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冷库制冷装置集散控制系统的研究于设计,冷库,制冷,装置,集散,控制系统,研究,设计
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冷库制冷装置集散控制系统的研究与设计冷库制冷装置集散控制系统的研究与设计一、 主要目标任务 综合大学期间所学的相关专业知识，如单片机原理及其应用、微机原理及其应用、检测与传感技术、自动控制原理、微机控制技术等专业课程，完成一个冷库制冷装置集散控制系统的设计。1、了解和掌握冷库制冷的工作原理及其基本结构；2、学习和掌握集散系统的原理和应用；3、将集散系统应用于冷库制冷系统，并对整个控制系统的工作原理和运行控制作出详细的设计，完成设计所要求的主要内容；4、对系统进行MCGS组态软件仿真，对系统各个时刻的工作状态进行时时监控；5、完成设计的程序编写与调试，提高自身的编程能力。6、翻译相关的英文文献资料，加强学生的专业英语的阅读与写作能力。二、 技术性能指标1、温度显示精度：0.2；2、液位显示精度：0.1ml；3、压力显示精度：0.1N；4、控制能力：8通道制冷控制；5、控制方式：降温，恒温。三、 简要工作原理如图（1）所示为带有4台压缩机的冷库制冷系统，起主要结构图如图所示。从制冷机蒸发器出来的制冷剂蒸汽（氨气）进入压缩机，由压缩机工作 压缩派入冷凝器（冷却塔），经冷凝器冷却变成液体再进入储液桶，然后进入蒸发器再蒸发，这样形成循环，制冷剂蒸发时吸收库房的热量在冷凝器中传给冷却水，从而产生制冷作用。在图（1）所示的制冷系统中，4台压缩机并联工作，吸气口和排气口各有一压力表（变送器）和温度表（变送器），分别用来测量传送吸气压力（Pin）、温度（Tin）和排气压力（Pout）、温度（Tout）。在库房和冷却水出口也各有一温度变送器，分别用来测量传送库房温度（Th）和冷却水出水温度（Tw）。储液桶上装有一液位变送器用来测量传送制冷剂液位高度（Hy）。通过对这些数据监控和调节就可以达到对整个冷库制冷系统的控制。在本次设计中采RS-232总线来实现对整个系统的集散控制，完成设计内容中的要求。具体实现将在具体设计中完整体现。库房蒸发器（冷风机）供液泵储液桶冷凝器压缩机1压缩机3压缩机4压缩机2储液高度检测储液高度检测储液高度检测控制输出 监控计算机各种报警排气压力温度检测冷却出水温度检测制冷剂循环路径Pin、TinThHyPoutToutTw图（1）带有多台压缩机的冷库集散控制系统四、 课题文献综述文献1：文献1针对冷库制冷控制参数多、管理复杂目前我国绝大多数冷库还处在采用传统模拟控制器分散控制和人工管理的落后状态的情况，研究和设计了一种基于MCGS工作组态软件和RS-485总线网络的冷库集散控制系统。其中RS-485总线控制网络的设计和现场控结构如下图（2）所示。现场控制设备选用OMRON PLC和PI16F877单片机，各台PLC、单片机和两台监控PC机连接在RS-485总线上，各台设备之间都可以进行通信，采用两台PC机双机热备更加强了系统工作的可靠性。两台监控PC机都可以连入局域、网甚至Internet，这样只要连网的PC机装有MCGS软件，登录MCGS 系统后都可以对现场控制设备进行操作、管理、维护和监控。上位管理PC现监控PC机1现监控PC机2现监控PLC 1PI16F877单片机1现监控PLC 2现监控PLC 3PI16F877单片机1图（2） 基于RS-485的冷库集散控制系统总线结构该系统克服了冷库采用传统分散控制方式的操作和管理不方便，控制性能、质量差，能耗大，效率低的缺点，不但能有效的提高冷库的控制性能和质量和安全性、可靠性，而且还能降耗，提高冷库的运行经济效益。该设计通过基于MCGS 的“冷库集散控制系统”进行了模拟调试和仿真运行，结果表明，本系统设计正确，效果良好，达到了预期的设计任务目标，具有较好的实际运用价值。冷库采用微机集散控制系统对提高起控制性能、质量和管理水平，从而提高其运行的经济是有效的。文献2：文献2是在分析氨制冷系统经典模型的基础上，采用面向对象的高级语言技术，研究和设计了一冷库集散控制系统，实现了冷库的集散控制，并应用模糊控制来调节冷库的温度和制冷动力设备，保证系统能高效稳定运行。