螺杆制冷压缩机组PLC控制系统

1、自动化技术与应用2006年第25卷第7期1引言自我国第一台螺杆式制冷压缩机试制成功以来,经过多年的技术改造,有了较大的改进,但与国外先进的螺杆式制冷压缩机比较还有一定的差距。国外螺杆式制冷压缩机都普遍采用了智能型微机控制系统,可靠性高,便于冷量调节。国内采用计算机控制螺杆制冷压缩机的研究应用起源于20世纪90年代初,经历了单片机、工控机、P L C (可编程序控制器的结构过程,控制方式也经历了顺序逻辑、P I D 闭环、智能控制等过程。采用P L C 控制,既可解决运行的可靠性问题,又可灵活实现机组的单台控制和现场总线组网运行,是目前较为理想的工业控制现场首选设备。本文介绍一套采用西门子S 7

2、-200系列P L C 控制的螺杆制冷压缩机组控制器。2螺杆制冷压缩机组基本工作原理螺杆制冷压缩机组微机控制系统是根据被制冷对象螺杆制冷压缩机组P L C 控制系统肖风华(中南民族大学,湖北武汉430074摘要:本文介绍了一套采用西门子S7-200系列PLC 完成的螺杆制冷压缩机组控制系统。采用模糊控制技术完成冷量控制。在算法实现上结合机组的特点完成,实际运行效果良好。关键词:螺杆制冷压缩机;PLC;模糊控制中图分类号:TM571.61文献标识码:B文章编号:1003-7241(200607-0064-05PLC Control of The Screw Refrigerating Compr

3、essorXIAO Feng-hua(South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,ChinaAbstract: This paper introduces the control of the screw refrigerating compressor with the Siemens series S7-200 PLC. The fuzzycontrol technique is used to control the refrigerating capacity.Keywords: screw refrigerating

4、 compressor; PLC; fuzzy control收稿日期:2005-11-15的温度或压力要求,采用工业控制微机实现对制冷机组控制和保护的全面监控系统。我国目前已能生产双螺杆式制冷压缩机,转子公称直径从91mm到315m m,标准工况(-15/30制冷量从38KW 到2470KW,已形成开启式、半封闭式两大系列螺杆式制冷压缩机。螺杆制冷压缩机是工作容积作旋转运动的容积式压缩机。气体压缩是依靠工作容积缩小来实现的,而工作容积的变化又是通过压缩机的一个或几个转子在气缸里作高速旋转运动来达到的。在其容积周期性地扩大和缩小的同时,空间位置也在不断变化。只要在气缸上合理地配置吸气和排气孔口

5、,就可以实现吸气、压缩和排气等基本工作过程。压缩机组的结构形式主要有:螺杆式制压缩机、电机、油分离器、油冷却器、冷凝器、经济器冷却器、蒸发器等组成。螺杆制冷压缩机中对压缩量的调节常采用能量滑阀调节,即在两个转子高压侧,装上一个能够轴向移动的滑阀,来调节能量和卸荷启动。利用滑阀在螺杆的轴向移动,以改变螺杆的有效轴向工作长度,使能量在100%和0%之间连续无级调节。4PLC 与DCSPLC and DCS自动化技术与应 用2006年第25卷第7期为了保证螺杆式制冷压缩机的正常运转,必须配置相应的辅助机构,如润滑油的分离和冷却,能量的调节控制装置,安全,保护装置和监控仪表等。通常生产厂多将压缩机、驱

6、动电机及上述辅助机构组装成机组,称为螺杆式制冷压缩机组。4螺杆式制冷压缩机组的基本工作流程为:压缩机从吸气口吸入低压气体和润滑机油,经压缩机压缩后成为高温高压气体,通过油分离器将油、气分离,润滑机油经油冷却器冷却后送回吸气口循环使用;而高温高压气体经节流后进入冷凝器,经冷凝器冷凝后成为常温高压气体,该气体经节流后进入蒸发器,气体在蒸发器中迅速减压蒸发,同时吸收蒸发器环境中的热量实现制冷;蒸发后的气体成为低压气体再送回压缩机吸气口进行新一轮循环。调节压缩气体的压缩比可以实现对制冷量的控制。3控制器设计原理螺杆制冷压缩机组的工作过程中对制冷量的控制属于大惯性纯滞后环节,控制参数会随着环境温度、吸气

7、压力、排气压力、油温、油压等参数的变化而发生不确定变化。因此对该系统采用模糊控制方案,可以取得良好的控制效果。本控制器采用双输入单输出的模糊控制器。在控制过程中,不仅对实际误差自动进行调节,同时还对实际误差变化进行调节,这样才能保证系统稳定,并且采用死区环节控制,使得系统不致产生振荡。如图1所示。图1中,e为实际误差;ae 为误差比例因子,ec为实际误差变化;ac为误差变化比例因子;U为控制量,au为控制量的比例因子。设置输入输出变量的论域,并预置常数ae 、ac、au,误差e-6,6,且n=6,则得误差的比例因子ae=6/ 6=1,这样就有E=ae *e=e采用就近取整原则,得E的论域为X=

