電氣工程與自動化畢業(yè)論文船舶制冷控制系統(tǒng)的動態(tài)分析與優(yōu)化設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　船舶制冷控制系統(tǒng)的動態(tài)分析與優(yōu)化設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程與自動化 </p><p>　　學生姓名 學號

2、 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科技的發(fā)展，人們正在不斷的開發(fā)資源，從陸地到太空，再到深海，到處都是人類開采的腳步

3、。大海，人類相對來說了解的還是很少，現(xiàn)今的科技還不足人們涉足深海。海洋魚類資源豐富，是食物的一大來源，但是海洋過于廣闊，魚類的品質和船員的食物如何保鮮也是一大難題。所以在不斷向海洋開發(fā)，發(fā)展海洋經濟的現(xiàn)今，制冷系統(tǒng)的發(fā)展和研究是近幾年來大家所關心熱點， 因為隨著我國國民經濟的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代化的不斷提高，各行各業(yè)都離不開制冷的科技問題，尤其是夏天，制冷更是人們最關心的問題。特別是在沿海地區(qū)，如船舶運輸、海洋捕漁業(yè)及水產品的精深加工業(yè)等重要

4、支柱產業(yè)都需要高質量的制冷技術。制冷技術在船舶上有著廣泛的應用，如需冷藏的貨物與食品，魚類的運輸以及船員居住環(huán)境改善，空調制冷等，隨著海洋資源開采的不斷深入，海洋考察和海底開發(fā)等都已與制冷技術密切相關。本文從船舶制冷控制系統(tǒng)的電氣原理圖和數據模型的動態(tài)分析出發(fā)，對優(yōu)化船舶制冷控制系統(tǒng)提出了建議和措施。</p><p>　　在上述論述基礎上提出船舶制冷系統(tǒng)控制目標函數，擬定系統(tǒng)優(yōu)化的綜合性能指標；設計系統(tǒng)的組成方案

5、和電器控制原理圖，選擇測溫及測壓的檢測元件等對系統(tǒng)進行PLC控制，編制梯形圖；分析壓縮機負荷性質以及變頻控制電動機與壓縮機電能消耗之間的功率聯(lián)系，闡明變頻節(jié)能的基本原理。為了更精確的掌握制冷系統(tǒng)的運行狀況，以及更好的了解變頻器對于電動機和壓縮機的節(jié)能效果，著重的分析了壓縮機在不同情況下動態(tài)性能以及轉速的變化，也為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化提出了些許建議和措施。</p><p>　　關鍵詞：船舶制冷；動態(tài)分析；控制優(yōu)化；可編程

6、控制器</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　As technology develops, people are constantly developing resource, from land to space, to the deep sea, the pace of exploitation of human beings

7、 everywhere. Sea, or the understanding of the human is relatively small, less than today's people involved in deep sea technology. Rich in marine fish resources is a major source of food, but the ocean is too vast, t

8、he quality of fish, how fresh the food and the crew is a big problem. So to keep the marine development, the development of marine economy t</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1

9、</b></p><p>　　第1章 制冷控制系統(tǒng)原理與優(yōu)化4</p><p>　　1.1 目標函數的確定4</p><p>　　1.2 優(yōu)化指標的確定4</p><p>　　1.3 制冷系統(tǒng)的數學模型和控制決策4</p><p>　　1.3.1 壓縮機和電動機模型數據計算5</p>

10、<p>　　1.3.2 冷庫溫控系統(tǒng)模型5</p><p>　　1.3.3 壓縮機能量控制6</p><p>　　第2章 制冷控制系統(tǒng)電氣構成和實現(xiàn)8</p><p>　　2.1制冷控制系統(tǒng)電氣原理構成圖8</p><p>　　2.2制冷系統(tǒng)的硬件組成及軟件設計9</p><p>　　2.2.1船

11、舶制冷系統(tǒng)示意圖9</p><p>　　2.2.2系統(tǒng)硬件組成10</p><p>　　2.2.3壓縮機工作原理11</p><p>　　2.2.4電動機工作原理11</p><p>　　2.2.5系統(tǒng)軟件設計14</p><p>　　第3章 制冷控制系統(tǒng)的設計15</p><p>

12、　　3.1 變頻器、PLC與制冷系統(tǒng)的聯(lián)接15</p><p>　　3.2 溫度控制的實現(xiàn)16</p><p>　　3.3 壓力控制的實現(xiàn)16</p><p>　　3.4 可編程序控制器PLC程序流程圖17</p><p>　　第4章 結束語 22</p><p><b>　　致謝23</b

13、></p><p>　　參考文獻 24</p><p><b>　　附錄25</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著科技的不斷發(fā)展，制冷技術已廣泛的應用到工業(yè)、農業(yè)、漁業(yè)，交通運輸業(yè)等方面，已成為我國生產、生活上不可分割的一個部分。船舶運輸業(yè)

14、是是沿海的一個重要行業(yè)，制冷技術在船舶運輸上得到看廣泛的運用。如：船舶運輸貨物，食品冷藏，生活環(huán)境的制冷都離不開制冷技術。由于遠洋船舶航行距離長，時間長，所以易腐貨物必須通過冷藏才能保證運輸到達目的地。同時船上船員在航海期間生活上又必須得到保障，這又離不開制冷技術，以保證新鮮食品和飲料的供應，再說船上的氣溫環(huán)境，在夏天海洋氣候炎熱，船艙內溫度極高，需要通過制冷技術產生調節(jié)室內溫度來以提供船員舒適的生活水平。制冷技術在特種船舶上也有浙廣泛

15、的用處。比如漁船上，在現(xiàn)階段，出海捕魚已經向遠洋深海發(fā)展，漁場面積大，海上工作時間長，為保證魚的新鮮，就必須在船上設置制冷系統(tǒng)，以保證魚類的品質。尤其是對比較大的魚類，如金槍魚等，都需要對魚類進行冷凍加工，才能產生經濟效益。海洋是人類的巨大寶庫，為了更進一步的開發(fā)海洋資源，更好的發(fā)展海洋經濟，就必須進行海洋考察，建造海洋考察船，深海探測器，以及海上開采基地等設施。為保證這些船舶建筑設施的工作條件，制冷系統(tǒng)這些裝置就必不可少。尤</

