劉煥衛(wèi),周秋淑,王培鳳,王德法

(1.煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005;2.煙臺萬德嘉空調(diào)設備有限公司,山東 煙臺 264000;3.山東東方海洋科技股份有限公司,山東 煙臺 264003)

應用技術(shù)

小型冷庫PLC自動控制系統(tǒng)設計及試驗

劉煥衛(wèi)1,周秋淑1,王培鳳2,王德法3

(1.煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005;2.煙臺萬德嘉空調(diào)設備有限公司,山東 煙臺 264000;3.山東東方海洋科技股份有限公司,山東 煙臺 264003)

為解決小型冷庫能耗高、溫度波動大的問題,采用PLC自動控制系統(tǒng),并對其進行了上、下位機程序設計和制冷性能實驗．結(jié)果表明:小型冷庫制冷系統(tǒng)制冷量與壓縮機輸入功率隨著壓縮機頻率的升高而增大,而系統(tǒng)性能系數(shù)COP隨著壓縮機頻率的升高而降低,但仍高于3.7,表明采用PLC自動控制運行的小型冷庫具有較好的節(jié)能特性．采用PLC自動控制策略的小型冷庫溫度波動±0.3℃,且能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守自動運行．

小型冷庫;自動控制;頻率;制冷性能

隨著人民生活水平的提高,對小型冷庫的需求越來越大,與此同時對冷庫溫度的波動要求越來越小[1]．目前,小型冷庫多采用繼電器邏輯電路組成的控制器,但是這種控制策略造成冷庫能耗高、冷庫溫度波動大以及冷庫溫度調(diào)節(jié)滯后等缺點[2]．可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC[3-6]),它采用一類可編程的存儲器,用于其內(nèi)部存儲程序,執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)．其具有多級、開放、模塊化、可擴展的特點,可為冷庫全自動控制提供解決方案,并能確保制冷系統(tǒng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定、節(jié)能運行[7]．因此,其廣泛應用于冷庫制冷系統(tǒng)的自動控制．張君艷等[8]對PLC在小型冷庫恒溫控制系統(tǒng)中的應用進行了研究,給出了制冷系統(tǒng)的設計要求、PLC控制的工藝流程及PLC的程序圖．李忠等[9]將PLC控制系統(tǒng)和變頻器對半封閉螺桿壓縮機進行控制并對其進行了變頻調(diào)節(jié)研究,達到了大型冷庫節(jié)能降耗的目的．本文對實驗室一小型冷庫制冷系統(tǒng)采用PLC自動控制,對其上、下位機程序進行了設計,并進行了制冷性能實驗研究．

1 小型冷庫制冷系統(tǒng)

小型冷庫制冷系統(tǒng)原理如圖1．該制冷系統(tǒng)主要設備包括2臺并聯(lián)的變頻渦旋壓縮機、蒸發(fā)式冷凝器、冷風機、膨脹閥以及一些輔助設備,如油分離器、氣液分離器、高壓貯液器、截止閥、干燥過濾器等組成．

系統(tǒng)回路包括高壓氣體回路、高壓液體回路、低壓氣體回路、低壓液體回路、潤滑油回路．渦旋壓縮機可通過變頻器在30～100 Hz頻率范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)．蒸發(fā)器出口的過熱度通過電子膨脹閥來調(diào)節(jié)．

該小型冷庫試驗系統(tǒng)采用上、下位機自動控制系統(tǒng)和運行監(jiān)控界面予以實現(xiàn)自動且無人值守運行．為此,小型冷庫制冷系統(tǒng)采用PLC S7-200CPU型號,其模塊配置如表1．

圖1 小型冷庫制冷系統(tǒng)原理

表1 PLC模塊及其功能參數(shù)

上、下位機控制界面分為自動運行監(jiān)控界面(圖2,圖3)、壓縮機運行監(jiān)控界面、膨脹閥運行監(jiān)控界面、變頻器運行監(jiān)控界面等．

