冷庫氨制冷系統(tǒng)自動控制的案例分析

1、冷庫氨制冷系統(tǒng)自動控制的案例分析一、引言連云港天緣食品有限公司最近新建一座大型冷庫，它先后分兩期實(shí)施。2006年竣工的一期工程為三層，容積23000M3，容量5500噸（按肉類計(jì)算-下同），2007年竣工的二期工程為四層，容積35000M3，容量8500噸，共計(jì)14個(gè)冷藏間，總?cè)莘e58000 M3，容量14000噸；另有凍結(jié)間4間，計(jì)40噸/日。冷藏間設(shè)計(jì)溫度為-22；凍結(jié)間原設(shè)計(jì)為-25，后來將冷風(fēng)機(jī)面積增加，實(shí)際能達(dá)到-30以下。該工程由國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，制冷工藝安裝工程由煙臺冰輪集團(tuán)施工。原設(shè)計(jì)制冷工藝部分是手指令程序控制，計(jì)算機(jī)輔助管理。后來我們將制冷工藝系統(tǒng)改為全自動程序控制，

2、由冰輪集團(tuán)配合我們對圖紙作了部分修改。冷庫制冷系統(tǒng)有氨系統(tǒng)和氟系統(tǒng)兩種。在小型冷庫中一般使用氟系統(tǒng)，它能比較容易地實(shí)現(xiàn)自控；大中型冷庫用的則是氨系統(tǒng)，由于氨制冷對安全性要求較高，而以前氨的自控元器件不過關(guān)、控制技術(shù)不成熟，搞自動化的較少?，F(xiàn)在，隨著技術(shù)進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的制冷工業(yè)已經(jīng)成為可能。目前，有一些新建的冷庫在上自動化，我省蘇南就有二、三個(gè)中型氨系統(tǒng)的自動化冷庫，但設(shè)備都是全進(jìn)口的，利用國產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)氨系統(tǒng)冷庫全自動控制的，連云港天緣食品公司冷庫在我省還是第一個(gè)。二、冷庫制冷系統(tǒng)與設(shè)備配置：2-1、系統(tǒng)配置制冷系統(tǒng)分-35、-30、-10三個(gè)。-35系統(tǒng)用于凍結(jié)間，-

3、30用于冷藏間。這兩個(gè)系統(tǒng)采用配搭式雙級壓縮循環(huán)，共用一個(gè)中間冷卻器（-10）和同一高壓級；高壓級還用于-10的空調(diào)系統(tǒng)，它通過兩個(gè)臥式蒸發(fā)器為加工間夏季空調(diào)提供-32的乙二醇溶液-目前-10系統(tǒng)暫未上馬。2-3、制冷系統(tǒng)特點(diǎn)：2-3-1、兩個(gè)低溫系統(tǒng)采取配搭式螺桿機(jī)雙級壓縮。單機(jī)雙級螺桿機(jī)大多是國外的產(chǎn)品，價(jià)格十分昂貴，而采用螺桿配搭式雙級壓縮可以以較低的投資，可以取得同樣的效果。具有節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用、降低了壓縮機(jī)的壓縮比、容積效率提高的優(yōu)點(diǎn)。本工程由于把-35、-30的高壓級與-10系統(tǒng)合并為同一系統(tǒng)，比起其各自為獨(dú)立的系統(tǒng)，可以大大減少壓縮機(jī)組的使用臺數(shù)，并使得壓縮機(jī)組在部分負(fù)荷下的運(yùn)

4、行概率減低，增加系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，并節(jié)約了能耗，節(jié)省了投資。2-3-2中間冷卻器使用了二次節(jié)流完全冷卻方式。該方式在國內(nèi)剛處于起步階段，其優(yōu)點(diǎn)是可以減少節(jié)流過程中的不可逆損失，減低了低壓循環(huán)桶的供液溫度（傳統(tǒng)的一次節(jié)流中間冷卻器盤管溫度比中間溫度高57，而二次節(jié)流完全冷卻向低壓循環(huán)桶的供液溫度即為中間溫度），從而提高了低壓級的產(chǎn)冷量。二次節(jié)流的中間冷卻器它除作低溫系統(tǒng)的中冷外，還兼作-10系統(tǒng)的循環(huán)桶，附帶了部分負(fù)荷，使單位功率的制冷量增大，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用降低，能取得更大的節(jié)能。由于沒有了獨(dú)立的中間冷卻器，使制冷系統(tǒng)的管道簡化了許多，也減少了初始的投資。2-3-3、安裝了蒸發(fā)式冷凝器，節(jié)約了水、

