CARRIER制冷机组及其控制系统的研究.pdf

文章编号 CAR015 CARRIER 制冷机组及其控制系统的研究制冷机组及其控制系统的研究 孙传余孙传余 1 肖林京 肖林京 1 黄田化 黄田化 2 黄国浩 黄国浩 2 1 山东科技大学山东科技大学 机械电子工程学院机械电子工程学院 山东山东 青岛青岛 266510 2 青岛中集冷藏箱制造有限公司青岛中集冷藏箱制造有限公司 山东山东 青岛青岛 266300 摘 要摘 要 冷冻集装箱在长途陆路运输和远洋运输过程中起着重要的作用 CARRIER 制冷机组就是制冷的关键设备 占到市 场份额的 60 以上 本文由外及内 逐层深入 阐述了 CARRIER 制冷机组的工作原理 继电器控制与保护电路 微控制 器内信号的输入 输出电路 以及 4 种操作模式下的控制规律 CARRIER 制冷机组具有节能环保 制冷迅速 控制精确 性 能可靠 操作容易 维修方便等诸多优点 关键词关键词 冷冻集装箱 CARRIER 制冷机组 控制系统 操作模式 节能环保 RESEARCH OF THE CARRIER REFRIGERATION UNIT 2 Qingdao CIMC Reefer Manufacture Co Ltd Qingdao Shandong 266300 China Abstract The reefer container plays an important part in the transportation of long road and far sea the CARRIER refrigeration unit which takes up more than 60 market is the most pivotal equipment for freezing The paper has expatiated on the principle of CARRIER refrigeration unit the relay control the protection circuit the input circuit the output circuit of MCU signals and the control rule under 4 different operation modes The CARRIER refrigeration unit has many merits of energy conservation environmental protection fast refrigeration reliable performance precise control easy operation convenient servicing etc Keywords Reefer container CARRIER refrigeration unit Control system Operation mode Energy conservation environmental protection 0 引言引言 制冷是食品加工储存的重要设施 是低温流通 的中枢 是冷链体系的关键之一 而制冷机组则是 能完成制冷与保鲜功能 有效阻止食物腐烂 保证 简介 孙传余 1982 02 男 山东日照人 山东科技大学机械 电子工程学院博士研究生 主要从事制冷机组及嵌入式控制 系统的研究 联系方式 邮编 266510 地址 山东青岛经济技术开发区前湾港路 579 号 山东 科技大学机电学院 2007 级博士 J8 412 电话Email yake2147 果蔬营养价值和色香味的一整套自动化制冷装置 广泛应用于冷藏库 冷藏车 冷冻集装箱等 在人 民的日常生活和长途陆路运输以及远洋运输中 起 到重要的作用 集装箱用制冷机组目前主要有四大生产商 CARRIER制冷机组的市场占有率占60 以上 型 号主要有69NT40 489 