圖2 上位機自動控制監(jiān)控界面

圖3 下位機程序設計

2 實驗及數(shù)據(jù)處理

對采用PLC自動控制的小型冷庫進行了實驗研究．重點分析冷庫溫度隨運行時間波動變化規(guī)律,以及反應制冷系統(tǒng)能耗指標的制冷系統(tǒng)制冷量、壓縮機輸入功率以及制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP與壓縮機頻率的關(guān)系．

實驗通過PLC自動調(diào)整壓縮機頻率來實現(xiàn)冷庫溫度的精確控制,實驗參數(shù)由上位機實時顯示并自動保存．圖4為制冷系統(tǒng)壓焓圖．

圖4 制冷系統(tǒng)p-h

制冷系統(tǒng)單位制冷量(kJ/kg),q0=h1′-h5;

壓縮機單位比功(kJ/kg),w0=h2-h1′;

該制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量(kg/s),qm=qv/3 600v;

其中:h1′、h2、h5分別為制冷劑各狀態(tài)點比焓值(kJ/kg);qv為制冷劑體積流量(m3/h);v為壓縮機吸氣狀態(tài)比體積(m3/kg)．

3 實驗結(jié)果及分析

壓縮機頻率對制冷系統(tǒng)性能影響較大,本實驗主要研究壓縮機頻率對制冷系統(tǒng)性能的影響規(guī)律．圖5為制冷系統(tǒng)制冷量與壓縮機頻率的關(guān)系．

圖5 制冷量與壓縮機頻率關(guān)系

由圖5可以看出,隨著壓縮機頻率的增加,系統(tǒng)的制冷量呈現(xiàn)出增大的趨勢,壓縮機頻率由40 Hz增加到80 Hz,制冷量由25 kW左右增加到50 kW左右,這是因為當壓縮機的頻率增大時,轉(zhuǎn)速隨之增大,輸氣量又與轉(zhuǎn)速成正比,就會造成壓縮機的輸氣量增加,從而使得系統(tǒng)的制冷劑流量增加,系統(tǒng)制冷量隨之增大．

圖6為壓縮機電功率與壓縮機頻率的關(guān)系．由圖6可知,隨著壓縮機頻率由40 Hz增加到80 Hz,壓縮機輸入功率由5.4 kW左右增大到了13.3 kW左右．這是因為隨著壓縮機頻率的增加,壓縮機的轉(zhuǎn)速增加,而電機的輸入功率的變化率是轉(zhuǎn)速變化率的三次方,因而壓縮機輸入電功率增大．

圖6 壓縮機功率與機頻率的關(guān)系

圖7為制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP與壓縮機頻率的關(guān)系．由圖7可知,隨著壓縮機頻率的增大,制冷系統(tǒng)的COP隨之下降,COP從4.67下降到3.73左右．分析原因為制冷量和輸入功率與壓縮機轉(zhuǎn)速也近似呈正比關(guān)系,這就意味著蒸發(fā)器和冷凝器之間的傳熱負荷與相應的傳熱溫差增大,當室內(nèi)、外環(huán)境溫度不變的條件下,冷凝溫度升高,蒸發(fā)溫度降低,就造成壓比pk/p0增大,相應的系統(tǒng)所消耗的電功率就增加,而系統(tǒng)的制冷量增加的速度比電功率增加的小,從而就使性能系數(shù)減少,分析結(jié)果與文獻[10]較為吻合．

圖7 制冷系統(tǒng)COP與壓縮機頻率的關(guān)系

由圖7可知,小型冷庫制冷系統(tǒng)COP在壓縮機頻率80 Hz時仍高于3.7．

圖8為PLC自動控制時冷庫內(nèi)溫度的變化曲線．由圖8可知,隨著運行時間由9:00至21:30,冷庫在自動控制狀態(tài)下,庫內(nèi)溫度的最大值為2.3 ℃,最小值為1.9 ℃,溫度波動范圍較小,且晝夜溫度變化不明顯,受夜間環(huán)境溫度變化的影響較?。ㄟ^自動調(diào)節(jié)使庫內(nèi)溫度維持在控制范圍內(nèi),滿足了庫內(nèi)儲藏食品的需求．

圖8 PLC自動控制時庫內(nèi)溫度變化曲線

Fig.8 Temperature variation curve of cold storage with PLC au-tomatic control

4 結(jié) 論

對小型冷庫實驗系統(tǒng)采用PLC上、下位機自動控制系統(tǒng)設計并對其制冷性能進行了實驗研究．結(jié)論有2點.

