CARRIER制冷机组及其控制系统的研究

文章编号：CAR015
CARRIER制冷机组及其控制系统的研究
孙传余1 肖林京1 黄田化2 黄国浩2
（1.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510；2.青岛中集冷藏箱制造有限公司,山东青岛266300）摘要冷冻集装箱在长途陆路运输和远洋运输过程中起着重要的作用，CARRIER 制冷机组就是制冷的关键设备，占到市场份额的60％以上。

本文由外及内，逐层深入，阐述了CARRIER 制冷机组的工作原理，继电器控制与保护电路，微控制器内信号的输入/输出电路，以及4 种操作模式下的控制规律。

CARRIER 制冷机组具有节能环保、制冷迅速、控制精确、性能可靠、操作容易、维修方便等诸多优点。

关键词冷冻集装箱 CARRIER 制冷机组控制系统操作模式节能环保RESEARCH OF THE CARRIER REFRIGERATION UNIT & CONTROL SYSTEM
SUN Chuan-yu1 Xiao Lin-jing1 Huang Tian-hua2 Huang Guo-hao2 (1.College of Mech. and Electronics Eng., SUST, Qingdao, Shandong,
266510, China;
2. Qingdao CIMC Reefer Manufacture Co. Ltd., Qingdao, Shandong,
266300, China)
Abstract The reefer container plays an important part in the transportation of long-road and far-sea, the CARRIERrefrigeration unit which takes up more than 60% market, is the most pivotal equipment for freezing. The paper hasexpatiated on the principle of CARRIER refrigeration unit, the relay control & the protection circuit, the input circuit &the output circuit of MCU signals, and the control rule under 4 different operation modes. The CARRIER refrigerationunit has many merits of energy conservation & environmental protection, fast refrigeration, reliable performance,precise control, easy operation, convenient servicing, etc.
Keywords Reefer container CARRIER refrigeration unit Control system Operation mode Energyconservation& environmental protection
0 引言
制冷是食品加工储存的重要设施，是低温流通的中枢，是冷链体系的关键之一。

而制冷机组则是能完成制冷与保鲜功能，有效阻止食物腐烂，保证果蔬营养价值和色香味的一整套自动化制冷装置，广泛应用于冷藏库、冷藏车、冷冻集装箱等，在人民的日常生活和长途陆路运输以及远洋运输中，起到重要的作用。

集装箱用制冷机组目前主要有四大生产商：CARRIER 制冷机组的市场占有率占60%以上，型号主要有69NT40-489、69NT40-511、69NT40-521、69NT40-531 、
69NT40-541 、69NT40-551 、69NT40-561；THERMO KING 制冷机组市场占有率在25%左右，型号主要有CF-II-III、00CRR-40、CSR-40SL、CRR-40PS、CSR-40SLPS、MAGNUM；
另外还有DAIKIN 制冷机组和STAR-COOL 制冷机组。

这些冷机的可靠性比较高，能适应旅途的颠簸、装卸的撞击、气候的影响、海水的侵蚀等，并采用变频器、吸气调节阀、电子膨胀阀、数字卸载阀等技术控制冷媒的流量，提高温度控制精度。

例如，STARCOOL 一体化冷机采用变频技术控制压缩机，THERMO KING 机组和CARRIER 机组采用了数字卸载阀，来调节涡轮式压缩机，制冷的效率和速度都得到提高，节能效果也比较明显。

1 CARRIER 制冷机组的组成与原理
69NT40-511 制冷机组和CSR-40SL制冷机组所采用的制冷配件、控制阀及传感器、冷量的调节方式等方面都存在一定的差异，但发展到69NT40-561制冷机组和MAGNUM 制冷机组后，两类制冷系统的原理逐步一统，差距非常的小，但各自控制器ML3 和MP3000A 之间却毫不兼容。

69NT40-561制冷机组仍采用R134A 冷媒，其工作原理如图1所示。

该系统的主要组成有：涡轮式压缩机、空气冷凝器、蒸发器、水冷式冷凝器、干燥过滤器、经济器、电子膨胀阀、液体注入阀、经济器膨胀阀、经济器电磁阀、数字卸载阀，检修阀、排气温度传感器、排气压力传感器、蒸发器压力传感器吸气压力传感器、蒸发器温度传感器等。

