三菱PLC、HMI在商用制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

[摘要]：
　　本文介紹了PLC,SCADA在商用制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了控制系統(tǒng)硬件的詳細(xì)構(gòu)成和控制軟件的編程思路
　　
　　[關(guān)鍵詞]：
　　可編程控制器，觸摸屏，模擬量采集，SCADA，調(diào)制解調(diào)器
　　
　　一.概述
　　
　　 在商用制冷系統(tǒng)中壓縮機的控制大都采用機械式控制，眾所周知，機械式控制存在著許多不足，如：體積龐大，接線麻煩，不易維護(hù)，同時控制精度差，致使制冷系統(tǒng)中制冷劑的壓力波動太大，造成制冷效果差，冷藏食品解凍受損，給用戶造成巨大的經(jīng)濟損失。
　　 近年來市場上也出現(xiàn)了一些采用單片機，工控機控制的控制器。但是，采用單片機開發(fā)的控制器由于抗干擾能力差，人機界面不夠友好，操作繁瑣，給用戶帶來了很多麻煩，所以，也沒有得到普及。而采用工控機控制的控制器由于大多是國外引進(jìn)的產(chǎn)品，全英文界面，不僅操作繁瑣，而且價格昂貴，大多數(shù)用戶不能接受。因而也得不到推廣，本文介紹的控制器正好填補了這一空白。它不僅體積小，接線簡單，人機界面友好，維護(hù)方便；同時控制精度高，運行可靠，使制冷系統(tǒng)中制冷劑的壓力波動很小，制冷效果好，冷藏品得到了很好的保護(hù)；最近用于冷鏈中廣泛使用的并聯(lián)機組，對冷量變化的精確調(diào)節(jié)和壓縮機運行壽命的均勻調(diào)節(jié)，非常適合并聯(lián)機組的實際使用情況；并且，價格適中，因而受到了廣大用戶的普遍歡迎。五年來全國累計四十多套投入運行，運行情況良好。
　　
　　二.系統(tǒng)的控制原理
　　
　　 本控制器主機采用三菱公司的PLC,型號為：FX2N—48MR,數(shù)據(jù)采集部分采用三菱公司的數(shù)據(jù)采集模塊，型號為：FX2N—4A/D,現(xiàn)場監(jiān)視的人機界面采用三菱公司的圖形操作終端，型號為：F940GOT。同時，由主機，調(diào)制解調(diào)器，公用電話網(wǎng)，計算機，SCADA軟件組成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
　　 系統(tǒng)的工作原理：首先，通過FX2N—4A/D采集系統(tǒng)壓力，電壓，溫度以及設(shè)備的保護(hù)等信號，并對模擬信號進(jìn)行數(shù)字濾波，抗干擾濾波，然后進(jìn)行模擬量的量化和標(biāo)度變換，與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較判斷，根據(jù)比較結(jié)果和保護(hù)信號控制壓縮機的啟動與停止。當(dāng)需要開機時，首先，根據(jù)所有壓縮機的開機時間，判斷哪一臺壓縮機開機時間最短，然后，判斷其保護(hù)信號是否正常？如果正常，則開機，否則判斷下一臺壓縮機，。。。。。。直到最后一臺。反之，當(dāng)需要停機時，首先根據(jù)所有壓縮機的開機時間判斷哪一臺壓縮機開機時間最長，然后，輸出停機控制信號。
　　 正常工作情況下，任何一臺壓縮機的保護(hù)信號出現(xiàn)故障，主機一旦檢測到故障信號，立即輸出停機信號，停止相對應(yīng)的壓縮機，并發(fā)出報警信號，告訴值班人員系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要人工監(jiān)視。同時，主機一旦檢測到故障的恢復(fù)信號，也會立即輸出開機信號，啟動相對應(yīng)的壓縮機。
　　 F940GOT是人機接口圖形操作終端，通過它可以輸入系統(tǒng)運行參數(shù)，可以手動操作，例如：手動啟動或停止壓縮機等等。它可以顯示系統(tǒng)運行的各種參數(shù)及系統(tǒng)運行的各種狀態(tài)。另外，壓縮機的各種保護(hù)信號可以通過主機的開關(guān)量輸入端輸入PLC作為壓縮機的開機條件。安裝了SCADA軟件的計算機通過調(diào)制解調(diào)器，公用電話網(wǎng)與PLC 連接，可以實時讀取系統(tǒng)運行參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)從而進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用本系統(tǒng)可以預(yù)防系統(tǒng)即將出現(xiàn)的故障，并及時采取補救措施，從而為客戶挽回不必要的經(jīng)濟損失。
　　
　　三.系統(tǒng)的硬件框圖
　　

插圖1系統(tǒng)硬件組成

　　
