船舶冷藏

船舶冷藏装置的自动控制系统与设计摘要：船舶冷藏装置是船舶必不可少的部分，而船舶冷藏装置的自动控制是船舶自动化的主要内容之一本文针对英格索兰的冷藏装置进行分析与研究，设计了以PLC为核心控制器件并基于温度控制的船舶冷藏装置的自动控制系统主要设计由采集温度来控制制冷压缩机运行模块，采集温度控制蒸发器风机的高速与低速运行模块，采集温度控制融霜与加热模块关键字：冷藏装置，温度控制，PLCAbstract：Coldstoragdicisthshipandanssntialpartofthcoldstoragdic,andshipautomaticcontrolsystmdsignisonofthmajorcontntofshipautomationBasdonthanalysisofthcoldstoragdicIngrsollrand,dsignoftmpraturcontrolofthcollctionofthcoldstoragdicshipPLCprogramThmaindsigncollctiontmpraturcontrolbythrfrigration'scomprssoroprationmodul,collctthtmpraturcontrolofthfanandlowaporatorhighspdoprationmodul,collctthtmpraturcontrolandhatingmodulfrostmltKywords:coldstoragdic，Tmpraturcontrol，PLC1引言11我国船舶制冷技术的发展近20年来，我国船舶工业在世界范围内迅速崛起，相关的船用制冷设备与制冷剂的发展也突飞猛进以制冷剂为例，由于CFCS会对大气臭氧层造成破坏同时也是产生温室效应的重要元凶，随着“蒙特利尔公约”的实行，R12、R502都已被不带氯元素的绿色制冷剂替代即使是HCFCR22这样热力性质优良的制冷剂也渐渐退出了历史舞台中国虽然属于发展中国家，禁用日期相对发达国家有所推迟但由于现建的大量船舶为出口船只，所以实际上我国船舶制冷剂的更新已走在了其他行业的前面由于R22应用在制冷和空调方面的杰出性能，对于其合适的替代品成了热门话题．如今被大家公认的合适产品为R404A、R407C、R134a、R410和R507等下面就其相关参数做一客观的评定：由图111可看出在蒸发温度为25度的工况下，R134a的压力非常低，这就意味着该类制冷剂在压缩机吸气侧的密度相对较低，其导致的结果是：若系统泄漏，则有吸入空气或湿气的危险由此看来，R134a与R407C并不适用于低温制冷工况另外图示R410的冷凝压力超过了25bar，这意味着如果机组的冷凝温度高于42度，只有非标的冷凝器才能满足要求常规冷凝器的管内设计压力都低于25bar）图112显示的是不同制冷剂在蒸发温度为5度的空调工况下与R22相比的活塞排量百分比和COP值由此可知，在制冷量不变的情况下R404A、R407C和R507C完全可以使用原有的R22压缩机，甚至在使用R410时，机头还可以选得更小一些但对于R134a，则需相对较大的压缩机，大大增加了初投资费用总而言之，展望未来的船舶市场对制冷剂的需求：R404A将不断上升并占主导地位；R407C基本持平；而R134a和R507C将不断下降随着高压制冷部件的发展，R410的需求也将会迅速提升针对这一商机，许多制冷厂商都在改进各自的设备，尤其是船用空调制冷设备供应商YORK公司的所有压缩机已全部兼容R410图111一些制冷剂的实际压力图112一些制冷剂的相对活塞排量和COP从长远考虑，大量生产和使用地球上本来不存在的物质会造成地球生态和环境的破坏所以自然制冷剂的应用，如二氧化碳CO2、氨NH3、碳氢化合物乙烷R170、丙烷R290、丁烷R600a），甚至水和空气也已越来越得到人们的重视在制冷设备方面，以冷藏领域尤其在渔船上）为例，NH3和CO2为制冷剂的复叠式压缩机组的应用将是大势所趋其原因主要有以下几点：1）在相同活塞排量，蒸发温度为40度的工况下，CO2的制冷量是R22的85倍2）CO2的充注量大约只为R22的25%，不但便宜且易于购买3）管路直径小得多，便于安装．