69NT40 511 69NT40 521 69NT40 531 69NT40 541 69NT40 551 69NT40 561 THERMO KING制冷机组市场占有率 在25 左右 型号主要有CF II III 00CRR 40 CSR 40SL CRR 40PS CSR 40SLPS MAGNUM 另外还有DAIKIN制冷机组和STAR COOL制冷机 组 这些冷机的可靠性比较高 能适应旅途的颠簸 装卸的撞击 气候的影响 海水的侵蚀等 并采用 变频器 吸气调节阀 电子膨胀阀 数字卸载阀等 技术控制冷媒的流量 提高温度控制精度 例如 STARCOOL一体化冷机采用变频技术控制压缩机 THERMO KING机组和CARRIER机组采用了数字 卸载阀 来调节涡轮式压缩机 制冷的效率和速度 都得到提高 节能效果也比较明显 1 CARRIER 制冷机组的组成与原理制冷机组的组成与原理 69NT40 511制冷机组和CSR 40SL制冷机组所 采用的制冷配件 控制阀及传感器 冷量的调节方 式等方面都存在一定的差异 但发展到69NT40 561 制冷机组和MAGNUM制冷机组后 两类制冷系统 的原理逐步一统 差距非常的小 但各自控制器 ML3和MP3000A之间却毫不兼容 69NT40 561 制冷机组仍采用R134A冷媒 其工作原理如图1 所示 该系统的主要组成有 涡轮式压缩机 空气冷 凝器 蒸发器 水冷式冷凝器 干燥过滤器 经济 器 电子膨胀阀 液体注入阀 经济器膨胀阀 经 济器电磁阀 数字卸载阀 检修阀 排气温度传感 器 排气压力传感器 蒸发器压力传感器 吸气压 力传感器 蒸发器温度传感器等 与69NT40 511 机组相比 主要的改进在于 1 使用涡轮压缩机代替往复式压缩机 引 入数字卸载阀 引入交流电相序切换继电器 2 使用经济器代替热交换器 并引入了液 体注入阀和经济器电磁阀 3 使用电子膨胀阀代替机械热膨胀阀 去 掉了吸气电磁阀和吸气调节阀 图图 1 制冷机组工作原理制冷机组工作原理 Fig 1 The principle of refrigeration unit 压缩机将吸入的气体压缩成高温高压气体 标 准运行时 经济器电磁阀关闭 制冷剂通过排气管 进入风冷式冷凝器 对于配备水冷凝器的机组 当 冷却水接入时 空气冷凝器风扇将由程序控制运 行 采用风冷式冷凝器运行时 空气流过盘管及散 热片 冷却制冷剂到饱和温度 气体变成高压高温 的液体 然后流入储液器保存起来 以便低温运行 时作必要的补充 当水冷式冷凝器被起动时 制冷 剂通过风冷式冷凝器后 进入水冷式冷凝器内 管 内流动的冷却水将制冷剂冷却到饱和温度 变成高 压高温液体 并储存在水冷凝器里 以便低温运行 时作必要的补充 液态制冷剂继续流过液路检修 阀 干燥过滤器和经济器 到达电子膨胀阀 通过 电子膨胀阀的可变节流孔后 液态制冷剂部分蒸发 成气体 其余液体则通过吸收周围的热量而在蒸发 器盘管中气化 再经吸气管路回到压缩机中 在经济器运行时 经过干燥过滤器后的液态制 冷剂 流过经济器电磁阀 经济器热膨胀阀和经济 器内部管道 吸收流向电子膨胀阀液态制冷剂中的 热量 产生的混合态冷媒 从经济器接口进入压缩 机 以冷却压缩机 常闭的液体注入阀也会根据需 要打开或关闭 防止压机过热 化霜时系统采用的 是电加热管 2 强电逻辑电路与保护措施强电逻辑电路与保护措施 该制冷机组强电部分采用继电器逻辑控制 如 图2所示 系统采用三相480VAC 60HZ或360VAC 50HZ交流供电 因涡轮式压机有正反转的区别 且蒸发器风扇电机为三相异步双速电机 也有正反 转的区别 所以使用PA与PB接触器构成互锁型交 流电相序切换器 由控制器内TCP继电器控制 涡 轮式压缩机无内部热保护开关 只要控制器内TC 继电器吸合 且压力正常 则压缩机开始工作 如 果压缩机排气压力过高 导致HPS保护开关打开 后 由硬件直接将压缩机断开供电 在经济器运行 