　　 輸入部分：輸入部分包括模擬信號輸入和開關(guān)信號輸入兩部分組成。
　　 模擬信號包括：安裝在吸氣集管上的吸氣壓力傳感器（0~200PSIG），和安裝在排氣集管上的排氣壓力傳感器(0~500PSIG)和溫度傳感器。還有監(jiān)視系統(tǒng)供電電壓的電壓傳感器。
　　 開關(guān)信號包括：安裝在壓縮機上的電子熱保護(hù)（溫度探頭安裝在電機繞組內(nèi)），安裝在壓縮機吸氣側(cè)的低壓開關(guān)，安裝在壓縮機排氣側(cè)的高壓開關(guān)，油位控制器，油壓差控制器. 電子熱保護(hù)根據(jù)安裝在電機繞組內(nèi)的溫度探頭感知的繞組溫度的高低，發(fā)出一個開關(guān)信號，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時斷開控制回路，反之則接通控制回路，主要防止因繞組溫度過高而導(dǎo)致的壓縮機故障。安裝在壓縮機吸氣側(cè)的低壓開關(guān)主要用于：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入機械后備狀態(tài)時，根據(jù)吸氣壓力的高低來控制壓縮機的開/停。安裝在壓縮機排氣側(cè)的高壓開關(guān)則用于：當(dāng)排氣壓力超過上限設(shè)定值時斷開控制回路，停止壓縮機的運行，防止由于排氣壓力過高而造成的壓縮機故障。油位控制器：當(dāng)壓縮機的瑞滑油供應(yīng)不上時（系統(tǒng)油位低于某一設(shè)定值時）斷開控制回路，停止壓縮機的運行，可以有效防止壓縮機因缺油干磨導(dǎo)致的損壞。油壓差控制器.用于監(jiān)測半封閉壓縮機高低壓腔油壓差，當(dāng)油壓差太小時將出現(xiàn)潤滑油供應(yīng)不上，影響壓縮機的潤滑，將導(dǎo)致壓縮機干磨。還有監(jiān)視系統(tǒng)供電電源的相序保護(hù)器。
　　 輸出部分：通過中間繼電器控制壓縮機和報警。
　　 另外：一方面，主機通過RS 422接口與觸模屏（圖形操作終端F940GOT）連接，觸模屏作為一種人機接口，可以通過它進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)運行工況的監(jiān)視等等。另一方面，主機通過RS 232接口與調(diào)制解調(diào)器連接，通過公用電話網(wǎng)，把系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)運行工況傳送到遠(yuǎn)方的計算機以便于進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。
　　
　　四.控制軟件的編制思路
　　
　　 在控制軟件編制之前，首先要搞清楚影響壓縮機運行的各種因素，以及各種因素本身的特性和它們之間的相互關(guān)系，結(jié)合本控制器，影響壓縮機運行的各種因素如下：
　　1.系統(tǒng)的吸氣壓力，
　　2.系統(tǒng)的供電電壓，
　　3.三相電源的相序保護(hù)，
　　4.壓縮機的電子熱保護(hù)，
　　5.壓縮機的低壓開關(guān)，
　　6.壓縮機的高壓開關(guān)，
　　7.壓縮機的油位控制器，
　　8.壓縮機的油壓差控制器，
　　 正常情況下，在設(shè)備安裝完畢后首先應(yīng)校正三相電源的相序，保證三相電源的相序是正確的；系統(tǒng)的供電電壓應(yīng)處于正常范圍內(nèi)（線電壓為交流380V±15℅）。當(dāng)壓縮機的電子熱保護(hù)探測到的繞組溫度正常，壓縮機的排氣壓力低于設(shè)定值，壓縮機的油位正常，壓縮機的油壓差控制在必要的范圍內(nèi)，此時當(dāng)系統(tǒng)的吸氣壓力高于設(shè)定值時，壓縮機即可以開機運行。
　　 在設(shè)備運行過程中，三相電源的相序是不變的，當(dāng)系統(tǒng)的供電電壓超出正常范圍（線電壓為交流380V±15℅）時，控制器將發(fā)出電壓故障報警信號，同時，將停止所有正在運行的壓縮機，提醒值班人員檢查系統(tǒng)電源供電情況，直到解除故障。
　　 在設(shè)備運行過程中，無論壓縮機的電子熱保護(hù)，壓縮機的高壓開關(guān)，壓縮機的油位控制器，壓縮機的油壓差控制器那一個出現(xiàn)故障，都可以隨時停止相應(yīng)的壓縮機；當(dāng)故障解除后，相應(yīng)的壓縮機即可根據(jù)控制器的需要隨時投入運行。
　　 壓縮機的低壓開關(guān)主要用于機械后備。當(dāng)主控制器故障時將讓出控制權(quán)，由壓縮機的低壓開關(guān)控制系統(tǒng)繼續(xù)運行，以保持制冷系統(tǒng)正常工作，避免因主控制器故障而導(dǎo)致整個制冷系統(tǒng)停止工作。
　　
　　五.人機界面的設(shè)計
　　