5、電能的消耗。2-3-4、系統(tǒng)中安裝的多點(diǎn)自動空氣分離器，能夠連續(xù)不斷地將不凝性氣體從設(shè)備中分離出來，以維持系統(tǒng)工作的經(jīng)濟(jì)性。三、冷庫自動控制情況：31、綜述：冷庫自動化由制冷工藝系統(tǒng)的自動化和貯藏系統(tǒng)的自動化兩項(xiàng)構(gòu)成。目前，我們所做的只是制冷系統(tǒng)的自動化-它包括自動運(yùn)行控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動保護(hù)、數(shù)據(jù)的采集與處理，以及報(bào)表的自動生成。新型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)是以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)。現(xiàn)代冷庫制冷系統(tǒng)自動化的概念，應(yīng)當(dāng)是利用信息技術(shù)為依托，通過各種檢測和控制器件，按照制冷工藝的要求，組成一個(gè)較為完善的自控體系，使其在沒有人直接參與的情況下，對受控對象及生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)

6、控，使設(shè)備與工藝系統(tǒng)按照預(yù)置的程序運(yùn)行，并能自動保護(hù)。同時(shí)，對使用者提供人機(jī)對話界面, 能夠顯示各種參數(shù)的動、靜態(tài)畫面?？梢源蛴?、輸出報(bào)表，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理和歷史記錄地追憶。在授權(quán)的情況下，能自由設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。PLC(Programmable Logie Controller)是一種非常成熟的工業(yè)控制器，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化控制。它用一臺專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，與主控柜上的PLC、機(jī)組上的PLC和設(shè)備上的PLC通過通訊電纜將數(shù)據(jù)采集、顯示，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)測、控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及報(bào)警等功能，并可自動記錄設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)數(shù)據(jù)及報(bào)警情況，以備查考。3-2、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：控制系統(tǒng)采用工

7、業(yè)總線型網(wǎng)絡(luò)，保證各節(jié)點(diǎn)之間的可靠通訊。系統(tǒng)為集中監(jiān)控、分散控制的控制模式。整個(gè)控制系統(tǒng)可劃分為三個(gè)層次，即監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層。321、監(jiān)控層：由一臺配備了組態(tài)軟件的專用工控機(jī)，負(fù)責(zé)下位機(jī)（多個(gè)PLC）的集中監(jiān)控和系統(tǒng)的參數(shù)配置、管理。在微機(jī)上顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)動態(tài)模擬畫面、對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動生成表格、定時(shí)或人為輸出到打印機(jī)打印，并可在授權(quán)的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置。硬件配置：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、通訊卡、通訊電纜等。軟件配置：系統(tǒng)軟件（Windows/xp的操作系統(tǒng)），監(jiān)控組態(tài)軟件。32-2控制層：控制層由多個(gè)PLC組成，每個(gè)PLC都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對本地設(shè)備即PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)

8、采集和控制。通過通訊網(wǎng)絡(luò)將所有相關(guān)的數(shù)據(jù)上傳給上位監(jiān)控機(jī)。主要硬件設(shè)備：PLC控制器、通訊卡、通訊電纜轉(zhuǎn)接器、人機(jī)界面、接口模塊、通訊電纜等。軟件：PLC編程軟件、人機(jī)界面組態(tài)軟件、應(yīng)用軟件。32-3設(shè)備層：設(shè)備層在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于底層，是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集部分。主要包括執(zhí)行器、檢測單元。果將PLC比作人的大腦，那么執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是人的手、腳，而檢測元件就是人的眼、鼻、耳。    3-3、系統(tǒng)控制功能3-3-1、制冷壓縮機(jī)的控制制冷系統(tǒng)采用自動型制冷壓縮機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。機(jī)組采用PLC 控制，每個(gè)機(jī)組使用一臺PLC來控制

9、本機(jī)組的運(yùn)行，并進(jìn)行保護(hù)。機(jī)組的人機(jī)界面可以就地顯示制冷壓縮機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，如排氣壓力和溫度、吸氣壓力、供油壓力和供油溫度、滑閥位置、開機(jī)次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、主電機(jī)電流等。機(jī)組上的PLC根據(jù)系統(tǒng)的需冷情況、吸氣壓力的變化自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)能量滑閥的位置，使機(jī)組運(yùn)行處在最佳的工作點(diǎn)。機(jī)組的界面能記錄最后數(shù)次故障的情況，包括發(fā)生的時(shí)間、故障類別、故障時(shí)的數(shù)據(jù)，這有助于維修人員對發(fā)生的故障進(jìn)行分析。機(jī)組具有完善的保護(hù)功能。它有排氣壓力超高、油壓差低、油溫高、吸氣壓力低、主電機(jī)過載、油泵電機(jī)過載、吸氣過濾器前后壓差過大等保護(hù)與報(bào)警功能。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動運(yùn)行和適應(yīng)調(diào)試與維修的需要，制冷壓縮機(jī)的人機(jī)界面上設(shè)