16、p><p>　　制冷技術是指用人工的方法將一些超過需要溫度物體在一定的時間和空間內,使其溫度降到環(huán)境溫度以下，并保持這個溫度。制冷技術研究內容有三方面：研究獲得低溫的方法和有關的機理以及與此相應的制冷循環(huán)，并對制冷循環(huán)進行熱力學的分析和計算。研究制冷劑的性質，從而為制冷機提供性能滿意的工作介質。研究實現(xiàn)制冷循環(huán)所必須的各種機械和技術設備，包括它們的工作原理、性能分析、結構設計，以及制冷裝置的流程組織、系統(tǒng)配套設計。此

17、外，還有熱絕緣問題，制冷裝置的自動化問題，等等。在船上食品的冷藏條件：水果、蔬菜和乳品冷藏溫度0～5 ℃，相對濕度85～90％，肉類－冷凍溫度-23～-30 ℃，凍結速度2～5cm/h；船舶伙食冷庫低溫庫-18～-20 ℃可保存6個月；-10～-12℃可保存2、3個月。為大家所熟知的臭氧也有很強的冷藏作用，不過缺點也很明顯：（1）殺菌：臭氧性質極不穩(wěn)定，很易分解出單原子氧，且單原子氧的性質十分活潑，有較強氧化作用，當單原子氧與霉菌等微生

18、物接觸時，使微生物的細胞膜氧化，導致微生物死亡。（2）抑制水果的呼吸：防止成熟過快。（3）除臭：對魚類等具有除臭作用。（4）不能用于奶制品和油脂類食品：易氧</p><p>　　縮機吸入，經壓縮后以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態(tài)制冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經膨脹閥時節(jié)流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，產生的低壓蒸汽再次被壓縮機

19、吸入。如此周而復始，不斷循環(huán)。2、蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)是由發(fā)生器、冷凝器、制冷節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。 整個系統(tǒng)包括兩個回路：一個是制冷劑回路，一個是溶液回路。系統(tǒng)中使用的工作流體是制冷劑和吸收劑，我們稱它為吸收是制冷的工質對。吸收劑液體對制冷劑有很強的吸收能力。吸收劑吸收了制冷劑氣體后形成溶液。溶液加熱又能放出制冷劑氣體。因此，我么可以用溶液回路取代壓縮機的作用，構成蒸汽吸收式制冷循環(huán)。3

20、、蒸氣噴射式制冷是靠液體汽化來制冷的。這一點與蒸氣壓縮式及吸收式制冷完全相同，不同的是怎樣從蒸發(fā)器中抽取蒸氣，并將壓力提高。蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)如圖所示。其組成部件包括：噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、泵。噴射器又由噴嘴、吸入室、擴壓器三個部分組成 4、吸附制冷系統(tǒng)是以熱能為動力的能量轉換系統(tǒng)。其道理是：一定的固體吸附劑對某種制冷劑</p><p>　　制冷技術在近代船舶上的廣泛應用，對船舶的營運效益和船員、旅客工

21、作及愉快旅行都具有重要意義，目前制冷裝置已成為船舶上不可或缺的重要設備?，F(xiàn)代船舶制冷裝置分為溫度控制系統(tǒng)和壓縮機自動控制系統(tǒng)兩部分。一般由壓縮機、電動機、冷凝器、貯液器、電磁閥、膨脹閥及冷庫(蒸發(fā)器)等組成，冷庫的溫度控制系統(tǒng)由溫度開關控制供液電磁閥控制流入冷庫蒸發(fā)器的劑量來實現(xiàn)溫度的自動調節(jié)；壓縮機啟停自動控制系統(tǒng)通過壓縮機吸入口低壓開關的通斷來實現(xiàn)控制，當液態(tài)冷劑無法通過電磁閥進入冷庫并回到壓縮機的吸入口，使壓縮機的吸入口的壓力越來

22、越低，直到壓力降到設定的停機壓力，壓縮機停止工作。實際上在溫度調節(jié)的同時，壓縮機的吸入口壓力也發(fā)生變化。</p><p>　　關于制冷技術的控制技術，他的發(fā)展亦經歷著幾個階段，早期是局部控制，如在蒸發(fā)器回路上利用溫度控制與電磁閥等元件，實現(xiàn)被冷卻對象的溫度控制，屬雙位式半自動狀態(tài)，后來發(fā)展壓縮機的能量調節(jié)，隨著熱負荷大小，可以通過打開壓縮機的排氣口辦法以增減壓縮機的運行氣缸數以實現(xiàn)對壓縮機的能量調節(jié)，當然也包括壓

23、縮機的起停及自動調節(jié)冷卻水量的控制?，F(xiàn)在已發(fā)展全自動過程，探索利用可編程序控制器及變頻調速技術進行設備元件的更新，近幾年來日本采用變蒸發(fā)器溫度控制及運行參數的自動修改技術，當熱負荷大時，使系統(tǒng)運行在較低蒸發(fā)溫度，這樣可以提高蒸發(fā)器制冷能力。反之當熱負荷較小時，提高蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器產冷量減少可使制冷裝置的運行電耗大為降低。所以說制冷現(xiàn)代科技的發(fā)展已是全面綜合的過程，而就目前國內較多實際設備仍是比較單一的和簡單的，因此從局部下手著眼于整體的

24、技術改造思路是可以探索和需要的。譬如溫度控制在制冷技術中是首要達到的，多數都采用二位開關控制，溫度達到了指標值，則停止控制，而溫度達到設定值以下某個值時，則進行控制，周而復始，二位控制簡單可靠，能較好的解決實際問題。另外在節(jié)能問題上，制冷系統(tǒng)長期以來采用機械上卸缸等措施</p><p>　　維修困難，功耗高，設備可靠性差，通用性和靈活性差，操作不方便等許多缺點。本文利用可編程序控制器PLC替代在遠洋漁船制冷系統(tǒng)中

