并联螺杆式压缩机组的PLC控制技术

并联螺杆式压缩机组的PLC控制技术盛璞琳（河南开封空分集团有限公司制冷分公司）[摘要] 随着外界负荷大幅度的变化，虽然螺杆式压缩机可以采用滑阀来调节其输气量，但是，对于用单台压缩机组成的单级系统来说，其在低负荷下的功耗仍然要比多联机组构成的系统高得多。

在同一系统中采用多台螺杆式压缩机并联来代替单台压缩机运行，在冷负荷发生动态变化时，并联压缩机组将通过PLC和各种传感器所组成的控制系统，调节整个制冷系统中压缩机的减载、加载、启动、停机，使得并联压缩机组的吸气压力保持在恒定和正常的工作范围内工作，从而大大提高了系统的的工作效率，节省能源；特别是在制冷量较大，而且制冷量波动明显的系统中，节能控制的效果更为明显，PLC是一种具有高可靠性的控制装置，以其和触摸屏组成的监控系统，对多台螺杆式压缩机并联的运行进行控制是一种最优的选择，并最终能够通过现场总线整合各个设备的控制系统来实现冷库系统的DCS控制模式。

[关键词] 并联螺杆式压缩机组控制 PLC控制系统 节能控制1.前言随着人民生活水平的提高，物流和国内零售行业的快速发展，大、中型食品冷藏设施，在解决中转、生产、销售等环节的食品保鲜问题中，起着关键的作用；其核心的制冷压缩机组，也逐渐经历了从：单机大容量制冷机组到多台中、小容量制冷机组配组到目前的大型多机头并联制冷机组的发展过程。

并联压缩机制冷系统以其高效节能、稳定可靠、成本较低的独特优点，成为目前制冷工程优先选用的系统，逐渐被终端用户和设计单位认识和接受；越来越多的低温物流配送中心、食品加工厂、速冻设备和大型冷库，开始使用并联压缩制冷系统或取代原来的单机制冷系统[1]。

并联压缩机系统就是将多台压缩机并联连接，安装在一个公共的机架上，共用吸排气集管、冷凝器及储液器等部件，在自身配置的高性能中央处理器，一般是一台高性能的PLC控制器或者是一台并联机组专用控制器的控制下，测控工作参数，优化运行状态、协调工作，向制冷系统的主蒸发器或者各个末端冷库的冷风机组提供制冷剂。

并联压缩机系统一般分为：半封活塞压缩机并联机组和螺杆压缩机并联机组。

其中，螺杆压缩机早期主要用于单机或“多机配打”制冷系统，螺杆压缩机并联机组技术出现的比较晚，但由于单台制冷量较大；容积效率高；能级调节范围宽广，可以实现无级调节，有利于实现变频调节；高可靠性；零件数量少，维修容易；而得到越来越广泛的应用。

而近几年，随着，私营食品企业、蔬菜加工企业，大型超市，集贸市场，冷库短期租赁等行业的不断发展，建造大规模、小分间的集中冷库成为冷链行业的发展趋势，市场建设需求量逐年攀升[2]，在这种趋势下，并联螺杆式压缩机组（以下简称：并联压缩机组）的以上优点显得更加突出。

螺杆压缩机的功耗较大是由来已久的问题之一[3]，因此，毫无疑问：并联压缩机组控制系统的中央处理器在整个系统的节能运行控制、工况优化匹配控制、安全控制等方面起着至关重要的作用；对其控制原理、实现方法的深入研究将富有深远的节能环保意义和实用价值。

2.并联压缩机组控制系统的现状与PLC控制方案如前所述，目前国内大多数并联机组的控制系统，均采用微电脑控制器的控制方案。

但就其提供的控制功能来看，基本上是：时间继电器+温度继电器+压力继电器的组合，仅能实现简单的安全联动和时间顺序控制，谈不上能级调节控制和程序调节控制，一般也没有远程通信功能，因此从功能上讲，无法和PLC控制方案相提并论。

