《基于PLC的制冷设备控制系统设计》8200字（论文）

PAGEPAGE2基于PLC的制冷设备控制系统设计目录摘要 11绪论 21.1课题研究的目的及意义 21.2课题研究的内容及思路 22制冷系统的总体设计 22.1制冷设备简介 22.2制冷循环系统总体架构设计 32.3主要电器元件的介绍与选型 42.3.1系统可编程控制器介绍与选型 42.3.2温度传感器介绍与选型 52.3.3电动调节阀介绍 63制冷循环系统硬件设计 63.1系统制冷设备主电路图设计 63.2制冷控制系统的I\O接线分配 74制冷循环系统的软件设计 84.1控制系统的流程设计 84.1.1系统开启流程 84.1.2系统关闭流程 94.1.3PID闭环温度控制流程设计 104.2制冷系统控制程序的设计 115制冷循环系统的调试与仿真 16总结 20展望 20参考文献 200摘要：在制冷设备的运行控制中，利用可编程控制器，完成该制冷系统的启动运行以及温度控制等功能。各种形式制冷系统主要依赖各种状态成分不同制冷剂在该系统中连续循环，每个制冷机组有效处理制冷剂各种状态变化，通过制冷剂的散热达到不断冷却冷库并保持低温的效果。为了改善传统制冷设备中机器经常启停，损耗耗能量严重，运行过程繁琐的缺点，在设计中采用PID控制（比例-微分-积分控制）来完成对温度的精准把控。极大地降低了人工控温难度，避免了各制冷单元的经常启停。对于该系统的设计，首先需要了解制冷行业大型设备的基本原理，并进行总体思路设计，电气硬件选型，主电路图设计，软件程序设计等。工艺主要采用西门子S7-1200可编程控制器完成信号输入、处理以及控制指令的输出。通过仿真调试，不断修缮改进，完成该系统的设计功能需求。关键词：制冷；PLC；自动控制系统1绪论1.1课题研究的目的及意义由于生活日益改善，人们对食品更新能力的需求也愈来愈高，很多距离较远的运输为了保持果蔬、海鲜、乳制品等特殊食材的新鲜度，经常在运输工具中自带制冷设备，保持低温。当然，为了保证食品尽可能的不被浪费，很多容易腐败的食物也会被送入低温环境中保存。不仅是食品，在生产生活总，许多特殊药品、特殊材料也需要低温保存。因此，对于制冷系统的研究与改善显得尤为重要。在过去常见冷库中，大多采用人力来操作和处理各种状态下的制冷剂，达到制冷效果。并只能通过压力信号开启不同数量压缩机的方式控制控制温度。为了更方便制冷系统的启停，更精准的控制冷库中的温度，本设计使用可编程控制器处理开停或限制温度信号，完成信号在各单元中的传输，控制整个系统的运作过程。在极大改善控制流程的基础上加强应对不同环境，不同制冷剂的温控需求。1.2课题研究的内容及思路在完整的制冷系统中，包含压缩机组、冷凝器、节流阀、蒸发机等制冷及电气设备。利用PLC控制制冷机组的启停，并根据制冷剂过热度调整制冷剂流量，使冷库内温度稳定在一定范围内。由于制冷机组为循环机组，在启停过程中，为了保护机组中的设备，要注意各种制冷设备的启停顺序，避免减少机组寿命。按照设计方案的基本内容，主要设计内容方案包括：了解各种制冷设备的基本原理，充分理解制冷设备的作用及制冷流程，确定相应的方案流程。对硬件设备进行设计，绘制相应的系统模型图。完成对可编程控制器以及温度传感器的选型。完成地址分配及电路图的绘制。对该系统的软件程序进行设计，根据控制要求完成梯形图与流程图，并通过仿真测试该系统，实现系统功能。2制冷系统的总体设计2.1制冷设备简介压缩机压缩机是整个制冷系统的核心部分。压缩机将来自蒸发冷风机的过热气体通过电机所带动的活塞对其进行压缩，之后由排气管排出高温高压的蒸汽并将气体输送给冷凝器，进而为整个系统提供动力。制冷机组由压缩机为机组输送电能，将整个系统中的热量排出。工业行业常用的压缩机分为转子式、离心式等多种类型。大多情况下，一个完整的制冷系统中，不会只有一台压缩机。