与69NT40-511机组相比，主要的改进在于：（1）使用涡轮压缩机代替往复式压缩机，引入数字卸载阀，引入交流电相序切换继电器。

（2）使用经济器代替热交换器，并引入了液体注入阀和经济器电磁阀。

（3）使用电子膨胀阀代替机械热膨胀阀，去掉了吸气电磁阀和吸气调节阀。

压缩机将吸入的气体压缩成高温高压气体，标准运行时，经济器电磁阀关闭，制冷剂通过排气管进入风冷式冷凝器。

对于配备水冷凝器的机组，当冷却水接入时，
空气冷凝器风扇将由程序控制运行。

采用风冷式冷凝器运行时，空气流过盘管及散热片，冷却制冷剂到饱和温度，气体变成高压高温的液体，然后流入储液器保存起来，以便低温运行时作必要的补充。

当水冷式冷凝器被起动时，制冷剂通过风冷式冷凝器后，进入水冷式冷凝器内，管内流动的冷却水将制冷剂冷却到饱和温度，变成高压高温液体，并储存在水冷凝器里，以便低温运行时作必要的补充。

液态制冷剂继续流过液路检修阀、干燥过滤器和经济器，到达电子膨胀阀，通过电子膨胀阀的可变节流孔后，液态制冷剂部分蒸发成气体，其余液体则通过吸收周围的热量而在蒸发器盘管中气化，再经吸气管路回到压缩机中。

在经济器运行时，经过干燥过滤器后的液态制冷剂，流过经济器电磁阀、经济器热膨胀阀和经济器内部管道，吸收流向电子膨胀阀液态制冷剂中的热量，产生的混合态冷媒，从经济器接口进入压缩机，以冷却压缩机。

常闭的液体注入阀也会根据需要打开或关闭，防止压机过热。

化霜时系统采用的是电加热管。

2 强电逻辑电路与保护措施
该制冷机组强电部分采用继电器逻辑控制，如图2 所示。

系统采用三相480VAC 60HZ 或360VAC50HZ 交流供电，因涡轮式压机有正反转的区别，且蒸发器风扇电机为三相异步双速电机，也有正反转的区别，所以使用PA 与PB 接触器构成互锁型交流电相序切换器，由控制器内TCP 继电器控制。

涡轮式压缩机无内部热保护开关，只要控制器内TC继电器吸合，且压力正常，则压缩机开始工作，如果压缩机排气压力过高，导致HPS 保护开关打开后，由硬件直接将压缩机断开供电。

在经济器运行时，TS 触点吸合，打开经济器电磁阀，压缩机过热时，TQ 触点吸合，打开液体注入阀。

冷凝器风扇由380VAC 供电，串电容启动，单速运行，当使用水冷式冷凝器时，冷却水将水压开关WPS 打开，控制器检测到ECG2 输入端状态发生变化后，软件控制TN 触点是否断开，确保在水冷凝不充分的情况下，空气冷凝仍然有效。

冷凝器风扇内部过热时，由内部IP－CM 保护开关自动将风扇断电。

蒸发器风扇电机共两个，并行接线，由ES 接触器控制低速，由EF 接触器控制高速，为了使高速总可以起动且高速起动时不允许低速起动，所以将EF 的常闭触点串接在ES 线圈回路。