PLC是一种具有高可靠性的控制装置，它与可编程程序调节器、DOS系统同被列为“不损坏仪表”，集三电（电控、电仪、电传）于一体，具有较高的性能价格比[4]，是多联机组控制系统的首选。

图1和图2是一台三机头并联压缩机组完整的：PLC控制图和电气控制原理图。

PLC采用了：西门子S7-200，测温传感器采用了：JWB/P130/51/05,测压传感器采用了：JYB-KB-HAG-1图一图二在以上的控制系统中，PLC通过吸气压力变送器不断测量吸气总管内的吸气压力，当吸气压力降低或升高时，通过控制1#、2#、3#电磁阀减载或增载；实现1#、2#、3#压缩机制冷量的优化调节， PLC通过排气压力变送器、排气温度传感器不断测量排气总管内的排气压力和排气温度，当排气压力和排气温度异常时，立即进行安全保护控制；油压变送器监控压缩机供油压力，油压正常时可以开机运行，当油压小于油压给定值时，PLC先发出报警信号，在延时时间内油压仍低于设定值，将命令压缩机停机。

通过冷却水进水温度传感器，监视冷却水进水温度，控制冷却塔风机的运行，将冷却水进水温度维持在设计值范围。

当出现：冷凝器的冷却水断流、蒸发器冷媒水断流等异常情况时，PLC先发出报警信号，在延时时间内异常情况依然存在时，将命令压缩机停机在具体的控制中我们采用了：压力门限值控制法、压力趋势预测控制法、模糊集合控制法。

实践表明：在小型多机头并联制冷系统中，压力门限值控制法可以较好的满足能量控制的要求，压力趋势预测控制法、模糊集合控制法并无明显的优势。

而在大型多机头并联制冷系统中，模糊集合控制法因控制平稳、能级自动分配合理，而具有较好的工作优势；压力趋势预测控制法在大、中型多机头并联制冷系统中均有广泛运用。

以压力趋势预测控制法为例，其控制逻辑是：当吸气压力传感器测知：吸气压力符合设定值要求时，多联制冷机组保持当前工作状态。

当吸气压力高出设定值要求时，如果处于长时间保持高压力状态或持续上升状态，多联制冷机组加载，加载的方法是：按机头依次加载；如果开始进入趋于下降状态，多联制冷机组保持当前工作状态。

当吸气压力低于设定值要求时，如果处于长时间保持低压力状态或持续下降状态，多联制冷机组减载，减载的方法是：按机头依次减载；如果开始进入趋于上升状态，多联制冷机组保持当前工作状态。

PLC采用运行时间均衡控制或运行时间顺序控制的总体控制策略，保证了每台机头的运行时间均衡，使每台机头的磨损程度保持基本一致，大大地提高了整台机组的运行寿命，PLC控制程序采用了：梯形图控制语言进行编程控制；上位集控主计算机采用了：昆仑KL-EV3000专用工控软件,可以实现：系统实时监控、状态曲线监视、报警显示、系统控制、数据的存储、现实、打印等功能，较好地满足了用户的要求；并且，由于采用了基于标准的TCP/IP通信协议的现场总线技术[4][7]，因此，还可以较好的和冷库的控制系统机型系统进行整合，实现DCS集散式控制系统。

人机界面我们摒弃了落后的按钮开关操作界面，采用了WIEVIEW 公司的高清晰度真彩TFT触摸屏为操作界面的较为先进的控制方案，该触摸屏防水、防油污、防尘，在实际应用中取得了良好的效果。

图3是其操作控制、参数设置、运行监视界面。

我们公司在新疆库尔勒源兴5000吨综合冷库的控制系统中，由于采用了以上的控制方案，基本上实现了现场完全无人控制和控制室远程监视、控制，利用计算机控制系统最大限度的优化系统的使用效率，是最让用户省心的解决方案之一，该冷库共有综合冷间32间，冷却水塔两座，水泵房一间，配电室一间，控制室三间，共有并联压缩机组：8台套，通常情况下，无须人工操作，系统全自动运行，仅需职守监视。