25、傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)的操作和控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，并能使壓縮機在起動過程中進行輕載起動，即對船舶電網不造成任何沖擊，又進行能量的調節(jié)，提高了運行的經濟性。</p><p>　　第1章 制冷控制系統(tǒng)原理與優(yōu)化</p><p>　　1.1目標函數的確定</p><p>　　在研究設計船舶制冷控制系統(tǒng)時，需要計算出制冷系統(tǒng)狀態(tài)點的壓力，溫度，電動機的

26、轉數，壓縮機的入口壓力，出口壓力以及冷循環(huán)系統(tǒng)管路的閥門開度等以達到對船舶制冷系統(tǒng)的動態(tài)分析。制冷系統(tǒng)控制的目標函數制定主要是從實際有效的目標出發(fā)，即在系統(tǒng)溫度達到要求的前提下，盡量減少系統(tǒng)所消耗的電能，所以溫度只是一個主要的要求，另一個要求就將涉及到控制能量的消耗，跟能量消耗直接相關的主要物理量是電動機轉數和閥門開度，開度越大，所消耗冷劑就越多，也就需要更多的制冷量。二轉速方面，因為在壓縮機出、入口處壓力差基本處于不變的前提下，功率就

27、與排量成正比，而壓縮機排量又與電動機轉速成比例，所以轉速的高低可以直接反映功率消耗的多少，而電能的消耗即為電動機運轉的時間長短，功率與時間相乘。從上述幾個點可以得出，制冷控制系統(tǒng)主要部件的壓力與溫度參數模型分析、優(yōu)化。</p><p>　　1.2 優(yōu)化指標的確定</p><p>　　現(xiàn)代船舶制冷系統(tǒng),從運行原理與特點看,制冷系統(tǒng)是一個大的系統(tǒng),進而分為二個子系統(tǒng),分別是冷庫溫度控制和壓縮機

28、起?？刂葡到y(tǒng)。研究制冷系統(tǒng)的優(yōu)化是以整個系統(tǒng)整體,既要考慮到二個子系統(tǒng)的存在,又要看到兩個子系統(tǒng)的內在聯(lián)系關系。而一個優(yōu)秀的冷藏系統(tǒng)操作管理人員,就必須使冷庫的溫度保持在規(guī)定的范圍內,而同時又不能造成能源的浪費,必須根據負荷量大小,及時起停壓縮機。在這前提下，船舶制冷系統(tǒng)優(yōu)化指標就應該包括以下幾個方面:第一,運行的制冷系統(tǒng)必須滿足需要的冷藏工作溫度及其允許一定波動范圍,所以制冷系統(tǒng)所能達到的溫度是第一個硬性指標。第二,在達到冷庫溫度前提

29、下,如何才能使整個系統(tǒng)的能耗消耗最低也是我們需要考慮的因素。 譬如為達到所需制冷溫度而消耗的實際需要制冷量,何時起動,卸載或者停止壓縮機運行。第三,設備運行的可靠性也是一大重點，這涉及到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及實用性。要達到這點要求,就必須通過合理的設計,選用可靠元件和設計方法才能得以實現(xiàn)。而在上述三個要點中我們重點討論前二個方面,即溫度與能耗,而能量方面,常用的辦法就是根據冷庫溫度高低及時增減壓縮機工作的氣缸數。近年來,由于交流電機變頻調速技

30、術的成熟,以</p><p>　　1.3 制冷系統(tǒng)的數學模型和控制決策</p><p>　　制冷系統(tǒng)設備包括壓縮機、電動機、冷庫、冷凝器、儲液器和各種閥門管道等。其中壓縮機有多種類型,此處以往復式和螺桿式為例進行討論。</p><p>　　1.3.1 壓縮機和電動機模型數據計算</p><p>　　對于往復式壓縮機,它的實際排氣量為</

31、p><p>　　Q = 60 Zη FS n 　(m/ h) (2-1)</p><p>　　其中n 為轉速( r/ min) , F 為有效截面積(m) , F =（πD ）/ 4 , D 為缸徑(m) , S 為活塞行程(m) , Z 為氣缸作用數,ηv 為容積效率。而輸出功率</p><p>　　P = γQ H ×10　(kW) (2-2)</p

32、><p>　　γ為液體重量(N/ m) , Q 為實際排量(m/ s) , H 為有效壓頭(m) 。</p><p>　　對于螺桿式壓縮機,其實際排量為</p><p>　　Q = 60 Ft nη 　(m/ h) (2-3)</p><p>　　其中F 為有效截面積(m ) , t 為螺桿螺紋的節(jié)距(m) ,而輸出功率</p>&

33、lt;p>　　P = pQ ×10 (kW) (2-4)</p><p>　　式中p 為排出與吸入壓力之差(Pa) , Q 為實際排量(m/ s) 。</p><p>　　上述兩種壓縮機,在上面的流量表達式中可以得到Q 與n 成比例的升高或者下降，而其比例系數又與壓縮機類型、構造尺寸及運行情況等有關。在壓縮機輸出端壓力基本穩(wěn)定情況下，功率表達式（2）與（4）中， 功率P 又

34、可認為與Q 是成比例的，因此把Q代入各自P式中得功率P也與n 近似成比例的，其系數除上述因素外，還要考慮輸出壓力值。所以對于壓縮機,功率的改變可以通過轉速的改變來實現(xiàn)， 轉速低了,功率也相應減少，另外對壓縮機的電動機情況， 若采用變頻調速，其機械特性中，轉速變化曲線幾乎是水平的，調速范圍廣。同時也可證明,在恒轉矩負載下（在壓縮機輸出壓力比較穩(wěn)定情況下），轉速n 的改變，功率也隨之改變。所以不論從負載特性、電動機特性及它們的功率特性分析,