两个蒸发器电机的内保护IP－EM1和IP－EM2也串接在一起，故任何一个蒸发器风扇内部保护开关断开后，两个风扇都将断电。

当控制器内TV触点吸合时，ES接触器供电，蒸发器风机低速运转；当控制器内TE触点吸合时，EF接触器供电，蒸发器风机高速运转。

在接线无误的情况下，如果两个蒸发器风机一个正转，一个反转，则反转的电机已经故障，反转是由于空气流动造成的。

该制冷机组将六个U型加热管首位串接构成一个圆圈，每隔两根U型加热管引出一个接线头，共三个接线头分别接至交流电的A B C 三相，由HR接触器供电。

当控制器内TH触点吸合且加热终止开关HTT连接的情况下，加热有效，局部加热温度过高，HTT开关保护断开，HR线圈失电，加热过程自动终止。

除了上述硬件上的保护，在软件方面也存在保护，包含在机组启动、压机过热调节、冷凝器压力调节等过程中，完善的功能代码和故障代码，更确保了机组的安全可靠运行。

系统控制器共有CD01－CD55个功能代码，AL03－AL69个报警指示，系统数据记录仪有DC1－DC35个功能代码，DAL70－DAL91个报警指示。

功能代码Cd29（故障反应动作）可由操作人员进行设定，以选择在发生系统故障时控制器将采取的动作。

功能代码Cd31（交错起动，延时补偿）和Cd32（电流限定）可由操作人员进行设定，以控制多台机组的起动顺序和工作电流。

控制器还支持P0.0－P10.2等30余项零部件的功能测试与故障分析，其测试结果存储在数据记录仪当中，并在显示屏上以AL或DAL代码的形式向用户进行警示。

控制器检测压缩机的排气压力和温度及吸气压力。

如果排气压力或温度上升到最大极限以上或者吸气压力下降到最低极限以下，压缩机将在计时三分钟后终止运行。

在压缩机终止运行期间，冷凝器和蒸发器风扇继续工作。

在压缩机正常运行过程中：①如果压缩机穹顶的温度持续五秒钟超过 136C(276.8F)，液体注入电磁阀（LIV）将打开；当压缩机高压出口端的温度随后降至 121C (249.8F)或更低时，液体注入电磁阀关闭。

②如果在卸载模式运行（吸气冷却）期间吸气过热度超过 55C 范围，液体注入电磁阀将打开。

当吸气过热度降至 20C 以下或机组脱离卸载模式时，液体注入电磁阀将关闭。

③如果出现需要打开液体注入电磁阀的情况，但当穹顶温度低于136C 而且吸气过热度小于 20C 范围时，阀门将关闭。

若配置变量 CnF15（排气温度传感器）被设定为“In”而 CnF48（冷凝器风扇开关超控）被设定为“On”，则冷凝器风扇开关超控逻辑被启动。

尽管冷却水压力
足以断开水压开关，但是水的流量或温度条件不能维持排气温度时，控制器逻辑将按以下规则给冷凝器风扇供电：①如果排气温度高于 115C (240F)，则冷凝器风扇通电。

②当排气温度降至 90.5C (195F) 时，冷凝器风扇断电。

③如果系统运行水冷凝方式且高压开关（HPS）在七分钟内断开两次，则冷凝器风扇通电，并保持通电状态直到系统关闭。

制冷机组的工作过程和模式都是由控制器程序自动控制的，一般不需要人工的干预，但是实现控制系统100%无故障率也不太现实，在紧急情况下可由手动旁路开关，将压缩机、风扇、控制阀等直接起动，继续维持机组的运行，到达码头后，再安排专业人员及时进行修理。

3 处理器信号采集与控制电路
控制器主要处理电阻式的温度传感器和压力传感器输入，开关式的状态输入，继电器隔离的开关输出，控制电子膨胀阀EEV的步进电机信号输出，控制数字卸载阀DUV的PWM信号输出等，并通过电力线载波通信完成远程数据监控模块RMM的作用，并以RS232串口通信方式与PC连接，通过DATALINE软件查询数据记录，重要参数，以及PTI记录等。

3.1 模拟信号输入电路
如图3所示，模拟信号主要包括：STS送风温度传感器、SRS送风记录传感器、RRS回风记录传感器、 RTS回风温度传感器、AMBS环境温度传感器、 CPDS排气温度传感器、DPT排气压力传感器、 SPT吸气压力传感器、EPT蒸发器压力传感器、 ETS 蒸发器温度传感器、CS电流互感器、DTS除霜温度传感器、HS湿度传感器、USDA1－4货物感温器等，这些信号分别连至多路选择开关CD4051和DG408的输入端，在地址总线、数据总线和控制总线的作用下，由74HC273锁存输出后，选通多路开关，被选中的一路信号经后继放大和偏置电路后，进入模数转换器AD652，将输入的电压转变为控制器可以识别的频率信号，完成信号的采集工作。

但同一时刻MCU只能对一路信号进行模数转换，其余各路等待，全部完成耗时较长。

3.2 开关信号输入电路
如图4所示，开关信号主要包括：HPS高压保护开关、 HTT加热终止温控器、IP电机内部热保护开关、WPS水压开关、MDS手动化霜开关，这些信号经滤波和调理电路后，进入反相施密特触发器74HC14，整形后的信号锁存在三态输出倒相缓冲器74HC563中，等待MCU的读取，在地址总线、数据总线和控制总线的作用下，由74HC139译码后选通74HC563的输出，被锁存的开关状态，经数据总线进入MCU内部，由MCU根据开关状态，决定下一步执行的动作。

该MCU采用8位数据总线，所以可以同时读取8个开关状态。

3.3 控制信号输出电路
如图5所示，控制器主要控制的对象包括：PA机组相位接触器、PB机组相位接触器、CH压缩机接触器、CF冷凝器风扇接触器、EF蒸发器风扇接触器-高速、ES。