既节约了初投资成本又节省了船上宝贵的空间，一举两得4）即使管路有泄漏，也不会污染环境和对船员产生任何影响12冷藏技术在船舶上的应用制冷就是从某一物体或者空间中吸取热量，并将其转移给周围环境介质水、空气等），使该物体或者空间的温度低于环境温度，并维持这一低温的过程用于完成制冷过程的设备综合体称为制冷机或制冷装置实现制冷的途径有天然制冷和人工制冷天然制冷是以天然冰为冷源，利用冰融化需吸收融解热而实现制冷的由于天然制冷受季节、地区和储存条件的限制，产生的低温无法达到0度以下，这就促成了人工制冷的发展人工制冷分为普冷和低温两个体系“低温”是指低于123K温度以下所发生的现象或过程以及相关的技术和设备；在123K至室温范围所对应的温区属于“普冷”121水果蔬菜及蛋奶类食品的冷藏条件水果、蔬菜及蛋、奶类食品一般应采用冷却储藏该类食品冷库的库温在0度左右，即稍高于食品冻结点的温度，冷藏库主要贮藏水果、蔬菜、蛋和奶类食品，也适用于鱼、肉、禽类等食品的短期贮藏水果、蔬菜的种类、品种不同，对低温的适应能力也各不相同水果、蔬菜在贮藏过程中会逐渐蒸发脱水，一般来说如果重量损失达到5％，新鲜度就会明显地下降水果、蔬菜水分蒸发主要取决于贮藏的湿度条件，湿度过于小会使食品干缩，湿度过大会使食品容易发霉腐烂菜库和乳品库适宜的相对湿度为85％90％另外，冷库内要求温度场和湿度场分布均匀由于蔬菜和水果不断地散发水分和二氧化碳等气体，为了保持合适的气体成分，应进行换气果疏类冷藏舱或是冷藏集装箱的换气次数为每昼夜24次122鱼、肉类食品的冷藏条件通常，对鱼、肉类食品应冻结储藏，即使其温度降低到大部分汁液冻结的程度，这样可更有效地抑制微生物的活动冻结食品的储藏期比冷冻食品要长的多如果采用快速冻结方式，结成速度为25cmh，品质与新鲜度可几乎保持不变对长航线船舶，其储藏温度以1820度为宜，在此温度下微生物的繁殖几乎停止，肉类能保鲜半年以上；对于短航线船舶，冷冻保存期不超过23个月，库温控制在1012度较为经济鱼、肉库的相对湿度一般保持在90％95％为宜食品在冷藏期间的干缩现象也取决于库内空气流速，故对库内空气流速也应加以控制123二氧化碳和氧气浓度水果、蔬菜的呼吸作用使库中O2浓度减小，CO2浓度增加对新鲜水果和蔬菜采用“气调储藏”，即将冷库内的O2和CO2含量控制在一定范围内，抑制水果、蔬菜的呼吸而使其保鲜期延长通常CO2浓度控制在2％5％，气调库的储藏期可比普通冷藏库延长051倍 冷藏条件冷库类型 温度度） 相对湿度％） 换气次数24h） CO2浓度(％) O2浓度(％) 高温库菜、果） 05 8590 24 28 25 高温库蛋、奶） 05 8590 低温库鱼、肉） 18201012 9095 第二章船舶冷藏装置21船舶冷藏装置的特点船舶冷藏库的制冷工艺设计原则与陆地冷库基本一致，但又有不同之处，这是因为：绝缘结构要求高由与船体基本上是用金属材料制造，金属骨架伸入绝热结构之中造成热流短路，使冷藏库的渗入热量增加与陆地冷库相比较，船舶冷藏库工作环境更为潮湿，水汽易于从绝热层表面渗入绝热层中水分渗入绝热层会严重破坏绝热结构，减弱绝热效果因此船舶冷藏库绝热层应有良好的防潮措施船舶航行途中，机组只允许进行简单的维修，因此船舶制冷系统的各种机组、设备应安全可靠，并且在符合体积小，重量轻的船用要求的同时，应根据造船的规定配有备用机组、设备和备件，以保证航行中的正常运转制冷装置应能适应船舶航行中的特点，即在船体剧烈摇晃和振动的条件下应能正常工作，自动控制系统可靠性更强船舶冷藏库负荷变化较大，昼夜之间外界温度可能有15度20度的变化这就对制冷装置的能量调节提出了较高的要求机械设备应能耐海水和盐雾腐蚀22船舶冷藏装置组成部分船舶冷藏装置可分为四大部分，压缩机部分，蒸发器部分，冷凝器部分，节流元件部分制冷原理：据饱和压力和饱和温度的物理性质可知，如果改变制冷剂的压力，则其沸腾汽化温度也将相应的变化，即制冷剂的压力不同，其饱和温度也不同，压力越低，饱和温度越低据这一物理性质我们可以消耗一定的机械功从低温热源向高温热源转移热量为了把冷藏库中的热量向外部转移，需安装蒸发器，蒸发器一般是铜质盘管，盘管中通有液态制冷剂为了能够使盘管中的液态制冷剂吸收冷库中的热量而汽化，需要将盘管中的液态制冷剂温度降到冷库的温度以下也就是说，需要将盘管中的压力降到和沸腾汽化温度相对应的饱和压力值由于盘管中的制冷剂是不断流动的，为了保持盘管的压力稳定，必须要把蒸发器中沸腾汽化的制冷剂不断地抽出来，并将这气态的制冷剂重新转变成液态制冷剂来循环使用，在此，就需要使得气态的制冷剂放热，船舶上多用海水对制冷剂进行冷却，但由于从蒸发器出来的制冷剂蒸汽蒸发压力较低，相对应的饱和温度也较低，通常是低于舷外的海水温度，因此直接使用舷外的海水作为冷却水来进行冷凝是不行的，如果要想使用舷外海水，就必须提高制冷剂蒸汽的饱和温度到海水的温度以上，从而给制冷剂蒸汽提供冷凝放热的条件这个提高制冷剂蒸汽的饱和温度的过程就需要压缩机来完成经过压缩机压缩后的制冷剂蒸汽的温度要高于海水的温度，因此当制冷剂蒸汽被送到冷凝器后便向海水放热并冷凝成液态的制冷剂但由于冷凝器出来的的液态制冷剂的压力和温度都相对较高，为了能够使制冷剂能在蒸发器内低于被冷却的对象的温度而吸热汽化，就必须设法降低液态制冷剂的压力来获得较低的饱和温度，因此在冷凝器和蒸发器之间要装有节流元件节流元件一般是膨胀阀，其主要作用是使相对较高的液态制冷剂在流过节流元件的小孔时能够降低压力，以便