时 TS触点吸合 打开经济器电磁阀 压缩机过热 时 TQ触点吸合 打开液体注入阀 冷凝器风扇 由380VAC供电 串电容启动 单速运行 当使用 水冷式冷凝器时 冷却水将水压开关WPS打开 控制器检测到ECG2输入端状态发生变化后 软件 控制TN触点是否断开 确保在水冷凝不充分的情 况下 空气冷凝仍然有效 冷凝器风扇内部过热时 由内部IP CM保护开关自动将风扇断电 蒸发器 风扇电机共两个 并行接线 由ES接触器控制低 速 由EF接触器控制高速 为了使高速总可以起 动且高速起动时不允许低速起动 所以将EF的常 闭触点串接在ES线圈回路 两个蒸发器电机的内 保护IP EM1和IP EM2也串接在一起 故任何 一个蒸发器风扇内部保护开关断开后 两个风扇都 将断电 当控制器内TV触点吸合时 ES接触器供 电 蒸发器风机低速运转 当控制器内TE触点吸 合时 EF接触器供电 蒸发器风机高速运转 在接 线无误的情况下 如果两个蒸发器风机一个正转 一个反转 则反转的电机已经故障 反转是由于空 气流动造成的 该制冷机组将六个U型加热管首位 串接构成一个圆圈 每隔两根U型加热管引出一个 接线头 共三个接线头分别接至交流电的A B C三 相 由HR接触器供电 当控制器内TH触点吸合 且加热终止开关HTT连接的情况下 加热有效 局部加热温度过高 HTT开关保护断开 HR线圈 失电 加热过程自动终止 图图 2 继电器控制图继电器控制图 Fig 2 The diagram of relay control 除了上述硬件上的保护 在软件方面也存在保 护 包含在机组启动 压机过热调节 冷凝器压力 调节等过程中 完善的功能代码和故障代码 更确 保了机组的安全可靠运行 系统控制器共有CD01 CD55个功能代码 AL03 AL69个报警指示 系统数据记录仪有DC1 DC35个功能代码 DAL70 DAL91个报警指示 功能代码Cd29 故障反应动作 可由操作人员进行 设定 以选择在发生系统故障时控制器将采取的动 作 功能代码Cd31 交错起动 延时补偿 和Cd32 电流限定 可由操作人员进行设定 以控制多台 机组的起动顺序和工作电流 控制器还支持P0 0 P10 2等30余项零部件的功能测试与故障分析 其 测试结果存储在数据记录仪当中 并在显示屏上以 AL或DAL代码的形式向用户进行警示 控制器检测压缩机的排气压力和温度及吸气 压力 如果排气压力或温度上升到最大极限以上或 者吸气压力下降到最低极限以下 压缩机将在计时 三分钟后终止运行 在压缩机终止运行期间 冷凝 器和蒸发器风扇继续工作 在压缩机正常运行过程 中 如果压缩机穹顶的温度持续五秒钟超过 136C 276 8F 液体注入电磁阀 LIV 将打开 当 压缩机高压出口端的温度随后降至 121C 249 8F 或更低时 液体注入电磁阀关闭 如果在卸载模 式运行 吸气冷却 期间吸气过热度超过 55C 范 围 液体注入电磁阀将打开 当吸气过热度降至 20C 以下或机组脱离卸载模式时 液体注入电磁阀 将关闭 如果出现需要打开液体注入电磁阀的情 况 但当穹顶温度低于136C 而且吸气过热度小于 20C 范围时 阀门将关闭 若配置变量 CnF15 排气温度传感器 被设定 为 In 而 CnF48 冷凝器风扇开关超控 被设定 为 On 则冷凝器风扇开关超控逻辑被启动 尽 管冷却水压力足以断开水压开关 但是水的流量或 温度条件不能维持排气温度时 控制器逻辑将按以 下规则给冷凝器风扇供电 如果排气温度高于 115C 240F 则冷凝器风扇通电 当排气温度降 至 90 5C 195F 时 冷凝器风扇断电 如果系统 运行水冷凝方式且高压开关 HPS 在七分钟内断 开两次 则冷凝器风扇通电 并保持通电状态直到 系统关闭 制冷机组的工作过程和模式都是由控制器程 序自动控制的 一般不需要人工的干预 但是实现 控制系统100 无故障率也不太现实 在紧急情况 下可由手动旁路开关 将压缩机 