额达 到大体平衡，各为2 0 0 0 艘左右“1 ，届时浙江省的损失将更加惨重。2 0 0 5 年以后， 随着划界谈判的深入，受限制的作业渔场范围会越来越广，海洋渔业的形势将更 加严峻。无论从目前还是长远来看，受损失最大的就是舟山。据数据显示，协定 生效后，影响舟山市g d p l 4 4 1 亿元，相当于2 0 0 0 年的总值1 2 5 。 另外，近几年来，由于海洋渔业资源衰退，海洋环境污染加重，以柴油为主 的渔业资料价格长期居高不下，生产成本上升，以捕捞为主的舟山渔业呈现萎缩 态势，特别是中日、中韩渔业协定的生效，使舟山渔场的空间急剧收缩，舟山的 渔业受到严重的挑战，若舟山的渔业萎缩，将严重的阻碍舟山的经济发展。 发展远洋渔业势在必行，是重振舟山渔业的必经之路。新兴开发渔业不断拓 展，产业化程度不断提高。目前捕捞开发从近海已拓展到外海、远洋；生产作业 开发从底层扩展到中、上层。去年，舟山全市远洋渔业作业渔船达到2 5 0 艘，产 量达1 5 万吨，远洋捕捞遍及大西洋、太平洋、印度洋，涉及印尼、缅甸、几内 亚比绍、塞拉利昂、阿根廷、日本和俄罗斯等近1 0 个国家的海域或近邻海域。 为海岛城市化和渔业现代化建设做出贡献。 上海海事大学硕士论文 二、研究的目的和意义 保证鱼获物之鲜度，提高鱼品的质量，是渔船的主要任务之一。近海的拖网 渔船大多采用带冰保鲜，利用融冰使鱼品保鲜温度在o 左右。而在外海及远洋 作业渔船上的保鲜温度为一1 5 。c 一1 8 。c ，需采用机械制冷保鲜。随着海上交通 运输和远洋捕捞事业的发展，渔场的距离越来越远，制冷装置应用越来越广泛， 容量日益增大，对电气控制要求也更高。传统的控制方式已显得落后。渔船在航 行作业时，基本上得不到技术支持，只能做简单的维修；且渔船的机舱面积被压 缩得很小，主辅机和制冷设备都安装在同一个机舱内，工作条件恶劣。故要求渔 机工作的可靠性要比其他的设备要高，并且维修简单，工作量要小。 本文通过相应的工作，对于渔船制冷系统来说，期望可以获得以下的好处。 1 1 提高系统的可靠性，可以大幅度的降低故障率。 2 ) 控制系统更为简洁，维修简单，快速方便。 3 ) 通过相应的程序的设计，做到压缩机起动过程中卸载起动，即对船舶电 网不造成冲击。 4 ) 通过响应的控制程序的设计，可以做到按负荷大小控制制冷过程，达到 节能的目的。在船舶上电费成本是很高的，其意义是不言而喻的。 5 ) 可以提高鱼获物的质量。 6 ) 可以减少渔船往返航行时间，延长了作业的时问，提高了劳动生产率。 第三节主要研究内容和技术路线 一、主要研究内容 本文的主要工作是： 第一部分：通过对三种制冷控制系统的技术特点进行比较，得出最适合渔船 应用的控制技术。 第二部分：通过对各种制冷控制方法的特点和性能的分析比较，在满足渔船 的要求下，确定渔船制冷系统采取的控制方式，以期提高系统的性能。 第三部分：为制冷控制系统选配合适的硬件和编制相应的程序。 第四部分：对所做的工作进行检验是否满足了要求。 二、技术路线 上海海事大学硕士论文 本文采取的主要的研究路线是： 渔船制冷控制系统控制技 术的选定 上 制冷控制方式的选定 控制系统硬件的配置 l 编程软件的选择 l 编制用户程序 运行检验 第四节文献综述 一、p l c 综述 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) “1 ，是一种数字 运算操作的电子系统，是在2 0 世纪6 0 年代末面向工业环境由美国科学家首先研 制成功的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、记数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按 易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。1 。 p l c 自1 9 6 8 年问世至今只有3 0 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛的应 用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。 1 、p l c 的产生与发展 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自动装 配线上试用，获得了成功“1 。