得到较低的饱和温度，而给制冷剂在蒸发器中沸腾汽化吸热创造条件经过节流元件降压后的制冷剂，在进入蒸发器后，由于其饱和温度低于冷藏库的温度，因此制冷剂在蒸发器内流动时可吸热汽化，完成制冷工作221压缩机部分压缩机部分包括一个带有高压开关的压缩机，排气压力变换器dischargprssurtransducr），吸气压力变换器(suctionprssurtransducr),供气温度传感器supplytmpratursnsor）,供气记录传感器supplyrcordrsnsor）,周围环境传感器ambintsnsor）,以及各种阀压缩机被人们视为所有制冷系统的心脏，表示压缩机特征的专用名词是“蒸汽泵”压缩机实际承担的责任是提高压力，并将气体从吸气压力状态提高为排气压力状态压缩机的工作原理：压缩机内由压缩机吸气阀充满整个汽缸的是制冷蒸汽，此冷蒸汽含有在蒸发器内吸收的热量，压缩机将此载热蒸汽送至冷凝器，再由冷凝器将此来自系统的热量排放出去排出压缩机的蒸汽温度很高，在排气压力为169psig的情况下，压缩机排气管线的温度可达200F，甚至更高222蒸发器部分蒸发器部分包括温传感器thrturntmpratursnsor）,湿度传感器humiditysnsor）,热力膨胀阀thrmostaticxpansional）,吸气压力调节阀suctionmodulational）,两个蒸发器风机dualaporatorfans）,蒸发器线圈和加热器，除霜温度传感器dfrosttmpratursnsor）,温度控制器hattrminationthrmostat），吸气温度传感器suctiontmpratursnsor）制冷系统的蒸发器的职责是从被冷却的任何介质中吸收热量并将热量输入系统要实现这一吸热过程，蒸发器的盘管温度就必须低于被冷却的介质的温度蒸发器的工作原理：液态制冷剂在进入蒸发器的膨胀器时变为蒸汽，并将剩下的液态制冷剂冷却至蒸发器的沸点温度，这是由膨胀阀两端的压力降产生的结果当温度相对较高的液态制冷剂通过膨胀器上的小孔进去膨胀阀蒸发器侧低压端时，一部分液态制冷剂就会闪蒸成为气态制冷剂当部分液态、气态的混合态制冷剂经过蒸发器时，大部分的液态制冷剂均汽化为蒸汽，这也是其在盘管内从蒸发器的冷却对象中吸收热量的结果最后，在接近蒸发器末端处，液态制冷剂全部转化为蒸汽图222蒸发器示意图223冷凝器部分冷凝器部分包括水冷凝部分和水冷凝部分水冷凝部分包括冷凝器condnsr），水压开关watrprssurswitch）,视镜sightglass），干燥器filtrdrir），节流元件conomizr），泄气密闭阀unloadrsolnoidal），套管watrcouplings），液体喷射阀liquidinjctional），节流膨胀阀conomizrxpansional），节流密闭阀conomizrsolnoidal）图2231水冷式冷凝器示意图单机制冷量小于25kw的船用制冷机组，可用套管式冷凝器其工作原理：冷却水在内管中流动，流向是下进上出，高压气态的制冷剂则从上部进入外套管内，冷凝后的液体从下部流出水冷凝器一般使用在冷水是充足的而周围环境的空气温度相对较高的环境中风冷式冷凝部分包括冷凝风机condnsrfan），冷凝线圈condnsrcoil），储液筒rcir），视镜sightglass），液线检修阀liquidlinsrical），干燥器filtrdrir），可熔安全塞fusiblplug），节流元件conomizr），泄气密闭阀unloadrsolnoidal），液体喷射阀liquidinjctional），节流膨胀阀conomizrxpansional），节流密闭阀conomizrsolnoidal）图2232风冷式冷凝器示意图风冷式冷凝部分工作原理：来自压缩机的制冷剂蒸汽从顶部进入冷凝器，而冷凝器风机把空气从底部向上吹，来吸取制冷剂蒸汽中的热量224节流元件节流是制冷循环中必不可少的四个主要过程之一船舶制冷装置中主要使用热力膨胀阀来进行节流节流元件的工作原理：当制冷剂流体通过一小孔时，一部分静压力转变为动压力，流速急剧增大，成为湍流流动，流体发生扰动，摩擦阻力增加，静压下降，使流体达到降压调节流量的目的热力膨胀阀的工作原理：膨胀阀是安装在蒸发管进口管上，其感温包被缚在蒸发器的出口管上进入蒸发器的液态制冷剂在蒸发器的盘管中吸收热量蒸发，当制冷剂流到出口时已经成为过热的蒸汽，那么在出口的感温包就会感受到此处的制冷剂温度，使得感温包内低沸点的充剂对应的产生一个饱和压力，此压力会经过毛细管传到膜片上，经过膜片、传动块、和传动杆产生一个向下的开阀力，，而由针阀节流后的制冷剂蒸发压力和传动杆传来的调节弹簧的张力将会产生一个向上的关阀力，那么向上的关阀力和向下的开阀力会在膜片上进行比较如图所示，如果冷库的热负荷增大，那么过热蒸汽部