10、有本地和遠(yuǎn)程兩種控制方式。當(dāng) 控制模式設(shè)為本地 時(shí)，壓縮機(jī)的開停由人工控制；當(dāng)控制模式設(shè)為遠(yuǎn)程時(shí)，壓縮機(jī)的開停為自動；如果系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為自動，壓縮機(jī)設(shè)為本地，系統(tǒng)不能開啟壓縮機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)不能自動運(yùn)行。一般情況，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為自動，壓縮機(jī)應(yīng)設(shè)為遠(yuǎn)程。3-3-2、系統(tǒng)的控制整個(gè)制冷系統(tǒng)設(shè)有自動和手動兩種運(yùn)行模式，可由系統(tǒng)配置菜單選擇“投入”模式。當(dāng)系統(tǒng)處于自動運(yùn)行模式，壓縮機(jī)設(shè)在遠(yuǎn)程狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的開、停是根據(jù)庫溫和生產(chǎn)指令執(zhí)行的，這時(shí)循環(huán)水泵、蒸發(fā)冷、冷風(fēng)機(jī)、低壓循環(huán)桶泵、壓縮機(jī)都是由系統(tǒng)PLC按自動程序，判斷系統(tǒng)的要求自動工作的。當(dāng)系統(tǒng)處于手動運(yùn)行模式，壓縮機(jī)設(shè)在本地狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)PLC不根據(jù)庫溫

11、發(fā)出開停機(jī)的指令，水泵、蒸發(fā)冷、冷風(fēng)機(jī)、低壓循環(huán)桶和壓縮機(jī)的開、停都由人工進(jìn)行手動操作。手動操作和一般的手動冷庫相同，不同之處是所有的開關(guān)是在PLC的人機(jī)界面上操作，或在計(jì)算機(jī)的顯示器上點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行，使得操作更加簡單方便。3-3-2-1、蒸發(fā)式冷凝器和水泵的控制：可在組態(tài)界面選擇手動、自動運(yùn)行方式。自動運(yùn)行方式具有夏季和冬季兩種運(yùn)行模式可選。自動運(yùn)行時(shí)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行信號和冷凝壓力自動控制水泵和蒸發(fā)式冷凝器的投入臺數(shù)。當(dāng)冷凝器的所有風(fēng)機(jī)、水泵全部開啟，冷凝壓力高于1.5MPa時(shí)，報(bào)警停機(jī)電流保護(hù)。冬季運(yùn)行模式，根據(jù)冷凝壓力依次先開各臺冷凝器的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)全部開啟后再開各冷凝器的水泵；并可冬季根據(jù)負(fù)荷

12、采取干式運(yùn)行。3-3-2-2、中間冷卻器及低壓循環(huán)桶的液位控制：采用丹麥Danfoss公司的氨用SV4（伺服控制器）+PMFL（液位調(diào)節(jié)閥）+AKS38（浮球液位開關(guān)）控制供液和液位，當(dāng)液位超高自動報(bào)警-循環(huán)桶液位超高與壓縮機(jī)組連鎖。容器上裝有磁浮子式液位計(jì)和壓力表，由遠(yuǎn)程液位變送器與壓力傳感器和計(jì)算機(jī)連接。氨泵的控制，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷控制氨泵的開啟臺數(shù)。氨泵與冷風(fēng)機(jī)供液電磁閥、回氣電磁閥及壓縮機(jī)連鎖，設(shè)有氨泵壓差過低、氨泵缺液及電機(jī)過載短路等保護(hù)措施。并按照均勻磨損自動替補(bǔ)的原則自動換開氨泵。3-3-2-3、自動空分的控制:自動空分單獨(dú)采用一臺PLC進(jìn)行自動控制。空分和壓縮機(jī)運(yùn)行聯(lián)鎖，在壓縮