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便， 可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工 业领域推广应用。虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模， 4 上海海事大学硕士论文 超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，p l c 也迅速发 展，其发展过程大致可分四代： 第一代在1 9 6 9 、1 9 7 2 年。这个时期的产品，c p u 由中小规模集成电路组成， 存储器为磁芯存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功 能，其中p l c 特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用 户语言。 第二代在1 9 7 3 1 9 7 5 年。这个时期的产品己开始使用微处理器作为c p u i p l c ( 可变成逻辑控制器) 成为真正意义上的p c ( 可编程控制器) ( 尚未正式命名) ， 而存储器采用半导体存储器。其功能上有所增加，能够实现数字运算、传送、比 较等功能，并初步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。我国在1 9 7 4 年也开始 研制自己的p l c 。 第三代在1 9 7 6 1 9 8 3 年。这个时期，p l c 进入了大发展阶段，美国、日本、 原西德各有几十个厂家生产p l c 。这个时期的产品功能显著增强，速度大大提高， 并能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程i o 能力，具 有较强的自诊断功能并采用了容错技术。1 9 8 0 年，美国电气制造协会( n e m a ) 将 p l c 正式命名为可编程控制器( p c ) 。 第四代为1 9 8 3 年到现在。这个时期的产品除采用1 6 位以上的微处理器作为 c p u ) b ，内存容量更大，有的已达数兆字节；可以将多台p l c 链接起来，实现资 源共享；可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统：编程语言除了可使用传统 的梯形图、流程图等，还可使用高级语言：外设多样化，可以配置c r t 和打印机 等。 第一代p l c 功能太弱，已基本淘汰；第四代p l c 面向复杂大型系统，应用还 不广泛。目前，在各行业应用最多的是第二、三代产品。另外，在p l c 的发展 过程中，产生了三类按i o 点分类的p l c “1 ：小型、中型、大型。一般小于2 5 6 点为 小型( 小于6 4 为超小型或微型p l c ) 。控制点不大于2 0 4 8 点为中型p l c 。 2 0 4 8 点 以上为大型p l c ( 超过8 1 9 2 点为超大型p l c ) 。 2 、p l c 的特点”1 p l c 是综合继电器、接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计、 制造和发展的，这就使p l c 具有许多其他控制器所无法相比的特点。 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强。绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的 首要条件。针对p l c 是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列硬件 上海海事大学硕士论文 和软件抗干扰措施。在各种选用p l c 的原因中，第一位的原因是由于可靠性高 的用户达9 3 “1 。 2 ) 通用性强、使用方便。由于p l c 产品已经系列化和模块化，p l c 配备有 品种齐全的各种硬件装置工用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后，就可通 过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 3 ) 采用模块化结构，系统组合灵活方便。