分9将会缩短，即冷库吸收的热量增大，使得感温包的感受到此处的温度减小制冷剂随着在蒸发器的盘管中的流动而温度下降），对应的在感温包内产生的饱和压力也会减小，即传到膜片4处得压力减小，使得在膜片上产生的向下的关阀力减小，针阀向下移动，阀孔增大，制冷剂的流量增加反之，冷库的热负荷减小，蒸汽的过热度增加，开阀力就会小于关阀力，使得阀孔减小，流量减少膨胀阀就是这样根据蒸发器出口处制冷剂的过热度的变化，改变阀孔的面积，控制蒸发器中制冷剂的流量，从而达到使得蒸发器出口处的制冷剂在整定范围内，并且使得蒸发器的制冷能力与热负荷的的变化向对应第三章船舶冷藏系统的自动控制31自动控制自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用外界的设备或装置控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程被控对象）的工作状态或参数被控制量）自动的按照预定规律进行此处需要进步叙述）图311冷藏系统的温度自动调节示意32自动化控制装置冷藏装置的自动控制可以分解为三个基本部件：传感器检测系统状态的变化控制器将控制输出的信号发送给受控装置控制装置发出响应，关闭、启动、调节系统的水、空气、以及制冷剂的流量传感器是将对状态变化做出响应的装置在此系统中，传感器主要是对温度、空气的流速、湿度、水位以及压力等做出的反应传感器将信号凡是发送至控制装置，然后控制装置将一个纠正信号发送至受控装置自动控制元件：温度控制器，湿度调节器，压力调节器，继电器，以及开关等传感器而受控装置是各种阀门、风机、泵、压缩机、和风机图321冷藏系统的温度自动调节原理图制冷装置自动调节的首要任务是在负荷及外部条件变化时，及时通过适当的调节作用保证制冷工艺要求的温控指标，并使制冷系统的工况始终维持在合理、安全范围内，要确保制冷系统能够正常运行，并达到要求的运行参数指标，就要对制冷系统许多热工参数进行控制，控制参数为温度、湿度、压力、流量、液位而最终的调节参数是温度，冷藏装置的自动控制系统的目的就是将温度稳定在设置点温度可允许范围内波动321船舶冷藏装置的运行状态冷藏装置的运行状态分为：标况运行，节流运行，空载运行标况运行时，节流元件和泄气密闭阀都是不工作的，压缩机运行，制冷剂被压缩成高压、高温气体，此气体通过管道来到冷凝器，由于冷凝器的冷凝线圈冷却气体，吸收一部分热量后，制冷剂气体会被冷却成液态，并且流进储液筒液态制冷剂将会继续流进液线、干燥器和节流元件，干燥器可以使制冷剂干净并且干燥，由于节流元件密闭阀在标况运行时是闭合状态，因此液态制冷剂不会通过节流元件密闭阀，液态制冷剂通过节流元件后会到达蒸发机的膨胀阀，液态制冷剂通过膨胀阀变化的小孔后，一部分液态制冷剂被闪蒸为气态，在蒸发器线圈中，液态制冷剂吸收冷库空气中的热量，最终变为气态，并通过吸气压力调节阀流进压缩机船舶冷藏装置系统是配备有水压开关的，当水有足够压力开启开关时，冷凝风机是关闭的，一旦水的压力不足开启开关时，冷凝风机会自动启动转换成风冷式冷凝，即当开关在“O”位置时冷凝风机停止，当开关在“I”位置时冷凝风机启动图3211标况运行的示意图节流运行时，制冷剂流经系统压缩机，冷凝器，蒸发器与标况运行是一样的，只是泄气密闭阀是关闭的，而节流密闭阀打开，那么液态的制冷剂会流进节流元件，而在节流元件内部通过节流膨胀阀的液态制冷剂管路与将要通过蒸发器膨胀阀的液态制冷剂管路会相遇，通过膨胀阀的液态制冷剂会具有相对较低的饱和压力，即饱和温度较低，因此通过膨胀阀的液态制冷剂会从没有通过膨胀阀的液态制冷剂中吸取热量而汽化，但是这汽化的气态制冷剂相比通过蒸发器的制冷剂蒸汽来说具有较高的饱和压力，因此压缩机需要较少的能量来压缩这部分过热制冷剂蒸汽，但是这种运行工况会减少压缩机真正用于制冷的容量图3212节流运行的示意图空载运行时，液态制冷剂流经主冷藏装置系统是同标况运行一样的，只是此时节流密闭阀是关闭的，泄气密闭阀是打开的，泄气密闭阀打开后会创建一条支路从节流检修阀出发经过泄气密闭阀和压缩机上的吸气压力调节阀到达压缩机因此一部分中期被压缩的制冷剂蒸汽会通过支路到压缩机，因此整体上减少压缩机的流量，从而降低制冷的能力，因此此运行模式运行在低载情况下或启动时当系统的负载渐渐增加时，吸气调节阀会减少阀门开度，来减少流到压缩机的制冷剂流量，此动作会保持压缩机流量和负载之间的平衡图3213空载运行的示意图322船舶冷藏装置的运行模式在冷藏系统运行的过程中，由于外界的温度要高于冷库内的温度，外界会向冷库内传递热量，因此要使冷库内保持低温，就必须不断地从冷库中转移出去热量，并且在必要时要对冷库进行制热因此整个冷藏过程可分为快速冷冻模式，降温模式，除霜模式，加热模式图3221运行模式间转换示意图如图3221所示，当空气循环时测试到空气的温度要