馬茂軍，范鵬章，王 棟，楊曉紅，王延明

（1.東營(yíng)市技師學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000；2.東營(yíng)市市政工程公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引 言

目前，工業(yè)生產(chǎn)過程需要依托于大量的電氣設(shè)備，傳統(tǒng)技術(shù)理念、設(shè)備等方面的滯后性使其難以在當(dāng)下以至未來為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，而如何運(yùn)用新技術(shù)、新理念提升工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量、效率也就成為目前企業(yè)負(fù)責(zé)人以及相關(guān)研究人員共同關(guān)注的話題。本文重點(diǎn)研究PLC以及變頻器在制冷機(jī)組中的應(yīng)用，分析PLC與變頻器在電氣設(shè)備自動(dòng)化控制中體現(xiàn)出的不同價(jià)值及作用。

1 PLC與變頻器概述及其在制冷機(jī)組中應(yīng)用的目的及意義

1.1 PLC與變頻器簡(jiǎn)述

PLC系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的一種邏輯控制器，能夠利用可編程的儲(chǔ)存器對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)程序中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、儲(chǔ)存、撤銷等處理，以執(zhí)行邏輯運(yùn)算以及順序控制等指令[1]。

變頻器是一種可以轉(zhuǎn)換工頻電源頻率的設(shè)備，其主要功能有變頻調(diào)速、轉(zhuǎn)換功率因數(shù)等，變頻器的存在能夠有效提升電氣自動(dòng)化控制的運(yùn)轉(zhuǎn)精準(zhǔn)度[2]。

1.2 PLC控制器與變頻調(diào)速技術(shù)在制冷機(jī)組中應(yīng)用的目的

第一，個(gè)性化節(jié)能控制?？删幊炭刂破髂軌蛞勒湛蛻舻膫€(gè)性化需求，通過交互界面完成對(duì)制冷系統(tǒng)吸氣壓力以及吸氣壓力目標(biāo)值等方面的控制，同時(shí)也可以靈活調(diào)整制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，達(dá)成提升制冷系統(tǒng)輸出回路穩(wěn)定性、降低壓縮機(jī)啟停次數(shù)、減少制冷系統(tǒng)耗電量、提高整體制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率等目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)組的節(jié)能控制。

第二，全方位保護(hù)功能。為保障制冷機(jī)組維持長(zhǎng)時(shí)間的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝了高低壓壓差開關(guān)、過電流繼電器、溫度傳感系統(tǒng)、冷凍油液控制器等[3]。以上系統(tǒng)、器械的信號(hào)能夠被PLC可編程控制器進(jìn)行統(tǒng)一收集、管理，并且可以在機(jī)組任意組成部分出現(xiàn)故障的情況下自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)，甚至在必要情況下直接停機(jī)，全方位地保護(hù)整體制冷系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及機(jī)組周圍電網(wǎng)電路的穩(wěn)定性。

第三，數(shù)字化管理?？衫秒娙萦|摸屏、電腦應(yīng)用界面等作為人機(jī)交互界面，通過對(duì)相關(guān)模塊的操作調(diào)動(dòng)整體制冷機(jī)組的運(yùn)行，同時(shí)可以控制查找壓力、溫度、機(jī)組故障、既往數(shù)據(jù)等內(nèi)容，并且可以對(duì)制冷機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行靈活控制[4]。

第四，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。為實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)異地傳輸?shù)哪繕?biāo)，本文研究選用了GPRS遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸技術(shù)以及WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在GPRS、WiFi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸。相較于傳統(tǒng)制冷機(jī)組技術(shù)而言，本文研究目標(biāo)無(wú)需過于復(fù)雜的線路布置，在降低安裝與運(yùn)營(yíng)成本的基礎(chǔ)上維護(hù)了制冷機(jī)組作業(yè)環(huán)境的安全性。

2 PLC以及變頻器在制冷機(jī)組中的研究意義和主要研究?jī)?nèi)容

本文對(duì)PLC以及變頻器的主要研究意義，在于以PLC和變頻器在制冷機(jī)組中的研究充實(shí)整體電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域的研究成果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域在降低水電氣能耗的基礎(chǔ)上提升工業(yè)自動(dòng)化電氣設(shè)備運(yùn)行效率與質(zhì)量的目標(biāo)[5]。