各模块之间可用机架和电缆连接。 系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合。 4 ) 系统设计周期短。 5 ) 对生产工艺改变适应性强。 6 ) 安装简单、调试方便、维护工作量小。p l c 用软件功能取代了继电器控制 系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，控制柜的设计、安装接 线工作量大为减少。p l c 的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调好后再将 p l c 控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，p l c 的故障率很低， 且有完善的诊断和实现功能，一旦p l c 外部的输入装置和执行机构发生故障， 就可根据p l c 上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。若是p l c 本身问题，则可更换模块，迅速排除故障，维修极为方便。 3 、p l c 的应用领域 归纳起来有如下的几个方面”3 。 1 ) 开关逻辑和顺序控制。这是p l c 应用最广泛、最基本的场合。p l c 取代 继电器进行逻辑控制。 2 ) 模拟量控制。是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的控制。p l c 通过模拟量i o 模块实现模拟量与数字量之问的a d ，d a 转换，并对模拟量进 行p i d 控制。 3 ) 定时控制。p l c 有很强的定时、计数功能，可以为用户提供数十甚至上百 个定时与计数器。 4 ) 数据处理。现代的p l c 具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、 位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 5 ) 信号联锁系统。是安全生产所需的。 6 ) 通信。把p l c 作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信， 完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。 6 上海海事大学硕士论文 二、渔船制冷系统研究的概述 1 、渔船制冷系统的必要性 渔船制冷系统的必要性主要表现在以下几点： 1 ) 可以提高鱼品的质量，满足了人民对鱼产品的鲜度上的要求，冷冻的鱼 产品可以长时间储存和长距离运输，使得鱼产品销售的时间和空间的限制减到了 最小，渔民的收入就有了保障。 2 ) 制冷系统的应用还能提高渔船劳动生产率。由于制冷系统的应用，船舶 的续航时间、作业时间的延长，减少了船舶的往返航行，提高了劳动生产率。 3 ) 渔船制冷系统还能提高渔民的生活质量，其伙食品同样可以经冷藏来储 存较长的时间，改变了以前的渔民在海上吃不到新鲜蔬菜的情况。有些渔船也还 利用制冷系统同时设置空调，则船上的生活就更加舒适了。这对长时间在海上工 作的人员是有很大的意义的。 4 ) 制冷系统最重要的意义是在于可以扩大渔场。目前传统的近海渔场资源 由于各种原因严重衰退。海洋渔业资源并非取之不尽，用之不竭。另外，由于中 日渔业协定和中韩渔业协定的生效，使得我国的传统渔场的空问急剧收缩。 这对舟山的渔业影响巨大，近年来随着近海渔业资源的急剧衰退、捕捞空间的日 渐缩小，“船多鱼少海小”的矛盾迫使大批渔民纷纷从捕捞作业中退出。为缓解近 海渔业资源衰退带来的影响，切实保护好舟山渔场的渔业资源，除了引导渔民转 产转业外，还有一个就是要走远洋渔业道路。而远洋渔业的发展在技术上其中就 有对捕获物的储存问题，可以这样说，制冷系统为远洋渔业提供了一个可能性。 2 、船舶制冷系统研究的现状 通过资料的检索，对于船舶制冷系统的控制研究，主要注重于变频控制的 研究，以达节能和减小冲击的目的。