低于设置点02度时，就要求系统从空载运行转变到节流运行，而当检测到空气的温度要高于设置点02度时，就要求系统对冷库进行制冷，即转变到降温模式ST开关CONTROLTRANSFORMER控制变压器TT膨胀旁路密闭阀继电器HPS高压开关TD制冷延时继电器PBPA压缩机相角检测仪IP内部保护器TN冷凝风机继电器TE高速蒸发风机继电器TV低速蒸发风机继电器CF冷凝风机接触器EF蒸发风机接触器高）ES蒸发风机接触器低）HTT温控器TH加热器继电器HR加热器接触器TU泄气密闭阀继电器USV泄气密闭阀TS节流密闭阀继电器ESV节流密闭阀XBSV膨胀旁路密闭阀T6压缩机相角序列继电器图3222降温模式原理图当供应气体温度高于设置点，并且继续升高，这时冷藏装置会启动冷凝风机，压缩机风机和蒸发风机，来进行冷凝，如图3222所示，一旦开关ST闭合，则电源通过控制变压器给电路通电，由于IP和TE为常闭开关，所以蒸发风机接触器高）EF通电闭合，同理上一支路通电，冷凝风机接触器CF通电闭合，以及有常闭开关TT、TD、T6、PB组成的支路通电使得压缩机相角接触器PA通电闭合，在这里PB和PA组成电气联锁避免两个接触器同时闭合形成短路此时冷凝风机，压缩机风机，蒸发风机全部运行随着系统运行，空气温度将会持续下降，当温度下降到高于设置点05度时，温度控制器将会给节流密闭阀发出断开信号，节流密闭阀继电器TS将会断开来关闭节流密闭阀，并且泄气密闭阀继电器TU会闭合来打开泄气密闭阀，使得系统从节流运行转变到空载运行一旦供气的温度低于设置点，则制冷延时继电器TD和冷凝风机继电器TN会断开使得压缩机风机和冷凝风机失电而停止运行，但此时蒸发风机将会持续运行若温度高于设置点02度时，制冷延时继电器TD、泄气密闭阀继电器TU和冷凝风机继电器TN将会重新闭合，使得压缩机和冷凝器再次运行图3223加热模式原理图如果空气温度低于设置点温度05度时，系统会进入加热状态，加热继电器TH将会闭合，电流流过常闭开关温控器接触器HTT，使得加热接触器通电闭合，由于加热器的运行工作，环境温度将会持续上升当温度升高到高于设置点02度时，加热继电器TH将会打开，使得加热器接触器失电断开，加热器停止工作，而蒸发风机会持续工作图3224快速冷冻模式原理图快速冷冻模式中，当供气温度高于设置点25度时，系统将进入快速冷冻模式，压缩机、蒸发器和冷凝风机工作，像降温模式一样，只不过此时蒸发风机被带入高速运行，冷库内空气的温度迅速下降，当供气温度高于设置点02度时，那么冷藏装置将会装变为节流运行，此时冷凝风机和压缩机运行，节流密闭阀打开，低速蒸发风机运行来进行制冷当风温度低于设置点02度时，制冷延时继电器TD，节流密闭阀继电器TS，冷凝风机继电器TN将会打开来使得压缩机停止工作，节流密闭阀关闭，冷凝风机停止工作而蒸发风机将以低速持续运行来循环空气图3225融霜模式原理图融霜模式，船舶冷藏装置采用外热型融霜，是使用安装在蒸发器的电加热装置来对蒸发器进行融霜融霜时，蒸发风机停止运行，压缩机停止运行后，加热得电，开始进行融霜如图3225所示当融霜时，制冷延时继电器TD，冷凝风机继电器TN，和高速蒸发风机继电器TETV）将会打开，使得压缩机，冷凝器，蒸发风机失电而停止工作控制器将会闭合加热器继电器TH使得加热器得电，当融霜温度传感器得到温度高于融霜温控器设置点温度时，融霜会停止，如果融霜没有正确停止，以至于温度高于加热器温控器的设置点温度时，温控器会打开使得加热器失电，从而停止融霜323船舶冷藏系统的控制电路系统由图3231船舶冷藏温度的自动调节系统的原理图，我们可以看出船舶冷藏系统的调节首先是从压缩机入手，接着调节蒸发器，因此来调节冷库里面的温度，由于时间有限，在此我们仅讨论压缩机的控制电路图3232为冷藏装置的制冷压缩机控制电路，制冷压缩机是由电动机D1带动，电动机的主电路从三相电源A、B、C、经过开关DAK1进入控制电路，然后经过接触器C的主触头，热继电器的发热元件再到电动机的接线柱D1、D2、D3，控制制冷压缩机的任务就是接通或断开接触器C1的线圈电流，从而使它的主触头闭合或断开，来控制电动机的启停控制电路从B、C引入380V电源，经过快速熔断器RD，到控制电路1、2两边第一行是接通C1线圈的通路，其中YLJ2是压力继电器低压）的触头，是自动控制制冷机启动HH1是操作转换开关，它放在“0”位置是“停止”，放在“1”位置是“准备”，放在“2”位置是“自动”继电器J1的常开触头闭合，YLJ2才能对C1进行自动控制EJ1热继电器的常闭触头）和YLJ1高压压力继电器的常闭触头）在正常工作时是闭合的，当转换开关HH1放在“1”位置时，J1线圈通电，76之间的J1常开自锁触头闭合，18间的J1触头也闭合为C1线圈通电做好准备当HH1放在“2”位置时，J1线圈由J1的自锁触头保持通电，这时84间已接通，