　　 人機界面采用三菱公司的圖形操作終端：F940GOT—LWD。在進(jìn)行人機界面的畫面設(shè)計之前應(yīng)該了解系統(tǒng)要監(jiān)視和操作的內(nèi)容，這里我們要監(jiān)視系統(tǒng)的吸氣壓力，壓縮機的運行狀況（即目前壓縮機是運行狀態(tài)還是停機狀態(tài)，自動運行狀態(tài)還是強制運行狀態(tài)），系統(tǒng)電源電壓，各臺壓縮機運行時間等等。另外，還要設(shè)計運行參數(shù)設(shè)置的畫面和手動操作的畫面，以及系統(tǒng)故障后的報警畫面和報警解除畫面，報警記錄和運行記錄的清除畫面。
　　 在主菜單畫面中，顯示了系統(tǒng)操作的一級菜單，它包括廠商信息，運行顯示，運行記錄，報警記錄，參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)維護(hù)等畫面。
　　在廠商信息畫面中，記錄了本軟件的研發(fā)背景和公司的簡單介紹。
　　 在運行顯示畫面中，可以監(jiān)視系統(tǒng)的吸氣壓力，壓縮機的運行工況，系統(tǒng)電源電壓及系統(tǒng)時間，日期，還可以顯示系統(tǒng)目前是自動運行狀態(tài)還是強制運行狀態(tài)。
　　 在運行記錄畫面中，記錄了低溫系統(tǒng)和中溫系統(tǒng)中各臺壓縮機詳細(xì)的運行時間和本記錄開始時間。本記錄開始時間以 年，月，日，時，分，的形式顯示，壓縮機的運行時間以 時，分，的形式顯示。
　　 在報警記錄畫面中，記錄了報警的歷史記錄和當(dāng)前正在進(jìn)行的報警，以及各種報警的頻率和報警提示信號，在此畫面中可以解除正在進(jìn)行的報警的音響信號。
　　 在參數(shù)設(shè)置畫面中，可以對系統(tǒng)運行的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，它包括調(diào)試階段部報警的時間，壓力和電壓報警的延時時間 ，故障判斷時間，壓縮機的開機間隔時間；壓縮機的臺數(shù)，系統(tǒng)壓力設(shè)定點，系統(tǒng)壓力波動范圍和壓力上下限報警設(shè)定值等等。
　　 在系統(tǒng)維護(hù)畫面中，可以對系統(tǒng)運行進(jìn)行人工干預(yù)（強制操作），可以強制開啟某一臺壓縮機，或者強制停止某一臺壓縮機；在系統(tǒng)維護(hù)畫面中，還可以對系統(tǒng)運行記錄和報警記錄進(jìn)行清除操作。在此畫面中為了防止誤操作，特意設(shè)置了防誤程序。另外，還設(shè)計了三級密碼，用以限制用戶的越級操作。
　　 由于本軟件采用中文界面，語言簡潔，操作簡單方便，因此受到了廣大用戶的好評。
　　
　　六.SCADA監(jiān)控軟件的設(shè)計
　　
　　 監(jiān)控軟件的設(shè)計有二種方案：一種是通過RS485與主機連接實現(xiàn)設(shè)備的當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，另一種是通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM），公用電話網(wǎng)，調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與主機連接實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主要用于用戶的日常監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控主要用于設(shè)備隱患的預(yù)防和設(shè)備故障的快速定位及修復(fù)。監(jiān)控畫面的設(shè)計與人機界面的設(shè)計類似。用全中文共控組態(tài)軟件MCGS做開發(fā)平臺。
　　
　　七.結(jié)束語
　　
　　 本文旨在探討和研究用PLC, 觸模屏，計算機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊和商用制冷系統(tǒng)的監(jiān)視與控制方案，為同類系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了一種方便，快捷的工程組態(tài)方案。
　　參考文獻(xiàn)：
　　1.《三菱微型可編程控制器編程手冊》，《操作手冊》。
　　2.《Copeland制冷手冊》，
　　3.《可編程控制器應(yīng)用軟件設(shè)計方法與技巧》，陳春雨等著，電子工業(yè)出版社。
　　4.《MCGS組態(tài)軟件參考手冊》，《MCGS組態(tài)軟件用戶指南》。
　　5.《監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用》，馬國華著，清華大學(xué)出版社。