本文研制了一以计算机为上位机，以可编程控制器和单片机为下位机的冷库集散控制系统，该系统配以外围控制和检测电路，组成一以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，灵活配置、组态方便的计算机网络系统，实现了冷库的实时检测和控制，同时也在实施过程中引入了模糊控制调节冷库的温度和动力设备，提高了系统的运行效率。本文设计的系统的现场控制系统包括制冷监控单元和冷库监控单元，他们通过通信网络与操作站相互连接，分时向操作站发送现场的工作情况和接受来自操作站的命令，现场设备的控制和保护由现场监控单元完成，在手动控制的方式下，可以利用控制盘上的键盘操作设备。其中制冷站监控单元采用OMPON C200H 实现各种制冷设备的控制、调节和保护，其结构方图如图（3）所示。 主机连接单元CPU单元基本I/O单元制 冷 设 备图（3）制冷站监控单元结构图冷库监控单元以PIC16F877单片机为核心，这种单片机速度快，功耗低、体积小、价格廉，其片内除含有程序存储器、数据存储器、I/O口及定时器外，还含有256字节的EEPROM，五路的A/D转换器和定时器看门狗及RS-232通讯模块，因此，只需在外围配以少量的测量和控制电路即可完成系统的设计其结构图如图（4）所示。 本文提出的冷库制冷集散控制系统以计算机为上位机，可编程控制器为下位机，以通讯网络为纽带，实现了冷库制冷的集中管理和分散控制，该系统结构简单、配置灵活、组态方便，有效的提高了系统的可靠性和管理控制水平，引入模糊控制来调节冷库温度和动力能源，系统的稳定性和运行效率都得以保证。 PIC16F877单片机冷 库 现 场模拟多路开关模拟多路开关测温电路RS-485总线变换器驱动图（4）冷库现场监控单元结构图风机 文献3：文献3明确指出冷库是冷链体系的关键技术之一，其设计技术的优劣，直接关系到冷库的初期建设总投资、后期冷库的运行费用、管理费用等一系列重要的经济指标；在一定程度上决定了冷库在食品的加工、存储过程中的经济效益。该文通过对冷库的计算机优化设计结果和工程实例进行对比分析，证明了最优设计在冷库设计中的可行性，并得出了一些对工程设计具有指导意义的结论和图表。该文提及的常用的优化设计方法有两种，即直接法和求导法。直接法不用计算目标函数的导数值 ，而是通过直接计算函数值，并以之作为迭代、收敛根据，最终求出最优值的方法。有模式搜索法、转轴法、单纯型法、Powell直接法，这类算法比较简单、编程容易；但主要问题是：收敛的速度比较慢，特别是当自变量个数比较多或是目标函数形态较好时，其效率比较低。求导法以多变量函数极值理论为根据，利用函数形态并以之作为迭代、收敛根据的方法。这类方法的收敛速度至少是线性收敛，工作效率好，极值的计算精度也比较高。经过优化设计，可达到设计的要求，大大的提高了冷库的运行效率和管理强度。具有一定的实际利用价值。文献4：文献4介绍的单片机智能温度检测及控制系统不仅能快速连续的检测冷库温度，而且还能以数字方式进行显示，实现了温度的自动控制与检测，克服了人工控制进出冷库所产生的对被控量的扰动。本系统具有测量精度高、性能价格比高的特点，因此，有较好的推广与应用价值。其冷库温度检测与控制系统的构成：如下图（5）所示，通过温度传感器检测冷库的温度，在经过放大、积分、比较等环节，最终经过单片机实现控制。本文所设计的冷库温度检测与控制系统经实验证明是完全可行的，它具有精度高、可靠性好、易于操作等优点。另外，系统可以方便改进控制方式，选用更好的控制算法，如PID、智能算法等，使之控制精度更高，应用范围更广。 温度传感器放大器积分器比较器8031单片机键盘显示执行器制冷设备图（5）温度检测与控制系统结构 文献5：文献5的设计利用单片机8031来对中小型冷库进行自动化改造，使得控制系统自动化程度大大提高，温度控制精确度高，节约能源，提高了库存产品质量，降低了值班人员的工作强度。其结构图如下图（6）所示。该设计能够实现冷库温度较精确的控制，具有实际运用价值，再加上他的结构简单，价钱便宜，有一定的推广范围。 温度传感器放大滤波8031单片机键盘显示图（6）冷库单片机控制系统结构A/D转换I/O扩展8255执行元件对象文献6：文献6特别指出当前冷库建设的现象是旧库需要改造，新库不断兴建；有的冷库面临转产甚至倒闭的局面，有的冷库通过改扩建而不断发展，还有不少正在新建的冷库。