C1线圈由YLJ2压力开关控制，当制冷压缩机吸入端的低压压力高于设定值上限时，YLJ2触头闭合，C1线圈通电，它的触头闭合，电动机启动同时控制电路110间的C1触头闭合，指示灯LD1绿）亮，表明制冷压缩机在运行而当制冷压缩机吸入端的压力下降到低于设定值的下限时，YLJ2触头断开，C1线圈失电，电动机停止工作，LD1灯熄控制电路第二行是保护电路，如果由于某种原因电源失压电压等于零），这时76间不通，线圈也不会再自动通电，而必须操作转换开关HH1重新使J1线圈通电，才能使制冷压缩机处于由低压开关自动控制状态，所以J1称为零压继电器，控制J1线圈断电76间的自锁触头断开的作用当电源恢复供电时，必须将HH1转换至“1”给J1供电，才能重新启动制冷装置，避免由于短时停电，制冷压缩机高、低压未能平衡，制冷装置自动启动而造成压缩机损坏当制冷压缩机排出压力超过高压设定值的上限时高压压力开关YLJ1触头打开，使得J1线圈失电，C1线圈也失电，C1触头断开，电动机停止工作，起高压保护作用排除故障以后，需要重新将HH1从“2”位置转到“1”位置，然后再转到“2”位置，制冷压缩机才能重新启动EJ1热继电器的常闭触头串联在J1线圈电路中，起过载保护作用控制电路中21、22是接通机舱集中操控台的故障报警电路，当HH1放在“2”自动位置时，2223接通，如果工作正常，J1线圈通电，2321间的J1常闭触头是断开的，当发生高压故障或过载故障时J1失电，它的常闭触头闭合，21、22遂接通机舱报警电路，控制电路2728也接通报警电路，HD为故障指示灯，DL为报警电铃图3231船舶冷藏温度的自动调节系统方框图图3232冷藏装置的制冷压缩机控制电路324PLC的介绍及程序的设计可编程序控制器ProgrammablControllr）缩写为PC，为了和个人计算机相区别，把可编程序控制器缩写为PLC可编程序控制器PLC）：一种用于工业环境的数字式电子系统这种系统用可编程序的存储器作面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、计数、运算等，通过数学或模拟的输入、输出，控制各种类型的机械或过程，可编程序控制器及其外围设备的设计，使它能够非常方便地集成到工业控制系统中，并能够很容易达到人们所期望的目标目前典型的PLC的功能主要如下十种1)开关量控制;2)模拟量控制;3)定时控制;4)计数控制;5)步进控制;6)数据处理;7)自诊断功能;8)定位控制;9)通讯联网功能;10)显示、打印功能可编程序控制器的特点如下：1）可靠性高，抗干扰能力强2）适应性强，应用灵活3）编程方便，易于使用4）控制系统设计、安装、调试方便5）维修方便、维修工作量小6）功能完善由于具有上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要工厂有控制要求的场合，就会有PLC的应用可编程序控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入、输出的响应是有滞后的图3241PLC的工作过程PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms图3242S7200扫描周期图3243PLC执行流程可编程序控制器的软件分为两大部分：系统软件和用户程序系统软件由PLC制造厂家固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作用户程序由可编程序控制器的使用着编入并输出，用于控制外部对象的运行用户程序是可编程序控制器的使用者针对具体对象编制的程序在小型可编程序控制器中，用户程序有三种形式：指令表STL），梯形图LAD）和顺序功能图SFC）S7200系列是一种可编程序逻辑控制器(MicroPLC)它能够控制各种设备以满足自动化控制需求S7200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7200成为各种控制应用的理想解决紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7200可以近乎完美地满足小规模的控制要求此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性S7200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数个I0点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，参见图34，下载程序之后，S7200就可以按照逻辑关系监控I0设备从而实现您的应用要求图3244S7200PLC1）所需设备上图展示了一个基本