在实际设备生产中，可以根据不同需求调整数量，但配备的压缩机所能达到的制冷量必须满足环境需求，也就是应该满足蒸发冷风机中的负荷量。当然，压缩机类型的选择必须满足产品所需要的制冷剂类型，根据压力比大小，尽可能的提高输气及压缩效率。冷凝器冷凝器本质上属于一种换热器，是大多制冷系统常用的主要换热设备，一般情况下为排管形式。能够将气体中的热量扩散到管子周围的空气中，进而冷却为液态。由于冷凝器为了扩大散热面积，存在着大量的管道空间，因此在制冷系统中，冷凝器同样是很好的储存空间。在制冷系统停止时，绝大多数制冷剂回到冷凝器的排管中。再设计循环系统时，要注意尽可能的将制冷剂排回冷凝器中。不仅可以保护其他电机类设备不受损害，还能在系统停止运作时将大量制冷剂液化。方便再次开启系统时，制冷剂进入下一单元时迅速开始工作。节流阀节流阀属于一种电动调节阀。通过突然减小流动截面积的方式，缩小从冷凝器中流出的液体压力，使其进入下一个单元中能更加充分的吸收热量。调节阀可以根据冷风及的具体负荷调整开度，进而完成对温度的把控。蒸发器蒸发器为制冷系统中的主要工作单元。蒸发器中的制冷剂吸收冷库内温度，将热量转移到液态制冷剂中使制冷剂气化排出。作为对冷库内存放的物品产生冷效应的主要设备，为了满足不同物品所需要的各种温度环境，蒸发单元常见设备主要分为冷风机式和排管式。本系统的设计，尽使用并满足蒸发冷风机的制冷的情况。2.2制冷循环系统的总体架构设计根据各种制冷设备的具体功能，设计出如下图2.1的制冷系统流程图：图2.1制冷循环系统简易模型节流阀2-冷凝器3-蒸发冷风机4-过热温度传感器5-一号压缩机6-一号压缩机进气阀二号压缩机8-二号压缩机进气阀箭头方向为制冷剂流动方向制冷剂进入蒸发冷风设备中，吸收冷库内温度，完成对冷库以及库内储存的商品的降温作用，此时制冷剂由于吸收库内温度变成高温低压气体，在压缩机中电动泵供应的电能动力下经进气阀进入压缩机中，在压缩机机组转子活塞的作用下变为高温高压气体，排入冷凝器中，经冷凝器与外界温度交换冷却液化为低温高压液体。液态制冷剂经节流电子阀门转化成低温低压的液体状态，最后重新进入蒸发器工作。至此，制冷剂在系统中的循环与制冷工作完成。在现代工业低温环境生产、产品低温保持中，大到大型冷库、冷冻生产链，小到家用制冷设备、小型商用低温储存设备，都可以使用类似以上的制冷循环系统。不仅可以使各种制作复杂且昂贵的制冷剂得到充分利用，还能极大的提高对库内温度降低的效率，方便严格的把控不同环境情况所需要的温度条件。综合以上系统搭建情况，为了更好的发挥系统便利因素，再设计控制系统时，会尽可能的利用可编程控制系统信号传递，将各种制冷单元的启停步骤简化。同样为了扩大同一制冷系统的适用范围，将根据所需控制的不同温度设定值，利用控制器的特殊程序模块，根据温度变化，控制开启不同数量的设备，避免耗能过大且温控范围过大造成不便。为了更加精准的控制冷库内的温度，在利用不同数量压缩机开关来大幅度控制温度的同时，本系统在设时将采用PID指令，对温度模拟量控制系统进行控制。由于一般冷库的库内温度与从蒸发器元件中排出的制冷气体温度存在着一定关联。利用制冷剂温度的动态变化，控制调节制冷元件，完成对库内温度的把控。2.3主要电器元件的介绍及选型2.3.1系统可编程控制器介绍及选型可编程控制器是一种将传统的电气控制技术原理与计算机自动控制技术相结合，开发出来的新型工业自动化控制设备。与常见的由继电器控制的电路不同，PLC电路中不需要逐根接线，大部分的通讯内容都由软件完成，而改变接线也就是通讯流程的步骤会用改编程序来完成。使用继电器控制，电路中只需要连接相应的继电器，但PLC控制则必须配置相关程序，能够完成传统方式中不能完成的更复杂的控制步骤。可编程控制器中的输入模块负责接收信号传输装置传出的信号并将接收的信号转换成中央信号处理器能处理的信号。