35、當壓縮機轉速上升或下降時,電功率消耗也隨之上升或下降。通過一定時間運行后,亦控制了能量。另外在變頻調速系統(tǒng)中, 改變電動機轉速,是通過改變系統(tǒng)給定頻率來完成的,因為n=（60f）/p（此處p為電動機極對數），所以n 也與f 成正比?？梢娡ㄟ^改變頻率來控制電動機實際轉速,從而實現(xiàn)電動機、壓縮機功率的改變。譬如，冷庫溫度已達到了要求， 則可調節(jié)頻率使電動機轉</p><p>　　1.3.2　冷庫溫控系統(tǒng)模型</

36、p><p>　　當打開各庫的供液電磁閥后,儲液經膨脹閥使冷庫制冷,溫度逐漸下降,實測其階躍響應曲線,得系統(tǒng)溫度特性為帶有延遲型的慣性特性,即</p><p><b>　　= (2-5)</b></p><p>　　其中Q 為冷庫溫度, u 為供液電磁閥閥門開度, T為慣性時間,τ為遲后時間, 注腳i 為冷庫編號, 分別為1 、2 、3 。對指數函

37、數以派德公式展開, 并作近似處理得：</p><p><b>　　≈ (2-6)</b></p><p><b>　　經狀態(tài)式表示得：</b></p><p>　　U (2-7)</p><p><b>　　令向量</b></p><p>

38、<b>　　Q= 則</b></p><p>　　上式為 =AQ+Bu (2-8) </p><p>　　其中A 、B 矩陣,比較式(8) 與式(7) 即可得。</p><p>　　1.3.3 壓縮機能量控制</p><p&g

39、t;　　壓縮機輸出冷劑經冷凝器冷卻后到儲液器,中間經由管道壓力遲后和能量交換,假定冷劑到儲液器后,壓力傳遞過程基本結束,壓力已趨于穩(wěn)定。且當三個冷庫供液電磁閥全開,同時制冷時,此時壓縮機應全速運轉,以保證供應最大制冷量。此時,轉速設定為額定轉速n ，而當一個或二個冷庫供液閥門全開,用液量相應減少,壓縮機轉速應降為（1/ 3）n 或(2/ 3) n ,因為溫度控制過程實質是調節(jié)供液量過程,供液量變化,使回流量改變,也影響壓縮機入口壓力Pi

40、 ,所以測量點放在入口處,能較好的反應供液量需求和冷庫溫度是否到達設置值,</p><p>　　故在壓縮機入口處安置二個動作值不同的壓力開關。當三個供液電磁閥全開,回流量最大時，</p><p>　　入口處壓力設為P1 ,二個供液電磁閥打開時,穩(wěn)定后,入口處壓力設為大于P2 ,而一個供液電磁閥打開,穩(wěn)定后,入口處壓力小于P2 ,按上述分配原則,控制電動機轉速應為</p>&l

41、t;p>　　當Pi > P1 時,</p><p>　　置　n = (3/3)n = n (2-9)</p><p>　　P1 > Pi > P2 時,</p><p>　　置　n = (2/3) n (2-10)</p><

42、p>　　Pi < P2 時,</p><p>　　置　n = (1/3) n (2-11)</p><p>　　通過分析,得到冷庫、電動機、壓縮機部分的控制流程圖如下圖所示,其中能量控制為非線性控制環(huán)節(jié)。在虛線框內,認為系統(tǒng)循環(huán)正常,冷卻水調節(jié)功能齊全,經儲液器后供液輸出,壓力P、溫度T 參數基本穩(wěn)定情況。</p>

43、;<p>　　圖1.1 制冷系統(tǒng)部分控制流程圖</p><p>　　由上面的原理和控制流程圖1.1，我們可以追求系統(tǒng)優(yōu)化的綜合性指標，進而涉及到有關控制思路，擬定系統(tǒng)的組成方案和電氣控制原理圖我們可以由此轉換出電氣控制圖，選擇測溫及測壓的檢測元件對系統(tǒng)進行控制，先擬定繼電系統(tǒng)方案，在控制思路比較清晰的基礎上，由電氣控制圖我們又可以得出PLC控制的梯形圖，采用PLC控制更加靈活，更加方便，對照繼電系

44、統(tǒng)列寫梯形圖，編寫相關程序。為節(jié)省能耗，控制中采用電動機變頻調速技術，探索新技術應用隨負荷的變化相應調節(jié)電源頻率以改變電動機的轉速。在擬定方案過程中，也分析了壓縮機負荷性質以及變頻控制電動機與壓縮機電能消耗之間的功率聯(lián)系，敘述節(jié)能的基本原理。</p><p>　　第2章 制冷控制系統(tǒng)電氣構成</p><p>　　2.1 制冷控制系統(tǒng)電氣原理構成圖</p><p>　

45、　為了更好的了解制冷系統(tǒng)，我們先擬定制冷系統(tǒng)的電氣控制圖，見圖2.1，在逐步介紹系統(tǒng)的工作及其運轉模式，在此基礎上轉換成PLC控制。</p><p>　　圖2.1 電氣構成原理圖</p><p>　　下面介紹電氣控制線路的啟動，運行過程。圖2.2為壓縮機的拖動電動機起動線路圖，當2C繼電器吸合時，觸頭閉合，KM接觸器接通，實現(xiàn)電動機起動，圖中W為隔離開關。在圖2.1中，支路(1)Ph，F(xiàn)R

46、，QL分別為高壓保護，熱繼電器及滑油壓力開關觸頭，當壓縮機運行正常時，該三觸頭閉合，起動條件滿足，d通電，為人工與自動起動壓縮機作準備。支路(3)為冷卻水運行繼電器，支路(4)為手動及自動起動電路，2C為起動接觸器，支路(6)d開閉供液電磁閥繼電器，支路(8)吸入口壓力繼電器，當入口壓力正常，但處于較低壓力以上時P>1/3P，d通電，經穩(wěn)定后，時間繼電器d吸合，可以自動起動壓縮機。支路(9)</p><p>