因此，整个冷库的操作工较少，所耗费的人力成本很低。

3.并联压缩机组采用PLC控制的节能效果分析随着外界负荷大幅度的变化，虽然螺杆式压缩机可以采用滑阀来调节其输气量，调节过程中，压缩机的压缩功几乎是随输气量的减少而成比例地减少，尽管如此，对于用单台压缩机组成的单级系统来说，由于在低负荷下的低效率运行、频繁启动，及其运转中的实际机械损耗部分几乎仍然不变，因此，其系统的单位制冷功耗要比多联机组构成的系统高得多[3][6]。

在同一系统中采用多台压缩机并联来代替单台压缩机运行，在冷负荷发生动态变化时，并联压缩机组将通过PLC和各种传感器所组成的控制系统，调节整个制冷系统中压缩机的减载、加载、启动、停机，使得并联压缩机组的吸气压力保持在恒定和正常的工作范围内工作，从而大大提高了系统的的工作效率，节省能源；特别是在制冷量较大，而且制冷量波动明显的系统中，节能控制的效果更为明显，如：气调冷库、高温冷库、流态速冻机等，平均节能可以达到18%[6]。

图5是多机头并联制冷系统相对于单机组制冷系统的节能比较曲线图[6]，从图5可以看到，当制冷量降到50%--75%时，多台主机组成的机组比单台机组节能15%--26%。

实践证明：当总制冷负荷保持在50%时，系统的综合节能效果最为明显！由于，采用了PLC控制的并联压缩机组可以采用分时化霜的工作模式，即在一部分冷间的冷风机持续供冷的同时，另外一部分冷间的冷风机进入化霜工作模式，因此，就可以实现在不消耗额外电能的前提下应用热排气回流化霜技术，避免电化霜带来的巨大的电能消耗量，而电除霜是整个冷库系统运行中的耗电大户，通常情况下，净面积250m2，净高5.3m的低温冷库电化霜每年消耗的电能就高达25万多度[1]。

如果采用热气化霜，这项消耗就可以完全避免，而由于采用热气化霜产生的初始投资成本增量，一般可以在2年内收回。

并联压缩机组不但对工况调节带来好处，同时也带来了一系列其它优点：其一是可以用较少的机型来满足不同输气量的需要，便于制造厂生产，降低成本；其二是使用时可以逐台启动主机，对电网冲击小，启动装置的要求低，如30kw以下机型可以直接启动；其三是运转效率可以提高，当其中某一台主机出现故障时，可以单独维修而系统仍然可以维持运行，而对于单台机组构成的制冷系统，系统将完全停止运行，这对于食品的安全储藏，将是无法想象的。

4. 并联压缩机组工程实践中的主要问题采用并联螺杆式压缩机组构成的制冷系统，必将促使螺杆式压缩机向小型化发展，这就需要考虑小型螺杆式压缩机的效率和制造工艺及成本等问题，单机标准工况制冷量确定必须合理。

另外，PLC的生产商较多，所以，采用PLC控制系统的并联压缩机组，在工程实践当中也存在较多的问题；问题之一就是：制冷系统的中央控制系统，和并联压缩机组控制系统的接口兼容问题，包括：电气接口、通讯协议、标准规范等等，其中，通信协议问题最为突出；S7-200可编程序控制器通过采用EM277PROFIBUS扩展从站模块和PPI、MPI通信协议或自由通信方式，RS485控制总线[7]；也可以通过采用CP243-1通信处理机， TCP/IP通信协议和工业以太网；与中央主控计算机保持高速通信[7]，实时监控整个冷库制冷系统的全自动运行状态，在必要时及时给于人工干预，确保系统设备和储藏食品的安全。

另外一个突出的问题是控制器的环境规格是否可以满足冷库机房内，高温、高湿、磁扰的工作环境，某公司生产的PLC控制器在环境较好的控制机房内工作时表现良好，可是，一旦安装到制冷机组设备间，工作就不太稳定，主要表现在锈蚀、通信响应不稳定，抗震性差等方面。