风扇 控制阀等 直接起动 继续维持机组的运行 到达码头后 再 安排专业人员及时进行修理 3 处理器信号采集与控制电路处理器信号采集与控制电路 控制器主要处理电阻式的温度传感器和压力 传感器输入 开关式的状态输入 继电器隔离的开 关输出 控制电子膨胀阀EEV的步进电机信号输 出 控制数字卸载阀DUV的PWM信号输出等 并通过电力线载波通信完成远程数据监控模块 RMM的作用 并以RS232串口通信方式与PC连 接 通过DATALINE软件查询数据记录 重要参数 以及PTI记录等 3 1 模拟信号输入电路模拟信号输入电路 图图 3 模拟信号输入电路模拟信号输入电路 Fig 3 The input circuit of analog signals 如图3所示 模拟信号主要包括 STS送风温 度传感器 SRS送风记录传感器 RRS回风记录 传感器 RTS回风温度传感器 AMBS环境温度 传感器 CPDS排气温度传感器 DPT排气压力传 感器 SPT吸气压力传感器 EPT蒸发器压力传 感器 ETS蒸发器温度传感器 CS电流互感器 DTS除霜温度传感器 HS湿度传感器 USDA1 4 货物感温器等 这些信号分别连至多路选择开关 CD4051和DG408的输入端 在地址总线 数据总 线和控制总线的作用下 由74HC273锁存输出后 选通多路开关 被选中的一路信号经后继放大和偏 置电路后 进入模数转换器AD652 将输入的电压 转变为控制器可以识别的频率信号 完成信号的采 集工作 但同一时刻MCU只能对一路信号进行模 数转换 其余各路等待 全部完成耗时较长 3 2 开关信号输入电路开关信号输入电路 图图 4 开关信号输入电路开关信号输入电路 Fig 4 The input circuit of on off signals 如图4所示 开关信号主要包括 HPS高压保 护开关 HTT加热终止温控器 IP电机内部热保 护开关 WPS水压开关 MDS手动化霜开关 这 些信号经滤波和调理电路后 进入反相施密特触发 器74HC14 整形后的信号锁存在三态输出倒相缓 冲器74HC563中 等待MCU的读取 在地址总线 数据总线和控制总线的作用下 由74HC139译码后 选通74HC563的输出 被锁存的开关状态 经数据 总线进入MCU内部 由MCU根据开关状态 决 定下一步执行的动作 该MCU采用8位数据总线 所以可以同时读取8个开关状态 3 3 控制信号输出电路控制信号输出电路 图图 5 输出信号控制电路输出信号控制电路 Fig 5 The control circuit of output signals 如图5所示 控制器主要控制的对象包括 PA 机组相位接触器 PB机组相位接触器 CH压缩机 接触器 CF冷凝器风扇接触器 EF蒸发器风扇接 触器 高速 ES蒸发器风扇接触器 低速 HR加热 器接触器 EEV电子膨胀阀 步进马达控制 DUV 数字卸载阀 PWM信号控制 ESV经济器电磁阀 LIV液体注入电磁阀等 MCU经地址总线 数据 总线和控制总线输出的信号 由74HC139译码后 选中相应的输出锁存寄存器74HC273 第一个 74HC273后接EEV步进电机功率驱动器CA3262 第二个 第三个74HC273后接隔离继电器驱动器 ULN2003 在MCU的控制下 地址线选中第一个 74HC273时 数据线上为控制步进电机的信号 在 控制线的作用下 写入CA3262驱动器 地址线选 中第二个 第三个74HC273时 数据线上为控制隔 离继电器的信号 在控制线的作用下 写入 ULN2003驱动器 8位数据D0 D7是同时锁存在 74HC273缓冲器中 每一个数据位对应一个隔离继 电器 所以允许某个隔离继电器输出时 应采用逻 辑 位或 运算将其置位 一定不要改变其余位的 状态 输出控制的隔离继电器主要有 TC制冷继 电器 TCP压缩机相位顺序继电器 TE蒸发器高 速风扇继电器 TH加热继电器 TN冷凝器风扇继 