47、;　　(10)都為吸入壓力繼電器，但整定值不同，P，為吸入口中間壓力，P為最高壓力，當不同壓力時，指令不同的電動機轉速。在8，9支路中壓力開關如圖a所示，共有兩個壓力開關，其中一個壓力開關有兩個通路，一路測量P，在壓縮機入口處，另一路在輸出口上，整定P (高壓保護)，另一個壓力開關二路都放在壓縮機入口處，分別整定P和P.當壓縮機起動時觸頭2C閉合，冷卻水也同時循環(huán)運轉。支路(11)(12)為制冷時風機接通和溫控器工作的繼電器，支路(13

48、)(14)為融霜時，盤管融霜及融霜繼電器，其它支路為指示燈支路，</p><p>　　定時器制冷階段設定為2小時，融霜為5分鐘，定時器由PLC程序設定。</p><p>　　圖2.2 壓縮機的拖動電動機起動線路圖</p><p>　　2.2 制冷系統(tǒng)的硬件組成及軟件設計</p><p>　　2.2.1船舶制冷系統(tǒng)示意圖</p>

49、<p><b>　　如下圖2.3</b></p><p>　　圖2.3 船舶制冷系統(tǒng)示意圖</p><p>　　2.2.2系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　本系統(tǒng)中有11個輸入點和19個輸出點。LG-k80s型的PLC具有的I/O通道有60點，輸入為36點，輸出為24點。具備了對制冷系統(tǒng)實現(xiàn)控制的具體點數要求。在制冷控制系統(tǒng)中有1個

50、總電源開關，1個卸缸手動/自動切換按鈕，1個制冷融霜手動/自動切換按鈕，3個手動卸載按鈕，1個手動融霜開關，1個盤管加熱開關，1個風機手動啟停開關，1個熱繼電保護輸入點，1個高壓保護開關觸點，1個油壓開關觸點，低壓開關觸點。10個指示燈和8個設備驅動輸出端。部分外部接線見下圖2.4</p><p>　　圖2.4 LG-k80s部分外部接線</p><p>　　2.2.3壓縮機工作原理<

51、;/p><p>　　從狀態(tài)1到狀態(tài)2是往復式壓縮機在熱力循環(huán)。在等熵壓縮過程中，壓縮的輸出功率為Ne=G(h2一hl)/3600η1(KW)，G為質量流量，η1為效率系數，所以功率消耗與排量(質量流量)成正比。對螺桿式壓縮機亦基本符合上述規(guī)律，其實際排量Q=60Ftn1ηvm3/h ，其F為有效面積，t為螺桿紋節(jié)距，輸出功率Ne=QPx10-3，P為排出口與吸入口壓力差，ηv容積效率。往復式壓縮機的流量表達式中G=6

52、0ηvZFSn1，其中n1為壓縮機轉速，Z為作用汽缸數，S為活塞行程，F(xiàn)為活塞面積，所以流量G與壓縮機轉速n1，在容積效率不變條件下是成正比的，其比例系數與壓縮機的類型、構造、尺寸等有關，由于在上述討論中得出，Ne與G成正比，G又與n1成正比，而電動機與壓縮機傳動比一定，所以功率Ne與電動機轉速n成正比。另外，如往復式壓縮機轉速過低時，由于容積效率等因素的影響，比例系數也會相應的發(fā)生變化，但是基本趨勢和規(guī)律是一定的，即電動機轉速升高時，

53、消耗功率相應增大，轉速降低時，功率則相應減少。</p><p>　　2.2.4 電動機工作原理</p><p>　　由于電動機功率為P=Mω其中M為轉矩ω為角速度，所以功率是轉矩與轉速相乘，壓縮機從電動機中獲取功率。在傳遞過程中，電動機功率雖然經過皮帶的傳動，帶動壓縮機轉動，并經效率的折耗，但最終功率與壓縮機功率Ne是平衡的，即Pη0=Ne，又因為壓縮機功率Ne是與轉速n成正比的，例即Ne

54、=Kn，K是比例系數，而電動機功率P是轉矩與轉速相乘即=Pω，所以當兩者功率平衡時，綜合起來就可推斷出：因為Pη0= Ne=Kn則Mωη0=Kn，ω=2πn/60 M=K60/2πη0，系數K60/2πη0大小即與轉矩相當，因為系數不變，可見壓縮機作為電動機負載，它的轉矩是不變的，屬恒轉矩性質。從概念上可以理解，在壓縮機出入口壓差基本穩(wěn)定情況下，運轉壓縮機所需轉矩是不變的，而轉速高所需功率大，轉速低時，功率小，所以在上述分析前提下，電動

55、機所帶負載性質為恒定負載，在負載機械特性上表現(xiàn)為垂直性質，屬于恒定負荷，所以電動機采用變頻調速相配合是比較合適的。根據電動機的變頻調速特性，因為三相異步電動機定子每相電壓有效值近似表達式為U=4.44f1N1KN1Фm，機械特性如圖2.5，f1定子供電頻,率，N1定子每相繞組串聯(lián)匝數</p><p>　　圖 2.5 壓頻比控制是變頻調速機械特性</p><p>　　為保持在調速中中，的恒定

56、，所以常以U與f，成比例上升或下降，所以異步電動機變頻調速控制特性如圖2.6所示在基頻以下調速，應用恒轉矩調速，在頻率轉低時，適當增大U以增大起動轉矩。日本三肯公司生產的MF系列變頻器，富士公司的GS、G7、PS、P7系列變頻器，三菱公司的RF系列變頻器都能獲得以上機械特性和調速特性。</p><p>　　圖2.6 變頻調速控制特性</p><p>　　壓縮機入口壓力以P，，表示，注腳i表