如集美大学轮机工程学院林金表、蔡振雄教 授等的船舶冷库变频节能控制器的设计口3 ，分析船舶冷库的节能途径，利用 p i c l 6 c 7 6 单片机设计变频节能模糊控制器。控制器根据采集的蒸发温度、蒸发 器出口温度、库温等参数，调节压缩机的转速，使得制冷量与热负荷匹配。可提 高制冷系数，节约了能源；赵楠，赵磊的变频冷藏装置在舰船上的应用”1 ， 研究了变频装置对冷藏系统的应用，可使压缩机的转速随着负荷的大小而改变， 减少了耗电量，温度恒定，具有启动电流小，快速制冷、制热，噪音小等优点； 上 海水产大学龙海峰，谢晶，徐世琼，管伟康的电子膨胀阀在冷藏库制冷系统中 应用的展望凹1 ，通过阐述电子膨胀阀与冷藏库的传统节流装置一热力膨胀阀之 上海海事大学硕士论文 间的差别，并从节能和机电一体化的角度出发，分析了电子膨胀阀在冷藏库制冷 系统中应用的可行性；刘国平、俞舟平老师等船舶制冷系统的优化控制“， 对船舶制冷系统的模型，控制决策及工程实现等进行了研究，完成一个非线性系 统优化实现方案；单海校的p l c 在小型冷库压缩机控制系统中的应用“， 介绍了p l c 在小型冷库压缩机控制系统中的应用，针对舟山地区小型冷库压缩机 控制系统存在的问题，选用压力参数代替制冷温度参数作为检测信号，采用 f x 2 - 4 8 m rp l c 替代原来继电器逻辑电路组成的控制器对压缩机进行控制，使冷 库的运行状态达到最佳效果，为实现无人值班冷库提供了方便。等等。 而对于国产渔船的制冷系统几乎全部为国产直接膨胀供液系统、压缩机制 冷制冷剂主要有r 7 1 7 、r 2 2 、r 5 0 2 “。目前舟山地区的远洋渔船制冷控制系统多 数采用继电器、接触器控制，其中冷库的温度控制采用温度开关控制膨胀阀的开 与关来实现；压缩机采用制冷剂压力开关控制压缩机启停控制方式“”。 3 、制冷装置节能的研究方向 资料表明，制冷装置性能的提高，主要的着眼点在节能的研究上，其方法 主要有两个方面： 1 ) 从提高制冷循环过程的效率出发，提高制冷设备的性能指标。主要有： 一是改善制冷循环，将现有制冷循环加以分析，找出薄弱环节加以改进，这种分 析己由静态分析转为动态分析。二是寻找新的制冷剂，尤其是对某些制冷剂加以 限制以后，寻找新的制冷剂工作加快了“。本文对这方面不展开。 2 ) 从提高控制设备的自动化水平出发，来提高冷藏系统的性能指标。制冷 装置的自动化已从单机自动安全保护，单机自动运转发展为多机组自动控制，甚 至直接用电子计算机监测和控制，以实现运行工况最佳化，大大降低能量消耗。 采用“自适应控制”与“模糊控制”等控制软件，实现最佳状态点控制，达到优 化节能的目的。一台具有节能优化控制软件的机电一体化制冷设备比通常恒温制 冷设备节能4 0 左右。 对压缩机的控制，检索的资料表明，对压缩机电动机进行变频控制的研究越 来越多，也已经比较成熟。在陆地上，制冷控制系统已经非常的成熟，其自动化 程度已相当的高，“自适应控制”与“模糊控制”等控制都有采用。而大型制冷 系统，在陆地上已有采用集散控制方式“。集散控制系统以计算机为上位机进行 集中的监视与控制，以p l c 为下位机进行分散管理和自动控制，以通信网络为 纽带组成一集散控制系统“1 。具有集中显示操作管理，控制相对分散，配置灵活， 上海海事大学硕士论文 组态方便，扩展性强等特点。 但是，在舟山渔船上的制冷系统，资料检索未能发现相应的装置被采用。 第五节渔船制冷控制关键技术的重要性 一、传统的渔船制冷控制存在的不足 舟山地区传统的远洋渔船制冷控制系统大多数采用继电器、接触器控制， 采用继电器、接触器控制的系统是通过对继电器进行硬接线完成相应的逻辑控制 功能，其组成元器件多，触点数量庞大，容易出现故障，即可靠性低。出现故障 后，要从庞杂的接线中找出故障点，是有相当的难度：其维修复杂，工作量大。 传统的远洋渔船制冷控制系统其中冷库的温度控制采用温度开关控制膨胀 阀的开与关来实现：压缩机运行采用制冷剂压力开关控制压缩机起停控制方式。 温度控制采用开关制方式，不论库温实际高低，只要达到设定的动作温度，膨胀 阀就打开，且其开度是一样的，即进入蒸发器的制冷剂的量是一样的。在制冷的 开始阶段，全开的膨胀阀是满足要求的，但是到了快要结束的阶段，全开膨胀阀 就会造成进入蒸发器的制冷剂数量过多，使得蒸发温度有所下降，即制冷效率也 随之下降。同理，只要压缩机吸入口的气体制冷剂的压力达到动作值，压缩机就 启动，且压缩机的运转的速度与制冷剂的压力变化是无关的。