产生这种现象的原因是市场经济和食品冷藏链发展的需要，冷库的发展必须跟上这种需要，否则将被无情地淘汰!制冷系统新技术的应用是冷库发展的重要依托之一。文献7：文献7指出利用组态软件可以方便快捷地为生产企业建立集散控制系统(DCS)，并又使所构建的系统结构清晰简单、功能强大、易于扩展、适应性强。采用这样的控制系统可以大大提高生产过程的自动化水平，充分加强对生产过程、设备以及资源的管理，完全适应现代企业高效生产和发展的目标要求。成为当前和今后自动化工程领域的一种主要趋势。该文将系统从结 构上简单地分为两层。其中 上层通常是作为服务器 和客户端的 、 运 行 有组态软件的上位计算 机站 点 ，网络连 接 TCP /IP协议进行通 讯 。下 层是组态软 件 支持 的I/O设备 ，包括 P L C及其网络 、智 能仪表 、板卡等 。下层 设备之间通过现 场 总线 连接。上 、下层设 备之间主要指数据 采集服务器与现场 I/O设备间通常根据 需要 以串 口、数据采集卡 、DDE装 置 、 人机 界面卡或网络模块等进行 连接 。系统组成 结构简单 ，层次清晰 ，易于实现 。 经实验证实，该系统设计合理，运行符合设计的要求，达到了对系统分散控制，集中管理的目标。提高了冷库运行效率和经济效率。五、 方案的选择与论证方案一、 基于PLC控制的冷库制冷装置集散控制系统1）硬件组成：PLC、PC机、压缩机、热电偶、AD590温度传感器、MAX1457压力传感器、AD0809模数转换器、软件滤波器、继电器、冷凝器、储液桶、供液泵、报警装置、现场总线等装置。2）工作原理：如图所示，通过设定冷酷系统所要求的温度，通过反馈控制压缩机的工作从而达到温度的控制目的，通过温度和压力传感器检测系统各个所要求检测的地方的温度和吸气及排气压力，经过放大器和AD转换器将模拟量转化为数字量通过单片机执行相关操作，并通过总线控制方式对系统的运行状况和实时数据进行监控和追踪。并在发生异常情况时产生报警。3）系统原理框图：如图（7）所示： 比较运算继电器压缩机温度和压力传感器放大器AD转换器PLC计算图（7） 方案一系统原理结构图设定现场监控系统报警装置LCD显示方案二、 基于AT89C51控制的冷库制冷装置集散控制系统1） 硬件组成： AT89C51单片机、PC机、压缩机、热电偶、AD590温度传感器、MAX1457压力传感器、AD0809模数转换器、软件滤波器、静态电子开关、冷凝器、储液桶、供液泵、报警装置、现场总线等装置。2） 工作原理：通过单片机的键盘设定冷库系统所需要的温度，由单片机直接控制冷库系统的静态电子开关，通过压力温度传感变送器检测系统的温度和压力，并将之经过ADC0809数模变换器送到单片机进行执行相关操作，如温度的显示、并通过总线变换器将数据和工作情况上传至总线，通过监控系统进行实时监控分析，并作出相关指示（报警或正常运行）。3） 系统原理图：如下图（8）所示：ADC0809AT89C51静态电子开关制冷系统温度、压力温度压力传感变送器键盘输入LED显示总线变换装置监控系统报警装置图（8） 方案二原理结构图方案论证分析：每一种方案都采用了不同的控制元件（单片机、PLC、），但是方案一中PLC虽然在编程实现上比较容易，但是PLC控制方式在进行数模和模数转换以及显示电路的实现上又存在很大的麻烦，必须借助于其他的器件，这会在经济效益上大打折扣，方案二中的单片机控制则比较实用，其一，成本低，外围电路也相对简单，在进行模数转换和数模转换的时候实现起来也比较容易；其二，单片机控制能够较好的实现与总线接口的链接，实现实时监控方便；其三，单片机的规模适合于多数企业的运用，推广价值高。综上所述，本人在此次设计中预计采用方案二，即基于单片机控制的冷库制冷装置集散控制系统。具体设计将详述于设计的正文。六、参考文献1 潘湘高.基于MCGS的冷库集散控制系统的研究与设计J湖南文理学院学报,2005(4)第62至64页2 蔡志远，齐刚等.冷库制冷集散控制系统J.沈阳工业大学学报,2003，25(3)第210至213页3 盛璞琳.冷库的最优化设计与应用J.制冷与空调, 2003,3(3) 第33至38页4 郑恩让.中
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