57、示P，的變化不同值，把Pli分成幾檔，如PI高、PI，中、P，，低即PIH、P，M、P，L在該不同的壓力下根據前述線性假設，相應電 動機的變化選為n。，(2/3)n。，(l/3)n。，no為額定轉速，如圖2.7所示，橫坐標為入口壓力，縱坐標為電動機轉速。</p><p>　　圖2.7 入口壓力與電動機轉速</p><p>　　當l)Pi＞P1H取n=no;2)P1M＞P1i≥P1M取n=(

58、2/3)n。3)P1M>P1i≥P1L，取n=(1/3)n。4)Pi<P1L，n=0停機。通過上面分析可見，壓縮機與電動機環(huán)節(jié)實際是在電動機以某一轉速運行下(如在額定轉速)，把氣體制冷液從壓力為P;，溫度為t:℃壓縮到氣體狀態(tài)制冷劑，壓力為P2，溫度為t2℃的過程，中間需要經過一定時間，時間常數大小與轉速、容量及環(huán)境溫度等因素有關的。所以在一定的狀況下，制冷系統(tǒng)循環(huán)中每一狀態(tài)點壓力和溫度建立和變化過程是帶有延遲及慣性性質，所

59、以可認為傳遞函數用Ke-/(1+TS)形式來表示。在制冷系統(tǒng)中壓縮機的出口壓力P2，溫度t2℃及入口端壓力P，和溫度t，℃，是主要的表征參數。在傳遞函數中K可由熱工靜態(tài)計算得到的數字來確定，如P1=0.12MP，tl℃= 一20℃，P2=0.95MP，t2℃=38℃則壓力靜態(tài)傳遞系數Kp=0.95/0.12。溫度靜態(tài)傳遞系數Kt=38/(一20)按制冷系統(tǒng)壓縮機功率為3千瓦，型號2F6一3，冷庫尺寸為2.m4X1.msXmZ實測制冷循環(huán)

60、壓力與溫度參數，在它的建立和變化中的過渡過程時間和延時時間數據列表如</p><p>　　表2-1 過渡過程時間和延時時間數據列表</p><p>　　注：P1 P2為從壓縮機入口壓力0.12MP到出口壓力0.95MP</p><p>　　P2 P1為冷凝器出口壓力0.95MP到蒸發(fā)器出口壓力0.12MP</p><p>　　tl

61、℃一t2℃壓縮機溫度(一20℃到38℃);t2℃~t4℃冷凝器溫度降落(38℃到33℃)</p><p>　　t5℃一tR℃從蒸發(fā)器入口到冷庫溫度</p><p>　　說明:以上數據是在電動機轉速為額定轉速情況下得到的，考慮實測數據的可能變化范圍(在不同的環(huán)境溫度、負荷大小，尤其是在轉速降低等情況)所以過渡過程時間，在下面的計算中是以實測數據的左右擴展50%范圍來討論，如實測為20分鐘，則

62、過渡過程時間范圍以10到30分來考慮，時間常數又以1/3過渡過程時間計算。溫度測量采用數字式電阻傳感器溫度測量儀器。冷劑溫度的測量是通過實際測量管壁溫度，然后減去管壁傳熱溫差(約5℃)，即可得出管壁中冷劑的溫度，此處是參考上述靜態(tài)計算值。</p><p>　　2.2.5 系統(tǒng)軟件設計 </p><p>　　在船舶制冷系統(tǒng)中，壓縮機總是根據最大的制冷量來選用，一般功率比較大，大都為多氣

63、缸壓縮機。當壓縮機無能量調節(jié)時，壓縮機的起動力矩較大（達到額定負載的1.8—2.25倍），對船舶電網的沖擊很大，又易引起電動機過載而損壞。所以在壓縮機的起動設計中，采用壓縮機起動時處于卸載狀態(tài)的能量調節(jié)方式，即壓縮機在起動時，每兩缸為一擋，逐擋起動，間隔時間由可編程序控制器中的定時器設定，設定的時間系數可以通過調整程序中的時間常數得到改變。如果采用手動形式，則通過外部的電磁閥的啟停按鈕來控制氣缸數。在壓縮機的出口處設置了高壓保護壓力開關

64、，無論壓縮機處于自動還是手動狀態(tài)，一旦出口處壓力過高，都會使高壓開關斷開，強迫壓縮機停止運行。在制冷與融霜的控制轉換中有手動和自動控制模式，手動控制模式可以根據冷庫冰霜凍結具體情況的需要，由手動開關實現(xiàn)制冷工作模式及融霜工作模式的轉換。在自動控制模式中采用67中的定時器根據冷庫中的冰</p><p>　　霜凍結規(guī)律來設定時間，實現(xiàn)程序順序控制。程序流程圖見下圖2.8：</p><p>　　

65、圖2.8 程序流程框圖</p><p>　　由此可見，可編程序控制器（PLC）作為控制器件具有繼電接觸器所不能比擬的優(yōu)點，在船舶制冷控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計中可編程序控制器（PLC）的應用，提高了系統(tǒng)操作的可靠性，穩(wěn)定性，保護了船舶電網的平穩(wěn)性和節(jié)約了起動電能，在更大的程度上使得制冷系統(tǒng)能夠更加順利運行。</p><p>　　第3章 制冷控制系統(tǒng)的設計</p><p>　

66、　3.1 變頻器、PLC與制冷系統(tǒng)的聯(lián)接</p><p>　　圖3.1 船舶制冷系統(tǒng)原理圖</p><p>　　1、電動機2、變頻器3. PLC控制器4、壓縮機5、滑油分離器6、冷凝器7貯液器8、回熱器9,蒸發(fā)器10.溫控器11、入口壓力表12、出口壓力表</p><p>　　制冷系統(tǒng)的電動機調速是受壓縮機的入口壓力P控制的，為使控制準確定位，分三檔處理，為額定轉速