即制冷系统的工作 情况与负荷的变化是无关的，所以在制冷过程的结束阶段，压缩机的运转要比所 需要压缩冷剂的规律要高，即存在着能耗高的缺点。 采用开关和启停的控制方式，不可避免出现冲击。在有多个冷库的制冷系统 中，每台压缩机的功率不是按照一个冷库的需要而设置的，它可以满足多个冷库 同时制冷时的要求。这样当只有一个冷库工作时，压缩机所能提供的功率将超过 冷库制冷的需要，会使冷剂压力很快的下降到停压缩机的压力值；然而，由于制 冷在继续进行，制冷剂压力又会上升，则压缩机就再次起动。造成压缩机的频繁 起停，对电网产生冲击，影响机舱其它设备的正常工作。 二、渔船制冷控制关键技术的重要性 目前舟山渔业正大力向远洋渔业发展，而制冷技术是发展远洋渔业的一个重 9 上海海事大学硕士论文 要的技术环节。而传统的渔船制冷控制技术存在着上述的不足，在一定程度上影 响了远洋渔业的发展。所以，在成本提高不大、对操作者的要求不能太高的前题 下，能提高渔船制冷系统的可靠性、降低维修的难度、提高制冷过程的效率、减 少冲击，即提高制冷系统性能对远洋渔业有着重大的意义。 综述已经述及，制冷装置性能的提高。在节能的研究上，其中一个方法是： 从提高控制设备的自动化水平出发，来提高制冷系统的性能指标。而目前在陆上 已经有多种控制技术被采用，并且在实践中得到了较好的应用。而在渔船上采用 何种关键的技术和控制方式，它是否适应渔船的应用环境，能否提高制冷系统的 性能，成本的上升能否接受，都是需要研究的。本文从控制技术的方面做一探讨。 第二章渔船制冷控制关键技术的选定 第一节制冷控制技术的比较研究 本文所说的制冷是指采用压缩机械制冷方式，对于其他类型的制冷方式，不 予研究。 一、制冷控制技术的种类 压缩式机械制冷的控制常见可以采用继电器接触器控制、计算机控制和p l c 控制技术。 传统的制冷控制是采用继电器、接触器控制来实现的。继电器、接触器控制 系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。其控制线路接线复杂。 计算机控制系统和p l c 控制系统，都是采用软件来替代硬接线来实现逻辑 控制的，再使用少量的外围转换电路来实现各种控制结果的。其接线路较少。 二、各控制技术的特征比较 p l c 控制技术的特点已经在文献综述的相关内容中叙述，这里就不再重复。 下面主要将继电器控制和计算机控制技术分别与p l c 控制技术作一比较。 1 、继电器接触器控制的特点 继电器接触器发展到现代已经非常成熟，继电器、接触器种类繁多，有较大 0 上海海事大学硕士论文 的选择余地。其控制系统的主要优势是： 1 ) 简单易懂、操作方便。继电器接触器控制系统的控制逻辑清晰，电路图 流程明显，逻辑性强；轮机员操作以按钮等主令电器为主，操作方便易学。 2 ) 作为传统的控制技术之一，轮机工程人员对此技术比较熟悉，乐于接受 这种控制系统。 3 ) 继电器、接触器种类繁多，选择余地大，备件丰富，其价格较便宜。渔 船的投资一般不会太高，所以价廉物美的设备是很有吸引力的。 但是，如前面综述所述，继电器、接触器控制也有其明显的缺陷： 1 ) 可靠性差。继电器由于结构简单、容易掌握，作为单台装置时，其本身 是比较可靠的，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面很广。但是，大型控 制系统使用的继电器数量多，接线复杂；如果某一个继电器损坏、甚至某一个继 电器中的某一对触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。且继电器的触点 为机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，容易造成系统故障。 2 ) 故障查找和排除困难。如上所述，大型控制系统是非常复杂的，其电路 是用成百上千根导线以复杂的方式连接起来。一旦出现故障，如果轮机人员不熟 悉电路的接线，那么排查故障时，会变得很难找到头绪。 3 ) 灵活性、通用性差，总体成本较高。当控制过程稍有差异，则继电器控 制系统就必须重新设计，其元件和接线也需要做相应的变动。虽然继电器本身价 格不贵，但其控制柜内部的安装、接线工作量大；另外，由于通用性差，就需要 有大量的控制柜来实现各种功能。这样，整个控制系统的价格往往是很高的。 