(1)壓縮機頻率在40～80 Hz內(nèi)變化時,制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP高于3.7,表明采用PLC自動控制運行的小型冷庫具有較好的節(jié)能特性和部分負荷特性．

(2)采用PLC自動控制策略的小型冷庫溫度波動±0.3℃,且能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守自動運行．

[1] 胡云峰, 李喜宏,朱志強,等.果蔬保鮮溫度梯度試驗冷庫的設計與效果分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005, 21(7):132-135.

[2] 羅曉珍.PLC在小型冷庫控制系統(tǒng)中的應用[J].機械工程與自動化,2010(2):164-165.

[3] 張洪臣, 任益夫, 李鳳麗, 等. 基于PLC的農(nóng)村小型冷庫微電腦控制系統(tǒng)設計及試驗[J]. 農(nóng)機化研究, 2011,5:162-165.

[4] 葉翠安, 吳晶, 盧曉春, 等. PLC技術(shù)在冷庫自動控制中的應用[J]. 機電工程技術(shù), 2010,39(7):116-118.

[5] 周曉龍, 呂恩麗, 陸華忠, 等. 果蔬氣調(diào)貯運保鮮環(huán)境控制技術(shù)發(fā)展研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2013,10:242-244.

[6] 單海校. PLC在小型冷庫壓縮機控制系統(tǒng)中的應用[J]. 浙江海洋學報:自然科學版, 2004,23(1):87-90.

[7] 胡日剛.淺談PLC控制在自動化冷庫中的應用[J].制冷與空調(diào),2013,13(6):16-18.

[8] 張君艷,石桂榮. PLC在小型冷庫恒溫控制系統(tǒng)中的應用[J]. 機械制造與自動化,2009,38(6):156-160.

[9] 李忠,常雪華,李子彥. PLC控制條件下變頻器在螺桿壓縮機制冷中的運用[J]. 食品工業(yè),2014,35(5):182-184.

[10] 王周,連之偉,范曉偉,等.高溫熱泵壓縮機頻率對循環(huán)參數(shù)的影響[J].流體機械,2009, 37(5):5-8.

(責任編輯 蘇曉東)

PLC Automatic Control System Design and Experiments of Cold Storage

LIU Huan-wei1, ZHOU Qiu-shu1, WANG Pei-feng2, WANG De-fa3

(1.School of Ocean, Yantai University,Yantai 264005, China;2. Yantai Wandejia Air-conditioning Equipment Co., Ltd,Yantai 264000, China;3. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China)

In order to solve problems of the high energy consumption and large temperature fluctuation of cold storage, PLC automatic control system is applied to the cold storage, and program of the master and slave computer is designed. Furthermore, the cooling performances are also experimentally investigated. The experimental results show that the cooling capacity and compressor input power are direct ratio with compressor frequency, but the coefficient of performance(COP) is reverse with it. The COP is above 3.7 in different frequency, which indicates that the cold storage with PLC automatic control system has good energy saving character. Furthermore, the temperature fluctuation of cold storage with PLC automatic control strategy is ±0.3℃, and the cold storage could complete unattended operation.

cold storage; automatic control; compressor frequency; cooling performance

1004-8820(2015)04-0303-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.013

2014-11-27

山東省自然科學基金資助項目(ZR2015EL033);煙臺大學博士啟動基金(HX12B7)．

劉煥衛(wèi)(1982- ),男,山東臨沂人,講師,博士,研究方向為燃氣機熱泵,新型替代制冷劑.

TB66;TP273

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