电器 TQ液体注入阀继电器 TS经济器电磁阀继 电器 TV蒸发器低速风扇继电器 TI远程范围内 继电器 TF远程化霜继电器 TL远程制冷继电器 4 控制器的操作模式与控制规律控制器的操作模式与控制规律 按照行业的规定 当集装箱内温度设置在 10 或可选的 5 以下时称为冷冻模式 在 10 或可选的 5 以上时称为保鲜模式 冷冻模式下 温度控制不用很精确 实现简单 保鲜模式下温度 控制精确 实现过程复杂 为使压缩机和风扇电机 工作正常 系统需判断供电的相序 CARRIER 561 机组根据压机的吸气压力和排气压力来判断压机 的正反转 但是在PTI测试中 使用送风温度和回 风温度来判断蒸发器风扇电机的正反转 而TK MAGNUM机组中则使用电流的大小来判断压机的 正反转和风扇的正反转 而且该机组起动时总是先 给加热管供电 以判断三相交流电是否缺相 调节 制冷过程中 数字卸载阀会以不同的频率加载和卸 载压缩机 实现对系统制冷剂流量的控制 逐步降 低机组的制冷速度 4 1 冷冻模式下的控制规律冷冻模式下的控制规律 当送风温度高于设定点并正在下降时 机组 将转入经济器制冷状态 冷凝器风扇马达 CF 压缩机马达 CH 经济器电磁阀 ESV 及低速 蒸发器风扇马达 ES 通电 同时制冷指示灯亮起 当回风温度降至设定温度以下 0 2C 0 4F 时 接触器TC TS和TN断开 使压缩机 经济器电 磁阀和冷凝器风扇马达断电 制冷指示灯随之熄 灭 电子膨胀阀 EEV 也将关闭 蒸发器风扇 马达会继续低速运转 以循环集装箱内的空气 范 围内指示灯在回风温度未超过设定点的允许范围 时保持常亮 若回风温度降至比设定点温度低 10C 18F 或更多时 蒸发器风扇变为高速运转 并不启动加热器 当回风温度升至设定点以上 0 2C 0 4F 时间超过三分钟 EEV打开 接触器 TC TS和TN闭合 重新启动压缩机 打开ESV 启动冷凝器风扇马达 制冷指示灯再次亮起 4 2 保鲜模式下的控制规律保鲜模式下的控制规律 若送风温度高于设定点并正在下降 机组将 进入制冷状态 冷凝器风扇马达 CF 压缩机马 达 CH 及蒸发器风扇马达 EF 通电 经济器 电磁阀 ESV 关闭 制冷指示灯亮起 如果电流 限定或压力限定未起动 控制器将吸合接触器TS 打开经济器电磁阀 ESV 随空气温度进一步下 降 在设定点以上大约 2 5C 4 5F 时开始调节制 冷 EEV将从全载制冷转变到某个调节制冷点 当 回风温度下降到距设定点温度 1 9C 3 4F 范围之 内而且系统的平均制冷量已经下降到 70 以下 时 机组会断开接触器TS 关闭ESV 控制器 对送风温度进行监测 一旦送风温度下降到设定点 以下 控制器就开始定时记录送风温度 设定点温 度及时间 然后通过计算确定温度随时间偏离设定 点的情况 如果确定无须继续制冷 接触器TC和 TN断开 使压缩机和冷凝器风扇马达断电 并关 闭EEV 制冷指示灯随之熄灭 蒸发器风扇马达 会继续运转 以循环集装箱内的空气 在常规模式 下 蒸发器马达高速运转 在节能模式下 风扇的 速度是受代码控制 可以改变的 范围内指示灯在 送风温度未超出设定点的允许范围时保持常亮 如果回风温度升至设定点以上 1 0C 1 8F 同时停 止制冷时间已超过三分钟 接触器TC和TN闭合 重新启动压缩机和冷凝器风扇马达 同时制冷指示 灯亮起 在调节制冷期间系统平均制冷量量已经 上升至 100 而且时间已过三分钟 继电器TS 将通电并打开ESV 使机组处于经济器运行模式 在调节制冷期间 如果送风温度上升至比设定点 温度高 2 5C 4 5F 以上 微处理器会将EEV从某 个调节制冷点转到全载制冷 温度下降至设定点 以下 0 5C 0 9F 控制器将闭合接触器TH 使电 流流过加热终止开关 HTT 以接通加热器 HR 同时加热指示灯亮起 蒸发器风扇会继续运转 以 循环集装箱内的空气 当温度上升至设定点以下 0 2C 