4 ) 通常采用模拟式仪表，显示手段落后，在现代化程度日异提高的今天， 已显得不适合。 5 ) 通常只能实现双位模式的控制。继电器、接触器本身不具有模拟量控制 能力，如要对需要进行定值控制的场合，则需另加专用的控制系统，这样会使整 个系统更加复杂。即继电器控制技术的控制能力是较差的，在目前对控制系统要 求日益提高的要求下，其已经显得落后了。 6 ) 控制系统体积大，耗电多。 影响继电器、接触器控制技术的主要是其可靠性差、排除和查找故障困难， 使其在渔船上的应用受到了限制。在船舶的冷藏系统容量越来越大，控制能力要 求越来越高的今天，继电器控制技术已经显得力不从心。 2 、计算机控制技术的特点 上海海事大学硕士论文 计算机控制的优点是： 1 ) 控制部分可以用软件替代，其灵活性，通用性好。 2 ) 与继电器系统相比，其可靠性大大上升，维修也简单化。 3 ) 计算机功能强大，完备，可以实现各种控制方式。 4 ) 显示手段先进，且多样化。 而计算机控制的缺点主要是： 1 ) 单台计算机控制系统危险高度集中。万一计算机的软件或硬件出现故障， 则整个系统就全部瘫痪。这样危险性太高，故一般不会采用单台的微机系统。 2 ) 计算机价格较高，如果在控制系统的每个部分都采用独立的计算机控制， 则势必会使用多台计算机，造成控制系统的成本过高。 3 ) 计算机系统对工作人员要求较高，而渔民的文化素质相对来说是低的， 而操作计算机相对于渔民来说，是有一定难度的。若出现故障，要求渔民在海上 自行检修，几乎是不可能的。 4 ) 计算机系统对工作环境要求较高。 故计算机控制系统虽然很先进，但是因其成本和危险性集中的特点，在渔船 上是很难应用的。 3 、各控制技术的特点比较 下面将各控制技术的特点作一比较。 表2 1 各控制技术的特点比较 比较的特点接触器控制p l c 控制计算机控制 通过对继电器进 通过编程实现所需通过编程实现所 控制功能的实现行硬接线完成相 的控制要求需的控制要求 应的控制功能 适应性、柔韧性与具有种类齐全的扩 差扩展灵活 灵活性展单元，扩展灵活啪 元器件多、触点商业级，高；但是 外围元件少， 可靠性多，容易出现故单台计算机系统 工业级，高嘲 障的危险性集中 复杂控制能力极差强很强 上海海事大学硕士论文 耗电较大较小较小 环境的适应力强 强弱 操作的要求方便，易学需短期的培训 较高 价格较低 较高较高 工作量小，但技术 维护性能复杂、工作量大工作量小 要求较高 三、各控制技术的应用领域 继电器控制技术在工业控制领域中被大量采用，如电力拖动、各种简单的逻 辑、程序控制场合，但由于其特点，使得其在大型复杂的、控制工艺发生变化的 控制场合显得力不从心。 计算机系统常用于商业、科技、个人等方面，如办公、管理、科学计算、家 庭、教育等各个方面，应用极为广泛。但在工业现场控制场合，则不如其他的控 制系统。 p l c 产生初期时，主要是为了替代继电器的控制作用，但随着p l c 的发展， 其功能越来越强大，因而在电力、机械、冶金、能源、化工、交通等领域有着广 泛的应用，己成为现代工业控制的三大支柱之一( p l c 、机器人、c a d c a m “1 ) 。 第二节制冷控制关键技术的选定 在对比了三种控制技术的特点后，在渔船的制冷控制技术采取何种控制技 术，还要来看这三种技术哪一种最适合。那么，就必须了解一下渔船制冷系统的 一些特点。 一、渔船制冷系统的工作特征 渔船制冷系统的特征可以从下面几个方面来说明： l 、工作环境： 渔船在海上航行，工作环境恶劣：环境温度变化大、工作时有较大的震动和 冲击、周围存在油雾和盐雾。且机舱容积狭小，与其它设备安装在一起。 2 、制冷能力的要求： 制冷系统应满足鱼获物对温度的要求，能长时间连续工作，确保鱼货不会变 上海海事大学硕士论文 质。另外，鱼获物在冷藏前需要快速冻结，冻结的速度越快，温度越低，鱼品质 量就越好。故要求冻结间有较大的制冷能力，且其冻结温度低。 3 、制冷动力设备的设置： 为确保捕到的鱼货不会变质，在设计选用制冷压缩机时，首先应保证任何一 台制冷机出故障时，其他制冷机连续运转能维持鱼舱设计的最低温度。除较大型 带有收购加工鱼货的渔船外，常规的渔船都是选用2 台制冷压缩机组，使安装制 冷设备的机舱布置紧凑，操作简单，节省占用空间。平时正常的捕获量下，可以 2 台压缩机互打备用，当遇到较大网头时，可以同时开动2 台制冷机对冻结间加 倍供冷。 