13、機(jī)運(yùn)行時(shí)自動放空。多點(diǎn)式空分可以對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對各個(gè)管路進(jìn)行巡檢放空。3-3-2-4、庫溫的控制：考慮到冷庫面積較大，溫度波動較大且分布不均勻，故每間冷庫設(shè)二只溫度傳感器（中德合資久茂德牌），庫溫取兩者的平均值。并將溫度值輸送到控制系統(tǒng)的PLC和主機(jī)，利用庫溫控制壓縮機(jī)的開停，并可進(jìn)行庫溫超高報(bào)警。3-3-2-5、冷風(fēng)機(jī)除霜控制：除霜控制設(shè)有手動和自動定時(shí)除霜兩種選擇（除霜時(shí)間及除霜間隔時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況自由設(shè)定）。由于熱氨除霜存在一定的危險(xiǎn)性，故除霜系統(tǒng)全部采用Danfoss的EVRA電磁閥和PMLX主閥（兩級開啟）進(jìn)行精確控制。手動和自動除霜方式指除霜的指令是由人工發(fā)出或系統(tǒng)根據(jù)間隔

14、時(shí)間自動發(fā)出，整個(gè)除霜的過程（即對供液電磁閥、回汽電磁閥、熱氨閥等的開關(guān)及延時(shí)）可以由程序自動完成的。需要指出，由于氨具有一定的危險(xiǎn)性，即便是非常可靠的自動控制系統(tǒng)，也需人來監(jiān)護(hù)，仍要定期或不定期的進(jìn)行巡視，以保證系統(tǒng)更加可靠、安全地運(yùn)行。系統(tǒng)加氨、加冷凍機(jī)油和放油因操作頻率很低，仍用手動操作。 四、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與問題：4-1、需要有性能可靠的監(jiān)控工具和程序軟件。 氨制冷系統(tǒng)對安全性要求較高，它的自動化控制比用于其他工業(yè)的控制復(fù)雜，所以選擇可靠、先進(jìn)的控制器材和控制方式非常重要。PLC是以中央處理器為核心綜合計(jì)算機(jī)和自動控制等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展起來的一種工業(yè)控制器，是取代傳統(tǒng)控制模式的有效工具

15、；而基于PLC的SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)-數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，為我們提供了一種可靠、靈活的監(jiān)控方式。編制程序是一件細(xì)致而艱巨的重要工作。要求與制冷工藝人員密切配合，以裝置的整體為受控對象，綜合考慮運(yùn)行中各種參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)和影響，以保證其在任何條件下，它都是一個(gè)符合實(shí)際的、安全的和節(jié)能的最佳操作程序。4-2、自動系統(tǒng)控制元器件的可控性、可靠性是整個(gè)系統(tǒng)自動安全運(yùn)行的關(guān)鍵。Danfoss公司的閥門質(zhì)量可靠，并有良好的技術(shù)支持和售后服務(wù)，使用該公司的產(chǎn)品，是理想的選擇，但資金投入較高。相反，同時(shí)安裝的還有其他廠家的產(chǎn)品，都出

16、現(xiàn)一些問題，有的甚至不能用。4-3、采用自動化控制，要求系統(tǒng)必須十分干凈。為此，我們將管材全部作了酸洗、鈍化處理。即使如此，仍可能有點(diǎn)雜質(zhì)，需要檢查清洗。Danfoss閥門的易損件（如線圈）要有備件，因?yàn)檫M(jìn)口的手續(xù)非常繁瑣，需要較長的時(shí)間，必須早有準(zhǔn)備。4-4、自動化的設(shè)計(jì)與安裝要選擇有實(shí)力、經(jīng)驗(yàn)的承包商總包，并要求他們有優(yōu)良好的售后服務(wù)，以取得技術(shù)支持。施工時(shí)最好連電控柜的制作和電纜的敷設(shè)都由一家負(fù)責(zé)，減少施工單位之間的扯皮。4-5、冷藏系統(tǒng)的自動化運(yùn)行較容易，凍結(jié)系統(tǒng)的自動投入相對繁瑣和困難。因?yàn)閮鼋Y(jié)間不經(jīng)常使用，該系統(tǒng)平時(shí)的壓力較高，而廠家所產(chǎn)配搭低壓級配備電機(jī)較小，要求Te -25（0.5bar）時(shí)才能滿載運(yùn)行，需要先用高壓機(jī)作單級拉低溫系統(tǒng)，而后，再轉(zhuǎn)為雙級拉中冷。因此，在拉-35時(shí)，有時(shí)需要手動操作，先將低壓系統(tǒng)的壓力降下來。4-6、自動化與用電避峰有矛盾。自動化的程序要求以庫溫為指令啟、停設(shè)備，而單位大多要求在低谷