中央处理器中包含CPU和存储器，存储器中保存着控制系统的程序，CPU则按照编号的程序逐一对程序进行执行，运行控制结果后输出给输出单元传递出去。为了方便复杂程序的使用，PLC可以通过输入/输出(I/O)接口连接数字量输出模块、模拟量输出模块等扩展模块。图2.2典型PLC模块的组成及传输本设计系统使用西门子公司设计，在小型工业电路系统中常用的S7-1200小型PLC。该型号PLC具备可编程控制器的基本功能，能够满足本制冷系统控制需用的比较指令、控制器指令、PID闭环控制系统等重要指令模块。即使在大多数较复杂的制冷系统中，因为其能够扩展的信号模块较少，不会选择使用S7-1200之类的小型控制器，但对于本设计的简单制冷系统的实现完全足够。图2.3S7-1200可编程控制器2.3.2温度传感器的介绍与选型温度传感器最早是为了温度测量仪表所设计的温度感知和温度信号传输装置。分为接触式和非接触式两种不同的测量方法。使用的电子元件可以是电阻或热电偶。现代工业中只要涉及温度的控制及信号处理，都离不开温度传感器的使用。制冷系统中，冷库内处理温度信号的温度传感器利用了金属、液体、气体本身特有的，受温度变化影响会膨胀收缩的特性进行信号传递。其原件工作原理类似于热敏电阻，金属大多采用对温度较为敏感的材料并根据惠斯通电桥进行电路搭建。本系统选型将使用国产STT-C2-A1B6C30D1M8E3PAT3S0热电阻温度变送器。该型号温度传感器利用电阻信号进行传输，可测温度范围为-50~600度。能够基本满足中小型制冷循环系统控制的工作要求。其供电电源为12V36VDC（供电电压）。图2.4STT-C2-A1B6C30D1M8E3PAT3S0温度传感器2.3.3电动调节阀的介绍在本设计系统中电动调节阀时控制温度的重要执行仪表原件。控制温度与压力等变动信号时，也经常会用到气动调节阀，电力控制的调节阀与气动调节阀相比，不需要配置气动管路和气泵等复杂的外部结构。其结构中自带能够接受传导信号的执行机构和根据信号自由调整开度的控制阀。市面上这种装置大多都能根据线性、百分比、抛物线三种流量特性针对不同形式信号进行控制。制冷装置中常用的电动节流阀就是一种见的电动调节阀，由于节流阀常用于制冷温控系统中，因此其结构中自带温控器，根据不同的温度模拟信号进行调节。在选择类型时必须满足蒸发单元的基本最大负荷，以完成其对制冷剂降压控温的作用。3制冷循环控制系统硬件设计3.1系统制冷设备主电路图设计根据制冷原理设计好的系统模型以及主要制冷设备的选择运作方式，设计所有制冷单元的供电连接方式，充分考虑所有设备的运作方式、接电特性以及需要注意电路安全保护的具体事项原则。本系统为了更好地满足多种制冷条件环境不同原料需求，考虑了多台压缩机的使用，更大程度范围的控制温度。实际运用生产提供中，可以自由调整接线的压缩机个数。设计电路满足大型设备三项接电原则，由于循环系统的基本特性是设备共同运作，几乎同时启动以提高效率，因此设置了一个三项总断路器QF。保证制冷设备系统几乎同时运行或断开供电。制冷设备中压缩机、蒸发冷风机都属于大型电动机，为了避免这类大型电动机在制冷系统运作时会因电流过大，导致电机烧毁，每个设备在接入电路时连接了保险丝（FU1~3)保证在电流流过电机设备过大时避免被烧毁。同样为了保护压缩机、冷风机不会在电机过热时发生故障，采用热继电器进行电路保护，方便系统设备故障显示。电路中的交流接触器（KM1、3、4）一般起到接通关断和保护作用，能够接受信号满足设备设备频繁通断。除了以上电机类设备，制冷系统中冷却液化制冷剂的冷凝单元一般不受制冷循环系统总体连接系统控制，即使系统停止制冷只要在整个系统不会排出制冷剂整改或进行维修，冷凝器都需要一直供电保证制冷剂处于固定的液体状态，方便再次开启制冷。