由于受到机舱的因素限制，要求压缩机应体积小、功率大，目前渔船上逐渐 使用双级压缩机，它通过中间冷却器的作用，使蒸发温度降低。且在为压缩机选 配电动机时，通常选择的电动机功率较小，这样对电网的影响也小。 4 、对电力系统的影响： 渔船上有发电机容量有限，而压缩机的功率又较大，通常制冷压缩机是渔船 上较大的动力设备之一。则压缩机起动时，必定会对船舶电网产生很大的冲击， 造成电网电压跌落，影响船舶其它动力设备的正常工作。 5 、渔船作业时的技术支持： 渔船出海在外航行作业时，只能作简单的检修，能得到的技术支持基本上是 没有的：故渔船对制冷设备在安全可靠以及备件方面有更高的要求，要求故障少， 维修简单快捷。 6 、机舱操作人员的文化技术素质制约： 一般来说，大多数渔民的文化技术素质相对较低，要求渔民操作较复杂的系 统都会有一定的困难，故要求操作系统简单明了。另外，出故障时，渔民的维修 能力也不可能太强，只能对简单的故障进行检修。 二、p l c 控制技术在渔船的适用性 为选择合适的控制技术，必须找出三种控制技术在渔船上应用时，可以用来 比较的一些重要因素。 l 、用于选择控制技术的比较因素： 根据上面渔船制冷系统的特点，可以归纳以下几点： ( 1 ) 工作环境的适应能力。由于渔船的工作环境恶劣，三种控制技术中，p l c 上海海事大学硕士论文 控制系统和继电器控制系统能适应较恶劣的工作环境，计算机控制系统对工作环 境要求较高。在某种层面，这个因素决定了控制系统的应用范围。 ( 2 ) 控制设备的可靠性和故障维修的简洁性。由于渔船在海上作业时，能得 到的技术支持很少，且渔民的文化素质的影响，所以这一条是选择控制技术的重 要条件之一。计算机系统很可靠，但是其危险高度集中，一旦计算机故障，就可 能导致整个系统瘫痪。 ( 3 ) 控制能力的因素。为减d , n 冷系统对其它设备的影响，可以在系统的控 制方法上做出一定的选择，尽量减小这方面的影响。为提高制冷系统的工作效率， 必须对现在传统的控制方式进行改造，采用先进的控制手段，切实提高制冷系统 的性能。故三种系统控制能力的强弱，也会影响到控制系统的选择。 ( 4 ) 控制功能的实现、灵活性。继电器系统是采用硬接线的方式来实现控制 功能的，其灵活性较差；p l c 和计算机系统都是通过编程的方法来实现的，它们 的灵活性较好，可以方便的实现各种控制功能。这个因素主要对设计和生产者有 影响。 ( 5 ) 操作的方便性和操作人员的接受度。继电器系统发展到现代，一直得到 了广泛的应用，轮机工程人员对此技术也比较熟悉，乐于接受这种控制系统。计 算机系统对工作人员要求较高，而渔民的文化素质相对来说是低的，而操作计算 机相对于渔民来说，是有一定难度的。若出现故障，要求渔民在海上自行检修， 几乎是不可能的。p l c 控制系统有同继电器控制系统类似的起动、停止等输入设 备，操作与传统控制系统类似，对渔民比较相对计算机要容易的多。 ( 6 ) 能耗问题。继电器的能耗较高，计算机系统和p l c 系统的能耗较低。 ( 7 ) 价格因素。目前，随着市场经济体制的发展，我国钢质渔船由早期的国 有海洋渔业公司统江山的局面，已经发展到乡镇群众渔业的崛起，甚至更有个 体建造的远洋渔船也己屡见不鲜。面对群众性的渔业，有的投资一缩再缩，有的 制冷操作水平不高，所以在设计中既要尽量推荐新设各、新方法，溶入当今成熟 的先进自控技术，又要具体分析，兼顾造价，尽可能减少制冷操作的难度。所 以，控制系统的价格也是影响选择的要素之一。 在三种控制系统中，计算机系统价格最高，p l c 系统稍低一些，继电器系统 最便宜。 2 、各因素的综合分析。” 为了选出最适合渔船的控制技术，需要综合分析以上的几个选择的因素。借 上海海事大学硕士论文 用产业矩阵的分析方法，分析的步骤如下： 以上各因素，三种系统各有不同优势，根据各技术的特点给各个因素进行评 分，得分在5 分和1 分之间，具体的得分见表2 2 。其中5 分表示很好，1 分表示很差，3 分表示一般。 在完成各因素的评分后，还要对各因素根据重要性规定权重，权重在1 0 ( 最 重要) 和0 ( 不重要) 之间，权重越高，表明该因素越重要；所有因素的权重之和 等于1 。各因素的权重见表2 2 。其中，控制系统的适应恶劣环境的能力越 强，反应了该控制系统越能适应渔船的使用：而可靠性和维修的简单化