的S7200MicroPLC，包括一个S7200CPU模块，一台个人计算机，STEP7MICROWIN32编程软件，以及一条通讯电缆为了使用个人计算机，必须以下设备：一条PCPPI电缆、一个通讯处理器、多点接口电缆、一块MPI卡、随提MPI供一根通讯电缆2)内部结构一台S7200MicroPLC包括一个单独的S7200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块S7200CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字量IO点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中CPU负责执行程序和存储数据以便对工业自动控制任务或过程进行控制输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、发电机、以及工业过程中的其他设备电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力通讯端口允许将S7200CPU同编程器或其他一些设备连接起来状态信号灯显示了CPU的工作模式，本机IO的当前状态，以及检查出的系统错误通过扩展模块可增加CPU的IO点数，通过扩展模块可提供其通讯性能一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡，EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中，通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间S7200CPU模块提供了一定数量的本机IO，扩展模块提供了附加的输入输出点PLC的通讯现场总线技术的核心是它的通讯现场总线的出现使传统的自动化系统产生了革命性的变革它改变了传统的信息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也改变了系统的设计和调试通信协议是指通信双方的一种约定，为使数据通信能够顺利进行，而在通信双方间就如何交换信息而建立的一些规定和过程，称为数据通信控制规程或称传输控制规程．在计算机网络中称为协定通讯协议的种类有很多种，下面我们主要介绍我们所使用的两种协议：PROFIBUS协议和PPI协议1）PROFIBUS协议PROFIBUS现场总线是基于OSI模型，采用OSI模型中的物理层、数据链路层、应用层PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式PROFIBUS有三种类型，即PROFIBUS－DP分散外部设备）、PROFIBUS－PA过程自动化），PROFIBUS－FMS现场总线报文规范）使用PROFIBUS－DP工业现场总线技术，由于减少了用于连接分散的输入／输出设备的电缆，因此工厂的仪器设备的机械安装、连接和布线方面成本特别低所以在监测方面我们采用PROFIBUS－DP通信协议2）PPI协议PPI协议用于点对点接口,它是一个主从协议其特点是当主站向从站发送申请或查询时,从站才对其响应，从站不进行信息初始化对于任何一个从站有多少个主站和它通信,PPI没有限制，但在网络中最多只能有32个主站PLC和个人计算机的通讯在运行STEP7MicroWIN的个人计算机和PLC之间建立通讯取决于安装的硬件如果仅使用PCPPI电缆连接计算机和PLC，只需连接电缆，接受安装STEP7MicroWIN软件时，在STEP7MicroWIN中为个人计算机和PLC指定的默认参数即可可以在任何时间建立通讯或编辑通信设置建立通讯通常要求的任务有：在PLC和运行STEP7MicroWIN的个人计算机之间连接一条电缆对于简单的PCPPI连接，将调度设为9600波特、DCE、11位供选用：核实STEP7MicroWIN中的PLC类型选项与所用的PLC实际类型相符如果使用简单的PCPPI连接，可以接受安装STEP7MicroWIN时在“设置PGPC接口”对话框中提供的默认通讯协议否则，从“设置PGPC接口”对话框为个人计算机选择另一个通讯协议，并核实参数站址、波特率等）供选用：核实系统块的端口标记中的PLC配置站址、波特率等）如有必要，修改和下载更改的系统块测试通讯网络1）在STEP7MicroWIN中，点击浏览条中的通讯图标，或从菜单选择检视>组件>通讯图32452）从通讯对话框的右侧窗格，单击显示双击刷新的蓝色文字图3246如果成功地在网络上的个人计算机与设备之间建立了通讯，会显示一个设备列表及其模型类型和站址）STEP7MicroWIN在同一时间仅与一个PLC通讯会在PLC周围显示一个红色方框，说明该PLC目