提高自動(dòng)化水平是當(dāng)下眾多工業(yè)領(lǐng)域孜孜以求的發(fā)展目標(biāo)與防線，而PLC以及變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用正滿足了這一需求。故本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容為：①分析制冷循環(huán)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出功率以及實(shí)際制冷負(fù)荷需求三者間的相互關(guān)系，驗(yàn)證PLC以及變頻器在制冷系統(tǒng)中的全自動(dòng)控制與節(jié)能效果；②分析傳統(tǒng)制冷機(jī)與變頻制冷劑的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析變頻技術(shù)對(duì)制冷機(jī)溫度控制精準(zhǔn)度的作用；③應(yīng)用變頻器的可控性，加之PLC可編程控制器以及交互窗口控制器協(xié)同作業(yè)于提高制冷機(jī)組的自動(dòng)化水平、增強(qiáng)機(jī)組實(shí)際工作效率的可操作性。

3 PLC與變頻器的型號(hào)選擇

3.1 對(duì)PLC型號(hào)的選擇與程序設(shè)計(jì)

PLC如今已經(jīng)成為電氣設(shè)備自動(dòng)化控制過程中不可或缺的組成部分，其不僅能夠有效發(fā)揮出相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠促進(jìn)不同型號(hào)設(shè)備運(yùn)行性能的最大化。依照本文研究的側(cè)重點(diǎn)和基礎(chǔ)的控制要求及配置，最終選擇了OMRON公司所生產(chǎn)的PLC可編程控制器，其型號(hào)為CP1H-XA40DR-A，僅憑借此一臺(tái)控制設(shè)備就能夠滿足對(duì)制冷機(jī)組的全部控制，無(wú)需另外銜接其他類型的PLC程序與模塊。例如，傳統(tǒng)制冷機(jī)組中想要達(dá)成對(duì)冷媒以及冷凝器的控制，需要通過技術(shù)人員手動(dòng)調(diào)整相應(yīng)儀器構(gòu)件，不僅操作時(shí)間較長(zhǎng)，而且缺乏精準(zhǔn)度。而使用CP1H-XA40DR-A后，技術(shù)人員只需要在觸屏交互面板上對(duì)相關(guān)的構(gòu)件、設(shè)備進(jìn)行指令發(fā)放與參數(shù)調(diào)整，便可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.2 對(duì)變頻器型號(hào)的選擇

目前，市面上各個(gè)廠家的變頻器在使用過程中皆有一定的概率出現(xiàn)如“開關(guān)電源損耗大”“LGBT模塊損壞”“OH過熱”“UV欠壓故障”等問題，因而對(duì)變頻器的選擇應(yīng)該保持與對(duì)PLC的選擇一致，相關(guān)技術(shù)人員在選擇變頻器的過程中也要充分考慮其在實(shí)際使用過程中的各種影響因素，從而依照電氣自動(dòng)化控制的實(shí)際需求來橫向?qū)Ρ茸冾l器的質(zhì)量與性能。本機(jī)組的研究過程中選用了日本安川變頻器，其型號(hào)為CIMR-J4-500B。依照相關(guān)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)報(bào)告可以得知，其變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)參數(shù)基本符合本研究壓縮機(jī)運(yùn)行的基本需求。并且在經(jīng)過實(shí)際測(cè)試之后，可知CIMR-J4-500B變頻器對(duì)15HP壓縮半封閉壓縮機(jī)的控制效果以及各項(xiàng)參數(shù)比較符合研究要求。因此，本研究同步選擇了兩臺(tái)15HP壓縮半封閉壓縮機(jī)并聯(lián)CIMR-J4-500B變頻器構(gòu)成壓縮機(jī)組。該壓縮機(jī)組以“定頻+變頻”同步運(yùn)轉(zhuǎn)的方式，共同服務(wù)于制冷機(jī)組，其中變頻機(jī)組的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)范圍在“40%～120%”的無(wú)極調(diào)節(jié)。