8、-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6而误差的语言变量在论域X中有8个语言取值,即A1A2A3A4A5A6A7A8含义分别为:正大正中正小正零负零负小负中负大若误差的变化ec-6,6,且m=6,则采用上面类似的方法得EC的论域为Y=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6误差的变化的语言变量在论域Y中有七个语言取值,即B1B2B3B4B5B6B7含义:正大正中正小零负小负中负大同样,控制量的论域及其所取的语言值,即Z=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7控制量U在论域

9、Z中的7个语言值为C1C2C3C4C5C6C7含义:正大正中正小零负小负中负大一般采用以模糊条件语句描述的一组模糊控制规则,即i:ifE=i AandEC=i BthenU=i Ci=1,2,m其中i A、i B和i C分别为误差、误差变化和控制量对应论域上的模糊集,它们代表诸如正大、正中、负大之类的一些词。该模糊条件语句式可由一个X×YZ的模糊关系i R来描述:i R=(i A×i B×i Ci=1,2,muiR(x,y,z=ui A(xui B(yui C(zi=1,2,m若系统的误差和误差的变化分别为模糊集和,则根据推理合成法则可得对应于每一条控制规则,控制

10、器的输出i U为从而得控制器的输出U为本模糊控制器把实际的控制策略归纳为控制规则PLC与DCSPLC and DCS图1压缩机双输入单输出的模糊控制器 自动化技术与应用2006年第25卷第7期表。并对各种误差和误差变化用微机离线计算好一个控制表。将此控制量查询表存放在控制微机中,按测量输入的误差和误差变化,查控制表就可输出控制量。制冷过程控制的查询表,需经过严格的现场检验和反复修改才能获得。12采用隶属度最大的规则进行模糊决策,将U 经过清晰化转换成相应的确定量。系统运行时通过查表得到的输出控制量,乘上比例因子a u ,将其结果转换成对能量滑阀通电的时间调节,从而完成对制冷机组制冷量的控制。2

11、4PLC控制系统设计基于P L C 的控制系统可分为独立的单机系统和多机网络监控系统。螺杆制冷压缩机组根据制冷对象和环境的不同可分为:直接蒸发压缩机组、冷凝储液机组、冷水机组、乙醇/盐水机组等形式,不同机组在控制方式上有所不同。这里以单机冷水机组控制系统为例说明系统的设计与实现。螺杆冷水机组是以R 22为制冷剂,对外提供512冷冻水的成套制冷设备,适用于中央空调及工艺用水等场合。主要由压缩机组、卧式壳管式冷凝器、蒸发器等组成完整的制冷装置,用户只需接上冷却水系统、冷冻水系统就可投入使用。其控制系统主要组成部分有:传感器、P L C 系统、控制箱、电气柜、控制程序等组成。如图2所示。 4.1硬件

12、设计依据对控制对象和控制任务的统计和分析,系统需配置的I /O 接口点数和名称如表1所示。表1单机系统I /O 接口分配点数模拟量输入A/D开关量输入KI开关量输出KO 1出水口温度油泵电机过载能量增载2油温度压缩机电机过载能量减载3吸气温度油泵运行反馈油泵开关4排气温度压缩机运行反馈压缩机开关5吸气压力断水保护油温控制阀开关6排气压力高压开关报警开关7油压力低压开关能量旁通阀开关8能量位置手动、自动切换吸气压力旁通阀开关9内容积比油泵开内压比增开关10油泵关内压比减开关11压缩机开12压缩机关13急停本系统P L C 控制器选用机型为西门子S 7-200系列C P U 224A C /D C

13、 /R E L A Y 。主机自带I /O 为14输入/10继电器输出。模拟量扩展模块E M 231两套和E M 235一套,均提供3路模拟量输入通道,E M 235还提供1路模拟量输出通道。模拟量输入通道按05V 或420m A 信号标准输入,模拟量输出通道为420m A 信号标准输出。采用S 7-200系列专用的操作员文本显示器T D 200。将该文本显示器置于操作箱上,用于控制P L C 工作和显示工作状态。温度传感器采用P T 100,用于测量制冷机组冷冻水温度、螺杆压缩机吸气口、排气口温度及油温度。PTl00在0时电阻为100,随温度呈线性变化,大约是每摄氏度0.4。为了把P T l