0 4F 接触器TH断开 切断加热器的电源 加热指示灯随之熄灭 蒸发器风扇继续运转 4 3 化霜控制规律化霜控制规律 CARRIER 561制冷机组 在保鲜模式 保鲜降 温模式或冷冻降温模式中 自动除霜启动时的除霜 间隔最初设定为三小时 之后根据蒸发器盘管的结 冰情况调整下一次除霜的间隔 在冷冻运行中一旦 达到设定点 回风温度探头读数在冷冻设定点以 下 系统会自动将前两次除霜的时间间隔设定为12 小时 其后则调至24小时 通过这样的安排 做 到只有在必要时才进行除霜 除霜间隔时间所反映 的是上一次除霜过程结束后 压缩机运行的小时 数 且除霜温度传感器 DTS 读数低于 10C 50F 前不累计压缩机运行时间 故两次化霜之间实际所 占用的时间将超过除霜间隔的2至3倍 除霜过程 分为三个明显阶段 启动阶段 手动启动除霜功 能 或除霜间隔计时器已达到用户所设定的除霜间 隔 或控制器配置为指令除霜后2 5小时未达到设 定点 机组都将进入除霜状态 除霜阶段 进入 除霜状态后 控制器关闭EEV 断开接触器 TC TN及TE 或TV 使压缩机 冷凝器风扇及蒸发 器风扇断电 然后控制器闭合接触器TH 使加热 器通电 除霜指示灯亮起 除霜过程中 若温度上 升到加热终止开关 HTT 的设定点 则该开关将 强行断开加热器供电 除霜两小时后仍不能终止 的 控制器会强行终止除霜 除霜温度传感器 DTS 读数上升到预设定的值后 除霜过程正常终止 速冻阶段 若控制器配置为允许急速冷冻 则除霜 完成后 马上进入急速冷冻状态 压缩机在蒸发器 风扇停止运行的情况下 以100 的制冷量运行4 分钟 4 4 除湿控制规律除湿控制规律 除湿模式是为降低集装箱内的湿度 给功能代 码 Cd33设定了湿度值后 此方式就启动 显示器 组件的送风指示灯会以1秒的频率进行闪烁 表示 除湿模式正在运行 除湿模式下启动两种计时器 加热器回弹计时器 3分钟 只要加热接触器的 状态改变 加热器回弹计时器就起动 即使设定点 指标已达到 加热接触器仍保持接通 或断开 至 少三分钟 防止过于频繁的通断加热器 超出 范围计时器 5分钟 只要温度超过功能代码Cd30 所设定的范围 计时器就起动 其目的是为了使加 热器在温度暂时超出范围的情况下保持原来的状 态 防止温度突变造成的影响 该模式一旦起动 而且下列条件均满足 控制 器将启动加热继电器以开始除湿 湿度传感器读 数高于设定点 机组处于保鲜稳定状态模式 而且送风温度在设定点以上少于0 25C 范围内 加热器的回弹计时器 3分钟 已经超时 加热 器终止开关 HTT 已关闭 若满足上述条件 蒸发 器风扇将由高速转为低速运转 此后 只要这些条 件都满足 蒸发器风扇将每小时转换一次 若第 项之外的任何其它条件不满足 或检测到的相对湿 度在除湿设定点之下2 的话 蒸发器高速风扇将 接通 在除湿模式中 除霜加热器被通电 所增加 的热负载使控制器打开 ESV 打开 ESV 会降低蒸 发器盘管表面的温度 从而增加气流通过时冷凝成 水的速率 两者共同作用仍能保持风温度很接近原 来的值 并达到新的热平衡状态 如果该模式被湿 度传感器以外的一个条件所终止 如 一个超出温 度范围或压缩机停机的条件 则加热继电器立即 断电 并退出除湿模式 正常情况下 当检测到的 相对湿度比设定点低2 时 控制器则使加热继电 器断电 ESV关闭 控制器仍将继续检测湿度值 并根据需要再次启动除湿模式 以保证相对湿度低 于所设定的值 另外在除湿扩充模式中 还允许改 变蒸发器风扇的转速和除霜温度传感器的设定值 5 总结总结 集装箱应用的环境变化多样 又十分恶劣 风 雨潮蚀 振动撞击时有发生 因此在抗干扰和防腐 蚀等方面的要求也较高 特别是传统制冷消耗大量 电能 约占总成本的25 30 或更多 减少制冷装 置的电能消耗 实现节能减排已成为当今发展的主 题 目前CARRIER正在研发CO2作为制冷剂 DAIKIN正在研发HFO123YT作为制冷剂 美