因此，冷凝单元需单独供电，不在控制系统电路中出现。系统控制电路图2.1。图3.1制冷系统控制主电路图3.2制冷控制系统的I\O接线分配根据制冷控制系统需要实现的功能步骤和所选用的S7-1200型可编程控制器所具备的通讯特点进行输入输出点的分配。根据本方案制冷系统设计思路，输入信号有系统启动、系统停止、故障急停以及库内温度、从蒸发冷风机吹出的气态制冷剂温度两种模拟信号。输出信号有1#压缩机及其对应阀门开启停止关闭、2#压缩机及其对应阀门开启停止关闭、蒸发单元冷风机的开停以及配备的运行指示。此外，由于节流降压单元选用的阀门是一种比例调节阀，对应输出信号为模拟量输出信号。根据以上设计原则，设计出如下表3.1的I\O地址分配表。表3.1IO分配输入名称符号输出名称符号I0.0启动按钮SB1Q0.0运行指示灯HL1I0.1停止按钮SB2Q0.11#压缩机进气阀YV1I0.2急停按钮SB3Q0.22#压缩机进气阀YV2I0.3Q0.31#压缩机启动KM1I0.4Q0.42#压缩机启动KM2I0.5Q0.5冷风机启动KM3I0.6Q0.6I0.7Q0.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5AIW96库内温度QW96电动比例阀AIW98过热温度传感器4制冷循环系统的软件设计4.1控制系统流程设计4.1.1系统开启流程正常生产使用中一个完整的制冷系统应包含诸多单元，在开启使用使其发挥功效时，必须遵循设备使用原理、单元必要功效以及整个系统的实际运行情况。本设计项目中，压缩机作为主要动力来源首先开启，在管路设计时，为了避免未开启的压缩机接触制冷剂，使制冷剂更好地分流更大程度的利用，在每个压缩机进气管放置了开关阀门，开启系统时随对应压缩机一同开启。随后节流单元开始工作使储存在冷凝器中的大量制冷剂降低其液体压力，之后蒸发冷风机开启，制冷剂进入冷风机为库内散热，至此制冷系统初步工作完成。本系统在冷库内设计放置库内温度当制冷单元都开始正常运作后，判断当前开启的压缩机数量是否满足当前制冷温度控制需要。如果满足条件则开启PID闭环温控对温度进行进一步精准控制，如果不能则开启另一台压缩机及其对应进气阀，之后再进行闭环温度控制，最终使整个系统正常工作精准控温。图4.1制冷循环系统开启流程图4.1.2系统关闭流程同系统开启运行相似，关闭系统也必须根据设备特点按顺序逐一延时关闭。由于PID闭环温度控制的电动调节阀与制冷降压单元所用器件为同一个，因此在关闭系统时要先停止PID温度对节流阀的控制，再将节流阀全部关闭防止制冷剂继续进入冷风机制冷。此外，处于对压缩单元压缩机的保护作用，系统关闭时必须保证从节流阀排入蒸发冷风机的液态制冷剂充分蒸发。因此，针对不同制冷剂，蒸发单元的延时关闭时间要进行严格把控，以确保不会有过量液体排入压缩机中。最后在压缩机动力的作用下，制冷剂排回冷凝器中进行液化并储存，方便下一次工作时制冷剂的继续使用。至此，系统停止，但在所有制冷单元中，冷凝器始终保持通电状态维持制冷剂的液体状态，不需要进行控制。图4.2制冷系统关闭顺序流程图4.1.3PID闭环温度控制流程设计通常情况下有一个自变量控制另一个变量的控制方式称为开环控制。但有些特定情况下，得到的因变量同样可以反过来控制影响因变量，形成双向闭环控制系统。其中温度、压力等模拟量在工业中都常用闭环系统进行控制。由于在使用同一种类同一剂量制冷剂时，可以通过增大制冷剂流量增大密度吸收更多热量，因此可以通过为制冷剂加压方式降低库温。但制冷系统中制冷剂不能密度过大，一旦超出一定范围过于黏稠就会对制冷设备造成损坏。为了更好地控制制冷温度变换，满足各种环境需要更精准的控制，本系统采用阀门开启降压制冷剂吸收温度制冷，同时温度变化可以反过来控制调节制冷节流阀开度，使库温在由于外部环境情况改变，增减货品不断开关导致温度变化时，制冷剂增加在蒸发冷风机中的流量使温度大幅下降上升，保持库温。