前正在与STEP7MicroWIN通讯可以双击另一个PLC，更改为与该PLC通讯PLC编程的操作流程1）在界面上“文件”选项中点击“新建”，打开一个新的工程图32462）利用标题栏上的“符号集合”将程序梯形图画好图32473）画好程序梯形图后，保存，起好工程名见图29）4）将编好的程序下载到PLC设备中见图210）5）将程序设置到“运行”模式见图211）6）运行时，梯形图左边的母线会变成蓝色，相应状态的单元也会变成蓝色，代表有“能流”通过见图212）7）如果要将程序从新开始运行，这时需要对PLC进行“上电复位”见图213）图3248图3249图32410图32411图32412制冷机主要由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流元件、和蒸发器压缩机将蒸发器中的过热制冷剂蒸汽吸入，并将其压缩升温至冷凝压力，然后排至冷凝器被冷却在冷凝器内，高温高压的制冷剂蒸汽被降温冷凝成液体而在冷凝的过程中，制冷剂蒸汽放出的热量被冷却介质带走之后，制冷剂液体被排出冷凝器，通过节流元件，制冷剂压力有冷凝压力降低到蒸发压力节流元件后的制冷剂液体进入蒸发器，在这里制冷剂液体吸收热量蒸发成气体，同时吸收被冷却的物质的热量，从而实现制冷模拟量输入是对蒸发器输出端的空气风温度的采集，通过对温度的采集后，进行PID计算，后得出的结果进行控制，以调节蒸发器、压缩机、节流元件、冷凝器的运行PLC的工作原理：PLC的工作过程可分为建立IO映像区、循环扫描IO映像区的大小由用户程序确定，对于系统的每一个输入或输出点总有输入或输出映像区的某一位与之对应，PLC在执行用户程序时所需要的外部信息取自与IO映像区，而不直接与外部设备发生关系IO映像区的建立，使PLC工作时只和有关地址单元内所存信息状态发生关系，系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态当PLC通电后在系统程序的监控下，周而复始地按规定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，用户程序执行、输入输出信息处理图32413温度控制的流程图由图3241程序的的流程图我们看到，由模拟量输入是对蒸发器空气风口温度进行的采集，后来判断是否处于融霜状态，因为融霜时所有的设备都必须停止工作，接着进行PID运算后，使用PID计算出来的结果来进行控制压缩机等冷藏设备，然后再对蒸发器空气风口温度进行采集，周而复始，循环运行冷藏系统选用PLC为S7200系列CPU224，PLC的输入、输出地址分布，具体见表3241 PLC输入地址 定义 PLC输出地址 定义 I00 启动 Q01 压缩机风机 I01 融霜 Q02 吸气阀 Q03 压缩机 Q07 制热 Q10 融霜 Q11 低速 Q12 高速 Q13 节流 Q14 冷凝表32414PLC输入、输出地址分布PLC的连线图见图32415图32415冷藏系统温度控制PLC的接线图PLC程序在船舶冷藏装置中的应用图32416程序此段程序是网络1调用子程序，网络2和网络3是对模拟量采集，每2秒进行一次采样图32417程序图32417为压缩机控制网络，当压缩机风机在非融霜状态情况下工作，压缩机风机运行后，延时3秒后，压缩机的吸力阀工作，当压缩机和吸力阀同时工作时，才允许压缩机进行工作图32418程序图32419程序图32418温度比较网络，当高于设置点1时开始制冷，当高于设置点1但小于高于设置点3时，蒸发风机低速运行，当高于设置点3以上时蒸发风机高速运行图32419为蒸发风机的控制网络图32420程序图32420为融霜控制网络当需要融霜时，打开融霜开关，同时制热开始运行小结：上面的程序基本可以实现了以PLC为核心控制器件并基于温度控制的船舶冷藏装置的自动控制系统结论由英格索兰公司的船舶冷藏系统的原理图，分析出船舶冷藏系统的组成以及工作条件，并由此用PLC为S7200系列CPU224设计由温度控制的船舶冷藏系统船舶冷藏系统的组成是由压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器压缩机做功将低压气态的制冷剂压缩成高压的气态制冷剂蒸汽，后经过冷凝器，在冷凝器中被冷却成液态的高压制冷剂，在节流元件处，被降压成低压的液态的制冷剂液体，之后通过蒸发器吸收热量转变为低压的气态的制冷剂，最后，流压缩机循环使用本文设计的船舶冷藏系统的自动控制程序实现了船舶运行所需的经济性图22冷藏装置的工作示意图1压缩机2排气检修阀3高压开关4冷凝线圈5储液筒6泄压阀7视镜8干燥器9热交换器10蒸汽喷射阀11节流器膨胀阀12蒸发器膨胀阀13蒸发器线圈14加热器15低压开关16控制阀17吸气检修阀图2241膨胀阀的实物图图2242膨胀阀的调节原理图