3.3 針對(duì)變頻器中PLC模塊的選擇

針對(duì)變頻器中PLC模塊的選擇，需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)模塊的電源質(zhì)量、儲(chǔ)存器容量、反應(yīng)速度、通信質(zhì)量等進(jìn)行全方位的分析，重點(diǎn)關(guān)注擁有更強(qiáng)控制功能的選項(xiàng)，以保障相應(yīng)備選PLC模塊能夠與變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，保障其能夠共同作用于電氣設(shè)備自動(dòng)化控制工作之中。以PLC儲(chǔ)存器為例，本研究選用的PLC儲(chǔ)存器為針對(duì)系統(tǒng)的EEPOROM儲(chǔ)存器，用于存放系統(tǒng)程序以及相關(guān)數(shù)據(jù)。針對(duì)技術(shù)人員方面選用了PORAM儲(chǔ)存器，用于存放技術(shù)人員設(shè)置的相關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)、更改記錄等。反觀變頻器中其余PLC模塊，其在性能、造價(jià)、使用周期等方面的區(qū)別較小，不同型號(hào)的選擇對(duì)本文的研究結(jié)果影響程度不深，因而并未進(jìn)行特殊處理與試驗(yàn)。

4 制冷原理以及制冷系統(tǒng)組成理論分析

首先是制冷原理，其在熱力學(xué)觀點(diǎn)中可以闡述為“以反向循環(huán)的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”。冷媒受到活塞壓縮做工而轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪驘醾鲗?dǎo)循環(huán)，促使低溫載體傳向高溫環(huán)境傳輸熱能，而系統(tǒng)的作用就是在這一過程中進(jìn)行補(bǔ)償做功。其次是制冷機(jī)組的基本循環(huán)，其可分為蒸發(fā)、壓縮、冷凝與膨脹4個(gè)過程。

4.1 PLC以及變頻器在制冷機(jī)組的應(yīng)用

傳統(tǒng)制冷機(jī)組會(huì)選擇通過調(diào)整設(shè)備所處空間溫度、控制冷凝劑用量等方式達(dá)成控制環(huán)境溫度的目標(biāo)，操作較落后。而本研究的制冷機(jī)組可以通過對(duì)PLC控制器以及變頻器的利用來精準(zhǔn)控制制冷機(jī)組被控環(huán)境的溫度。如圖1所示，由PLC控制器以及變頻器共同構(gòu)成的控制系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)組的全自動(dòng)化控制，其參數(shù)以及變化歸路也能夠得到較好滿足。在該控制體系中，通過變頻器與PLC的協(xié)同作用，使得兩臺(tái)冷卻泵W1以及W2和兩臺(tái)冷水泵W3以及W4進(jìn)行運(yùn)行控制，以制冷循環(huán)的內(nèi)部為主要出發(fā)點(diǎn)，全方位地提高制冷機(jī)組的自動(dòng)化控制運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

圖1 控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

4.2 控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依照?qǐng)D2所示，冷卻泵W1所使用的變頻接觸器是KM2，因此需要接觸器KM2與W1變頻器進(jìn)行連接后才能夠有序運(yùn)行。同理，接觸器KM1可以作為W1變頻器的工頻接觸器，因此只有在KM1與冷卻泵互相連接的情況下，整體制冷機(jī)組的輸泵電路才能夠連接到變頻器之中。借助上述內(nèi)容便可以更好地理解冷卻泵W2的運(yùn)行原理，也就是冷卻泵W2的變頻接觸器與工頻基礎(chǔ)器為接觸器KM4以及KM3出水以及回水溫度需要通過兩個(gè)PLC長(zhǎng)安器進(jìn)行控制，同時(shí)通過PLC溫度采集模塊FX2N-4AD-PT將其二者進(jìn)行有效銜接，并且該轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的數(shù)字量與數(shù)據(jù)信息等都要通過PLC進(jìn)行運(yùn)算與儲(chǔ)存，而后通過輸出面板將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量。變頻器就是通過這種方式來達(dá)成對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制。伴隨著出水與回水溫度的變化，水泵的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此通過對(duì)溫度的合理把控來有效控制制冷系統(tǒng)中水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而達(dá)成電氣系統(tǒng)全自動(dòng)控制的目標(biāo)。