67、按前述分析。當P≥P=0.12MPa(表)為額定值時，則電動機轉速n。，即電源頻率為50Hz。入口壓力開關與PLC、變頻器聯(lián)結圖如圖3.1所示。（1）：當P＞P時，d,d,d閉合，從而FR接通，頻率為50Hz；當P＞P≥P時，接通d, d,使2DF和3DF接通為40Hz，當P＞P≥P時，接通d是3DF動作，為30Hz，當P＜P停機。（2）：當入口壓力下降至P＞P＞P=(2/3)P時，則電動機轉速為(2/3)n。，其頻率降為40Hz，又當

68、入口壓力下降至P＞P>P時電動機轉速為=n(1/3)n。其頻率降為30Hz，再當P<(1/3)P后，停機運行。當P≥P時，變頻器接線端應接通正轉端子FR，而功能參數指令碼應選定16，起始頻率設定50Hz為額定轉速頻率，此時ddd接通，F(xiàn)接通，斷開ZDF和3DF，只有FR接通。當P＞P≥(2/3)P時，變頻器接線端應接通ZDF和3DF選擇第四頻率，即d、d接通，功能參數指令碼選14，頻率為40Hz。當P＞P≥(1/3)P時，變

69、頻器接線端應接通3DF，只接通d，功能參數</p><p>　　圖3.2 入口壓力開關與PLC、變頻調速連接</p><p>　　引起制冷系統(tǒng)運行不滿意或平衡破壞的根本原因是環(huán)境變化引起冷庫溫度變化,所以需要控制器去調整供液電磁閥門的開度來滿足給定溫度值。另外電動機轉速改變的根據又是什么呢? 追溯根本,也應該是冷庫溫度變化,按此推理,好象溫度變化既要去控制閥門,又要去控制轉速,但這樣會使控

70、制關系重疊和混淆,所以本系統(tǒng)采用的方案為冷庫溫度的高低直接由冷劑供液閥開度來調整,此任務由溫控器來完成,而電動機轉速變化則聽從于壓縮機的入口壓力,當入口壓力減小時,說明冷劑回流量減少,冷庫已經達到制冷要求。所以可以減小轉速,以減少冷劑流量,因為轉速與流量是成正比的。入口壓力減小了,轉速也相應減小,這是一個非線性函數關系,它在壓縮機功率一定的情況下,與冷庫容量和制冷溫度等有關。至此,優(yōu)化思路也由此而生,所謂優(yōu)化,即可理解為系統(tǒng)處于較合理的

71、狀態(tài),在滿足一定的溫度要求條件下,減少或合理的使用能源。所以本系統(tǒng)中控制視線始終注意著冷庫溫度和入口壓力的變化,在它們的指令下,控制有關物理量的變化。</p><p>　　3.2 溫度控制的實現(xiàn)</p><p>　　在制冷裝置中，溫度測量元件采用wT一1226型溫度繼電器，如圖3.3所示，是比較可靠和簡單的溫度控制元件，庫內溫度變化由溫包1感受，經毛細管2和波紋管3使橫桿4上下移動控制相

72、應的控制觸點，接通或斷開供液電磁閥的電路通斷，以使冷庫溫度保持在給定的范圍內，通過調整主彈簧6拉力來調整溫度低限及調整幅差彈簧10張力來調定溫度高限，實踐證明依靠簡單的二位控制能較好的控制溫度設定值。按順序依次為1.溫包2.毛細管3.波紋管4.杠桿5.刀口支點6.主調彈簧7.定觸頭8.動觸頭9.彈簧座10.幅差彈簧11.跳簧片.</p><p>　　圖3.3 WT-1226型溫控繼電器</p>&

73、lt;p>　　3.3 壓力控制的實現(xiàn)</p><p>　　在制冷裝置中，壓力控制主要是由高壓保護壓力開關來實現(xiàn)。吸入口壓力開關常用來控制原動機電動機的起停和轉速，根據入口處不同壓力，起停壓縮機，并以不同轉速運轉，以維持庫溫的穩(wěn)定。高壓繼電器用來保護壓縮機的過高壓力，在太高壓力下，使壓縮機停轉，防止排氣端壓力過高，起高壓保護作用，選用DNS一D606型高低壓繼電器，如圖3.4所示:按次序依次為：1、3動觸頭2

74、、4、5、6靜觸點8、幅差螺釘9、高壓限值螺釘10、主調彈簧11、幅差彈簧12、高壓限值調節(jié)彈簧13、吸入壓力15、16、擺動板17、18跳簧。</p><p>　　圖3.4 壓力繼電器</p><p>　　3.4 可編程序控制器PLC程序流程圖</p><p>　　制冷系統(tǒng)PLC程序流程圖，是根據實際電氣繼電系統(tǒng)圖得到的，在流程圖3.5中，壓縮機起動條件是指電機過

75、載，滑油壓力，高壓保護都正常下得到的，壓縮機起動按操作形式分為兩種，人工及自動形式，壓縮機起動后即可制冷運行;制冷運行內容為冷卻水泵起動，接通滑油壓力開關，和溫控繼電器電源，運轉風機以及接通各指示燈回路。制冷運行2小時后進入融霜周期，為5分鐘，此后循環(huán)重復，梯形圖中輸入繼電器為X，輸出繼電器為Y，輔助繼電器為M，選用F1一6 M0R型PC，輸入點為36，輸出點為24，M71及M72為特殊輔助繼電器，M71為初始化脈沖，CP運行后，第一個

76、工作周期接通，此處作計數器初始清零用，M72為I00ms周期通斷的時鐘脈沖，50ms通，50ms斷，輸入輸出繼電器接線圖如圖3.6所示，制冷系統(tǒng)運行PLC梯形圖見圖3.7</p><p>　　圖 3.5 制冷系統(tǒng)PLC流程圖</p><p>　　圖3.5 輸出輸入繼電器接口圖</p><p>　　圖3.6 輸出輸入繼電器接口圖</p><p&