在设计时，系统并没有直接利用测量传递库内温度信号对节流阀提出指令，而是在循环管道中增加了另一个温度传感器，用于测量从蒸发冷风机排出的气体制冷剂温度并传递信号。因为这时的制冷化学物品温度与库温存在一定关联，制冷剂温度越高说明排入的制冷剂量不足，散热不够库内温度越高，可以通过对制冷剂特性的了解找到两者之间的联系实现温控。这种看似繁琐有病不直接的方式，是为了能够满足现今工业生产中系统为了保护设备安全对过热度控制的研究。控制这种模式使用最多的就是P(比例）I（积分）D（微分）控制。本设计使用S7-1200自带的PID_Compact指令对闭环制冷温控系统进行控制。如下图所示，系统设置一个明确的温控值。当库内温度随环境或人为因素变化时，从蒸发冷风机中排出的气体制冷剂温度发生变化，过热度传感器将温度信号传递给可编程控制器。在PLC中A-D转换器将模拟量温度信号转换成二进制数字量形式，再由CPU进一步将该数字信号与设定好的温度进行比较得到一个差值，PID指令则根据差值和设定好的自变量与因变量的关系公式，输出一个需要调节阀开度多少的数字变量值，最后经过D-A转换器将信号处理为电压或电流模拟量值随后输出，输出信号给节流阀后，节流阀根据指令调整开度影响库内温度变化完成对温度的把控。图4.3PID闭环制冷温度控制流程4.2制冷系统程序设计系统运行程序，分为启动停止急停三个动作，根据系统运行顺序分好开关步骤。其中启动运行七步，停止四步。如下图4.4、4.5、4.6。图4.4图4.5运行停止梯形图图4.6运行开始梯形图冷库内温度、制冷剂过热度数据转换程序指令。中间值传给PID模块和温度比较程序。如下图4.7、4.8。图4.7库温信号转换指令图4.8制冷剂过热度信号转换指令系统压缩机及其对应阀门均采用延时开启，程序中添加延时模块如图4.9、图4.10所示，间隔一段时间后开启下一步骤。图4.91#压缩机阀门开启程序图4.101#压缩机开启程序系统初步调试时要求节流阀全部打开，达到最大开度后同样延时进行下一步骤。如图4.11所示，利用MOVE模块。最后一步如图4.12开启蒸发冷风机。图4.11节流阀开启程序图4.12蒸发冷风机开启程序开启第五步需对系统进行调试判断，是否达到温度设定值后进行下一步控制。若达到则开启PID温控程序，若没有则打开第六步开启另一个压缩机及其对应阀门。图4.13PID及其运行指令程序图4.142#压缩机阀门开启程序图4.152#压缩机开启程序停止步骤与开启相同，都要加入延时模块，根据顺序流程原理依次关闭。图4.16节流阀关闭程序图4.17蒸发冷风机关闭程序图4.181#2#压缩机阀门关闭程序图4.191#2#压缩机关闭程序图4.20制冷系统急停程序5制冷循环系统的调试与仿真为了更方便监控制冷库内现场情况设计了HMI，方便指示程序运行制冷步骤的完成以及实际温度的监控。方便对需要控制的温度值进行设定。图5.1系统开停指令程序运行图5.2系统两台压缩机同时运行图5.3系统温度达标一台压缩机运行图5.4系统急停指令程序运行PID程序模块运行时由于不能连接实际设备，运行界面只有时间跑动。图5.5PID指令程序运行图5.6PID比例参数设定界面图5.7PID运行窗口总结本系统在对制冷设备进行控制时，考虑的产品应用范围、具体的设备选取以及制冷原材料的使用都比较广泛。在实际为客户提供系统配置时，可以根据需要的不同温度控制范围进行更进和改善。比如增加减少压缩机的数量和选择不同功率的压缩机，针对不同的降温对象使用不同的介质，调整不同制冷剂的用法用量，并根据不同的制冷介质计算出所需要控制的蒸汽制冷剂的温度范围。对于需要温度更快降低的设备，如速冻单元，还可以在冷凝器外增加冷水管，利用循环的冷水使温