圖2 冷卻泵W1主電路原理圖

4.3 控制系統(tǒng)的輸入及輸出分配

PLC屬于工業(yè)可編程控制器，其核心組成部分為微處理器，其余則由計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體儲(chǔ)存技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等共同組成。本文選擇了FX2N-32MR信號(hào)的PLC可編程控制器以及FX2N-4AD-PT模擬量輸出模塊。PLC可編程控制器在制冷機(jī)組對(duì)并聯(lián)壓縮機(jī)裝填進(jìn)行控制時(shí)，需要與制冷系統(tǒng)中的吸氣壓力傳感器進(jìn)行聯(lián)通感應(yīng)，通過對(duì)吸氣壓力傳感器所產(chǎn)生的吸氣壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而后通過變頻器計(jì)算處理相關(guān)數(shù)據(jù)完成對(duì)輸出頻率的控制。除此之外，為保障制冷機(jī)組以及整體制冷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要對(duì)PLC可編程控制器進(jìn)行處理，使其能夠有效控制油壓開關(guān)、油位控制器、低電壓保護(hù)器等系統(tǒng)、模塊所生成的數(shù)據(jù)信號(hào)[6]。

4.4 操作界面制作

操作人機(jī)界面可以根據(jù)整體系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及上位機(jī)的操作指令來進(jìn)行數(shù)據(jù)畫面的表達(dá)，操作人員方面可以通過人機(jī)界面進(jìn)行與整體系統(tǒng)的管理以及與上位機(jī)之間的交流[7]。除此之外，操作界面也可以依照制冷系統(tǒng)的吸氣壓力運(yùn)行曲線進(jìn)行顯示并儲(chǔ)存相關(guān)數(shù)據(jù)，指令機(jī)組的故障報(bào)警以及相關(guān)故障數(shù)據(jù)也可以顯現(xiàn)在操作界面之上，以待工作人員進(jìn)行進(jìn)一步的操作處理。同時(shí)，制冷機(jī)組壓縮機(jī)的具體回液狀態(tài)以及其吸氣過熱等都可以通過交互界面進(jìn)行指令控制。本文選用了MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)制作制冷機(jī)組人機(jī)交互界面的開機(jī)界面、操作界面以及監(jiān)視界面如圖3所示。

圖3 交互界面設(shè)計(jì)

4.5 控制程序軟件設(shè)計(jì)

控制程序的軟件可以簡(jiǎn)單概括為以下內(nèi)容：首先是A/D轉(zhuǎn)換程序，制冷系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)字模型的轉(zhuǎn)換所取得的數(shù)據(jù)信息可以保存在寄存器之中，而數(shù)字信息的轉(zhuǎn)換可以通過PLC模塊完成，從而連同變頻器共同控制水泵的運(yùn)行效率。其次是自動(dòng)調(diào)速程序，工作人員可以將溫差采集階段時(shí)間設(shè)置為5 s，以此來適應(yīng)冷卻水的溫度變化速度。同時(shí)，變頻器的運(yùn)行效率也可以依照溫差的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整[8]。例如，當(dāng)溫差大于5 ℃時(shí)，變頻器便自動(dòng)將頻率調(diào)整為0.5 Hz。依照這種方式，便可以充分發(fā)揮變頻器的使用價(jià)值，與可編程控制器共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制。最后為冷卻泵出水、回水溫差計(jì)算程序[9]。此外可以在該程序中設(shè)置出水以及回水的標(biāo)準(zhǔn)溫度，同時(shí)設(shè)置回水溫度通道、冷卻水出水水溫通道以及單獨(dú)的回水溫差寄存通道[10]。

5 結(jié) 論

總而言之，PLC與變頻器協(xié)同作用于電氣設(shè)備自動(dòng)化控制之中能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行故障的發(fā)生概率，幫助達(dá)成彌補(bǔ)生產(chǎn)不足、提高生產(chǎn)效率的美好愿景。如此就需要相關(guān)技術(shù)人員與研究人員能夠加強(qiáng)對(duì)PLC和變頻器的關(guān)注，同時(shí)針對(duì)電氣設(shè)備自動(dòng)化設(shè)備的不足以及其運(yùn)行過程中的漏洞進(jìn)行細(xì)致分析，利用PLC和變頻器的共同作用去進(jìn)一步改善、優(yōu)化操作系統(tǒng)，為工業(yè)、企業(yè)日常生產(chǎn)活動(dòng)的有序性、穩(wěn)定性及高效性奠定基礎(chǔ)，助力社會(huì)的發(fā)展。