基于PLC的舰船冷藏装置改进设计

邓博宇，于 飞



基于PLC的舰船冷藏装置改进设计

邓博宇，于 飞

（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

针对目前舰船广泛采用的接触器控制电路存在结构复杂、可靠性差等缺陷，为完善其功能，本文采用PLC控制，改进设计冷藏控制系统，并进行了装置模拟运行实验，简化了系统结构，扩展了装置功能，提升了控制的自动化程度。

船用冷藏装置 PLC 自动控制 接触器控制

0 引言

舰艇冷藏系统用于冷藏食品，实现对存储蔬菜、水果、鲜蛋的冷藏保鲜以及鱼、肉类食品的冷冻保存，保证舰员营养、改善舰员伙食。制冷系统的自动控制是提高制冷品质的最有效手段之一。采用自动控制可以保证库温稳定，还可以使冷库制冷系统运行中的温度、压力、液位等状态参数保持在要求的范围内，保证系统安全高效运行。据统计，冷库制冷系统采用自动控制比手动控制可节能10% ~ 15%[1]。目前，舰艇冷藏装置控制系统广泛采用的是传统的接触器—继电器控制方式，其功能固定，成本低廉，安全性好。但是在日常使用中，其系统复杂、可靠性差[2]等诸多缺陷也慢慢凸显。而PLC（可编程逻辑控制器）作为广泛应用于电气控制领域应用的又一个产品，可应用于各种规模的工业控制场合。本文基于可编程逻辑控制器（PLC）开发一种更先进的冷藏系统自动控制系统，可以简化装置结构，使得装置的稳定可靠性、使用灵活性、操作维护度大大改善，同时其价格便宜、功能齐全，减少了设备体积，方便各类装备的布置。

1 冷藏装置

1.1系统组成及工作原理

冷藏装置主电路由380V交流电供电，主要包括接触器、热继电器、压缩机、水泵和高低温库冷风机的电动机及其电源开关和融霜加热器。主电路如图1所示。

其基本控制原理如下：

制冷过程：水泵启动，提供冷却水，为制冷媒质实现降温。压缩机将低温低压的气态制冷剂压缩成为高温高压的气态制冷剂，然后通过冷凝器冷却降温变成低温低压的液态制冷剂。

图1冷藏控制装置主电路

制冷工质经过节流膨胀阀，进入冷库的蒸发器突然膨胀汽化，同时从冷库中吸收大量的热，使冷库降温从而达到制冷的效果。高温高压的气态制冷剂回到空气压缩机，如图2所示，至此，完成一个循环。如此经过多次循环，冷藏库的温度不断降低，当达到系统规定值的时候，冷藏装置自动停止工作。当温度感应器感应到冷库再次升温至启动值时，装置启动制冷。

冷藏装置工作过程除制冷过程外还包括其它辅助过程：

融霜和加热：散热器的管外壁温度低，空气中的水蒸气易在散热器表面结霜，导致系统制冷量减少，经济性变差；同时，霜层过厚，会堵塞肋片间通道，减少通风量，从而导致制冷量不足，所以应进行融霜。

图2制冷装置循环系统组成示意图

压缩机油加热：使压缩机润滑油保持一定的温度，从而减少制冷剂在油中溶解的比例，避免压缩机启动后，产生液压缩[3]，降低制冷效果。防止天冷的时候油与制冷剂混合物粘度过大使得压缩机启动压力过大，通过压缩机油加热，维持一定油温，保证润滑油粘度及流动性。

1.2传统控制电路

某船冷藏装置控制电路通过接触器—继电器完成对主电路自动控制，使高低温冷库维持一定的低温，同时对系统及工作电路设置保护，实现较为稳定的制冷效果。

图3冷藏装置控制电路图

控制电路由制冷控制电路和保护报警电路两部分组成，包括温控电路、电动机控制电路、电磁阀控制电路以及设置了高压、低压、油压三重保护的保护电路，如图3所示。

由于电路的各特性限制，控制实现更加复杂而且容易出错。

由图可看出，制冷控制分为手动、自动两个档位，当转换开关调至“自动”档时，温控电路中温度调节器感应冷库温度并自动控制制冷。但如果温控电路转换开关5SA调至“两库”，此时其触点1-2、3-4同时闭合，造成一个温度继电器的触头K1（或K2）被短接，使得温度自动控制不正常。只有把5SA置于“高温库”或者“低温库”位置时，才能避免自动控制出错，因此在使用上容易引起误操作。

此外，该控制电路如果出现故障和保护，系统只能停机报警，而不能指示故障原因，不利于故障查找修复。因此有必要运用PLC简化控制电路，完善系统功能。

2 基于PLC的控制系统设计

根据冷藏装置控制的功能要求，在采用PLC控制的时候为保证控制的可靠性与灵活性，同样设计成自动控制和手动控制两种工作方式。在自动模式下，系统传感器及控制电路根据冷库实际温度和制冷目标温度来自动控制系统的制冷过程。手动模式下，需要用户直接操作系统启停。

为了增强冷藏装置的可维修性，在PLC改造时增设系统故障指示。当系统高压、低压、油压保护触发时，装置自动停机，同时发出相应的灯光报警来指明故障原因，有利于故障的快速修复以及系统可靠性的提高。