77、gt;　　圖3.7 制冷系統(tǒng)控制運行梯形圖</p><p><b>　　第4章 結束語</b></p><p>　　制冷過程是一種能量的轉換過程, 即通過消耗電能從低于環(huán)境溫度的物體中取走熱量。</p><p>　　對于不同的系統(tǒng)或同一系統(tǒng)不同的工作狀態(tài), 取走相同的熱量所需消耗的電能是不一樣的。在本文開頭，我介紹了許多關于船舶制冷的方法，但

78、是我們必須找到一個實用有效的方法來達到船舶制冷的效果，從而能在實際當中運用，所以此次的優(yōu)化方案意在避開繁瑣的數學推導和線性二次型性能指標研究方案，而以實用為主要目的的基本思想指導下，保留實際可行的部分，如對溫度的控制和冷卻水單獨調節(jié)，在滿足溫度基本要求前提下，探索能量的節(jié)約。其次也研究了電動機的負荷特性及交流電動機在變頻調速控制下與壓縮機運行功率的內在聯(lián)系，進而證明了在恒轉矩負荷下，可以節(jié)約能量。由于變頻器的引入使得電動機和壓縮機的能量

79、消耗在一定程度上得以降低，而PLC可編程序控制器的控制實現(xiàn)也讓制冷系統(tǒng)能夠以一個更方便的形式得以完成控制，這在一定程度上更加貼近了船舶制冷動態(tài)性能的優(yōu)化設計</p><p>　　壓縮機負荷性能以及變頻控制減少電動機和壓縮機能耗也為以后制冷系統(tǒng)優(yōu)化提供了一個方向。</p><p>　　在本論文中，主要采用了溫度和壓力參數分開研究辦法，即壓力參數在壓縮機出口到貯液器出口是高壓區(qū)，壓力幾乎不變，

80、所以系統(tǒng)共分兩區(qū)，即壓力變化區(qū)和高壓不變區(qū)，故仿真實質是從高壓不變區(qū)到變化區(qū)或變化區(qū)到高壓不變區(qū)的過程，使問題大為簡化，避開了復雜的模型推導。此外在現(xiàn)代儀表中，在相對壓力下的蒸發(fā)溫度也得以顯示，所以可以大致了解系統(tǒng)各點狀態(tài)。在控制上，先擬定繼電控制方案，分析系統(tǒng)控制的合理性，然后在控制部分實際上采用性能更加優(yōu)越和靈活的可編程序控制器(PLC)技術，以提高靈活性和安全可靠性。</p><p><b>　　

81、參考文獻</b></p><p>　　[1]胡國清.機電控制工程理論與應用基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.</p><p>　　[2]袁任光.可編程序控制器(PC)應用技術與實例[M].廣州:華南理工大學,2001.</p><p>　　[3]劉國平.船舶制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制[M].舟山:船舶工程,2002.</p><p&

82、gt;　　[4]張建一.制冷裝置節(jié)能技術[M] .北京:機械工業(yè)出版社,2000.</p><p>　　[5]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.</p><p>　　[6]袁任光.可編程序控制器（PC）應用技術與實例[M].廣州:華南理工大學出版社,2001.</p><p>　　[7]錢積新,王慧,周立芳.控制系統(tǒng)的數字仿真及計算

83、機輔助技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[8]李發(fā)海.電機與拖動基礎[M].北京:清華大學出版社,2002.</p><p>　　[9]阮忠.船舶電氣設備維修指南[M].北京:人民交通出版社,2000.</p><p>　　[10]王新全.船舶動力及機械設備控制與監(jiān)測年[M].上海:上海交大出版,2001.</p>&l

84、t;p>　　[11]曹輝,霍是.可編程序控制器系統(tǒng)及應用[M].杭州:電子工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[12]劉國平.船舶制冷系統(tǒng)模型研究船舶工程[M].上海:上海交大出版社,2003.</p><p>　　[13]董景新,趙長德.控制工程基礎[M].北京:清華大學出版社,2004.</p><p>　　[14]張曙光.檢測技術[M].北京:中

85、國水利水電出版社,2002.</p><p>　　[15]付家才.工業(yè)控制工程實踐技術[M].杭州:化學工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[16] Chen C.T . Liner system theory and design[M]. New york:Holt.Rinehart and Winston,1984.</p><p>　　[17] Bob

86、row L. Elementary liner Cireuit Analysis[M] .Seeond Edition. New york：Oxford University Press,2002.</p><p>　　[18]ogata K. Modern control Engineering[M] .third Edition. Englewood eliffs,Nj:prentiee一Hall,1997

87、.</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　運行程序指令:</b></p><p>　　步序 指令 代碼符號</p><p>　　0

88、 LDI X010</p><p>　　1 ANDI X011</p><p>　　2 ANDI X012</p

89、><p>　　3 OUT M120</p><p>　　4 LD X401</p><p>　　5

90、 OR M121</p><p>　　6 ANDI M122</p><p>　　7 OUT M121</p>

91、<p>　　8 LD X402</p><p>　　9 OR M122</p><p>　　10 AND

92、I M121</p><p>　　11 OUT M122</p><p>　　12 LD X403</p><

93、p>　　13 AND M121 </p><p>　　14 OUT M123 </p><p>　　15 LD

94、 X404 </p><p>　　16 AND M121 </p><p>　　17 OR Y441</p><

95、;p>　　18 AND M123</p><p>　　19 LD M122</p><p>　　20 AND

96、 M124</p><p>　　21 ORB</p><p>　　22 AND M120 </p><p>　　23

97、 OUT Y441</p><p>　　24 LD X405</p><p>　　25 OUT Y442&l

98、t;/p><p>　　26 OUT T450</p><p>　　27 K 10</p><p>　　28

99、 LD X406</p><p>　　29 OUT Y443 </p><p>　　30 LD X407

100、 </p><p>　　31 OUT Y444</p><p>　　32 LD T450</p><p>　　33

101、 OUT M124</p><p>　　34 LD Y441</p><p>　　35 OUT