14、 00的随温度变化的电阻转换成电压,我们将模拟量输出作为恒电流源使用,在该电路中,输出4m A 恒电流供给P T l 00传感器,产生了1.6m V /的线性电压。E M 235把这个电压转换成数字量,利用下面的公式计算出温度。数字量变化数字量转换后数字量(亷亷D A 亷T 1/=本机中模拟量输出精度为12位,满量程数字量为32000,因此输出4m A 恒电流在AQW0中设置输出数为:(32000/20mA×4mA=6400在实际应用上P T 100的变化不可能是理想线性的,因此在控制程序中采用了分段补偿及数字滤波技术,尽可能保证数据的准确性。压力传感器选用国产气体相对正压传感器,用

15、于测量螺杆压缩机吸气口、排气口及油压力。输出均为420m A 标准信号。PLC 与DCSPLC and DCS图2制冷机组控制系统结构图自动化技术与应用2006年第25卷第7期能量滑阀位置和内容积比滑阀位置传感器均采用线性电位器,通过24V稳压源和精密电阻串联在电位器上所产生压降经A/D转换后判别。由于机械安装原因,滑阀位置的零点和满量程点不一定和电位器的位置完全对应。故控制程序中增加了滑阀位置判断功能。保护开关和继电器开关为开关量输入传感器,根据检测对象的性质或状态不同可以有常闭和常开的信号。部分开关量输入信号为操作箱手动控制信号。系统的控制信号均通过开关量输出信号实现。由开关量输出信号驱动

16、控制能量(或内容积比的电磁阀推动滑阀移动,从而实现对压缩机输出能量(或内容积比的调节。对电磁阀通电时间的长短决定滑阀移动距离,而通电时间由控制程序算法决定。系统中保留手动控制操作按钮,使系统在调试或P L C故障时仍能完成运行。手动、自动运行状态可以由开关无扰动切换。手动运行时,P L C仍然工作,完成监控和报警。由于控制对象的油泵电机和压缩机电机为三相电机。系统采用P L C控制中间继电器和三相交流接触器连接。压缩机电机启动的变换也由时间继电器和中间继电器控制完成,保证手动控制能正常完成。为保证电机安全,设置了热过载继电器和三相电源相序与断相保护继电器。4.2软件设计根据控制对象的工艺要求,

17、采用结构化程序设计方法。主要模块功能包括:人机交互、数据采集、控制调节、保护报警、通信等。采用西门子专用编辑软件S T E P7-M I C O/W I N32的S T L语句表编辑器编辑调试完成,通过P C/P P I电缆写入P L C程序存储器。3控制调节程序主要完成油泵、压缩机启动运行及模糊控制调节功能。包括:油泵启动、压缩机启动、报警判断、旁通阀控制、能量调节、内容比调节等。能量调节部分程序如下:NETWORK19L DM1.2/压缩机启动正常,进行能量控制调节ANM0.4ANM0.5ANM30.1AW<=VW30,VW40MOVWVW40,VW750/判断是否满足能量调节条件-

18、IVW30,VW750AW>=VW750,+10A W<=V W50,+99AW>=VW60,+350AW<=VW710,+40SM0.3,1N E T W O R K20LDW>=VW750,+100/实测温度与设定温度之差大于10时的调节方式OW<=VW50,+50AM0.3M O V WV W360,V W500N E T W O R K21LDW<=VW750,+100/5t10时的调节方式AW>=VW750,+50AM0.3MOVD+0,VD790M O V WV W360,V W792MUL+2,VD790M O V WV W792,

19、V W500N E T W O R K22LDW<=VW750,+50/t5时的调节方式AW>=VW750,+10AM0.3MOVD+0,VD794M O V WV W360,V W796MUL+3,VD794M O V WV W796,V W500N E T W O R K23LDM0.3/输出控制量ANI0.7AQ0.6RQ0.1,1SQ0.0,1TONT103,VW130/设置电磁阀通电时间N E T W O R K24LDT103AM0.3RQ0.0,1PLC与DCSPLC and DCS(下转第76页自动化技术与应用2006年第25卷第7期作者简介:张忠伟(1965-,男

20、,工程师,主要从事电力电子与电力传动方向的研究。电气传动Electrical DrivesTONT104,VW500/设置电磁阀断电时间N E T W O R K 25LDT104AM0.3+I+10,VW710RT103,2RM0.3,1N E T W O R K 26L D W >=V W 710,+40TONT114,+600N E T W O R K 27LDT114M O V W +0,V W 710RT114,1N E T W O R K 285结论经过数十套机组的实际生产运行表明,采用本方案对螺杆制冷机组系统的控制改造是成功的,该电气控制系统设计和选型合理,自动化程度高;P L C 系统的程序控制和精度满足工艺要求;监控界面操作简单方便,在技术层次和经济指标上达到了国内先进水平。广泛作者简介:肖风华(1962-,男,中南民族大学副教授,硕士。研究方向为计算机控制技术应用,涉及领域包括制冷、窑炉、数控、冶金、测量等行业。应用于化工、食品、水电建设工程项目等行业。对机组出水温度的控制采用模糊控制技术实现,使得控制的精确度和鲁棒性提高,改