同时，考虑到冷藏装置排水管易冻结，在制冷装置开始运行工作前，预先设定加热冷库排水管路。

2.1硬件设计

可编程控制器PLC，英文全称Programmable Logic Controller，中文全称可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。PLC因其具有通用性强、使用方便、适用面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点[4]，已成为工业控制领域中不可或缺的一种控制装置。

本系统共有输入信号23个，除水泵、压缩机启停按钮，转换开关等开关输入量外，还包括电动机热保护、温度感应控制器及系统保护量等在内的控制输入量。输出信号15个，包括水泵、压缩机、冷风机的启停控制、融霜加热以及保护报警等。

根据上述信号需求，选用西门子S7-200 PLC， CPU型号为 226CN，该PLC的I/O数量为24/16，可以满足本系统控制需求。根据系统功能设计了PLC接线图，如图4所示。

2.2软件设计

装置工作流程如图5所示，当选择自动模式时，系统温度感应器感应冷库温度，判断是否高于最高允许温度。若是超温，在系统准备过程先进行排水管的加热，以保证装置正常运行。待该过程完成后再启动水泵，经延时后压缩机启动、电磁总阀打开。待工作一段时间后，判断是哪个冷库超温，启动对应的冷库风机，打开相应电磁阀，装置开始制冷工作。当冷库降温至预设低温时，相应冷库电磁阀关闭，延迟一段时间后压缩机停机。当两库都到达预设低温时，各自冷风机都会停机。此时说明制冷工况结束，水泵、压缩机以及总阀关停。至此一个工作过程结束。此外操作者根据实际需要，直接控制系统融霜。

系统设置了高压保护、低压保护以及油压保护，当系统传感器感应量达到阀值，立即向控制电路输送信号，触发保护报警。在程序设计中，当任一传感器向PLC输入端子发送信号，PLC控制水泵、压缩机、冷风机的接触器立即断开，系统停机。同时，PLC输出控制信号，电铃得电响起，相应故障指示灯点亮。

3 实验验证

3.1装置测试

本次实验用于测试PLC控制的冷藏装置的功能，实验电路如图6所示。

1）自动制冷测试

选择自动制冷，看到PLC I0.0口点亮，同时Q2.6有输出指示，排水管加热器模拟灯光亮起。约持续两分钟后，排水管加热器模拟灯光熄灭，水泵M2、高低温冷风机M3、 M4启动，电磁阀总阀YV1、高温阀YV2、低温阀YV3模拟灯光点亮。

图4PLC控制电路接线图

图5自动制冷工作流程图

图6测试装置

待系统制冷运行5分钟后，模拟冷库均达到预定低温。高、低温库温度继电器开关闭合， I0.7、I1.0得电，PLC无输出开关量，冷风机、压缩机、水泵断电停机，电磁阀指示灯熄灭，制冷停止。

2）手动高温库制冷测试

将“手/自”转换开关转向手动挡，选择手动制冷模式，将温控开关转换至“高温库”，PLC I0.1口指示灯点亮，I2.4指示点亮，此时高温库冷风机启动，高温阀YV2指示灯点亮。先后按下水泵启动、压缩机启动按钮，水泵和压缩机先后启动，装置开始制冷。

3）系统保护测试

PLC控制系统设置了高、低压保护、油压保护、热保护三重保护。实验中通过输入开关量来模拟保护信号对装置保护功能进行验证。

例如，当系统处于“自动制冷”工况时。闭合模拟压缩机吸入压力过低的开关， I0.5得电，此时电磁阀指示灯立即熄灭，高温库风机、压缩机、水泵随即停机，制冷停止。同时，系统声光警报响起，故障指示灯显示故障原因为低压，实现了保护停机和故障指示功能。

3.2实验结论

通过实物检测制冷装置的“自动制冷”、“手动控制制冷”“高压保护”等功能，证明基于PLC改进设计的冷藏装置控制系统初步具备完善的自动/手动制冷功能、系统保护功能、状态检测功能，而且大大优化了系统结构，简化实验电路，具有较强的实用性、操作性和可推广性。此次设计功能基本实现。

4 结论

考虑到原有接触器控制的冷藏装置存在功能单一、结构复杂等问题，本文基于PLC，通过硬件电路设计与软件编程，实现了系统软硬件的完整结合，完成了对冷藏装置各部分的自动化控制。简化了装置结构、增设了故障指示，完善了系统功能，提高冷藏系统的可操作性、可靠性、可维修性，更好地保障舰员的生活补给，具有较大的应用价值。

[1] 胡日刚. 浅谈PLC在自动化冷库中的应用. 制冷与空调, 2013,(6):32-35.

[2] 蔡杏山.零起步轻松学习西门子S7-200PLC技术[M]. 人民邮电出版社, 2010.

[3] 魏永清. 舰船电力拖动装置[M]. 海军工程大学出版社, 2011.

[4] 杨后川. 西门子S7-200编程速学与快速应用[M].电子工业出版, 2010.

PLC-based Modification of Marine Refrigeration

Deng Boyu, Yu Fei

(College of Electrical Engineering and Science, Naval University of Engineering, 430033, China)

TM572

A

1003-4862（2017）05-0069-05

2017-01-15

邓博宇(1995-)，男，学士。研究方向：舰船电气设备。