冷库氨制冷系统自动控制的案例分析
一、引言
连云港天缘食品有限公司最近新建一座大型冷库，它先后分两期实施。2006年竣工的一期工程为三层，容积23000M3，容量5500吨(按肉类计算--下同)，2007年竣工的二期工程为四层，容积35000M3，容量8500吨，共计14个冷藏间，总容积58000 M3，容量14000吨;另有冻结间4间，计40吨/日。冷藏间设计温度为-22℃;冻结间原设计为-25℃，后来将冷风机面积增加，实际能达到-30℃以下。
该工程由国内贸易工程设计院设计，制冷工艺安装工程由烟台冰轮集团施工。原设计制冷工艺部分是手指令程序控制，计算机辅助管理。后来我们将制冷工艺系统改为全自动程序控制，由冰轮集团配合我们对图纸作了部分修改。
冷库制冷系统有氨系统和氟系统两种。在小型冷库中一般使用氟系统，它能比较容易地实现自控;大中型冷库用的则是氨系统，由于氨制冷对安全性要求较高，而以前氨的自控元器件不过关、控制技术不成熟，搞自动化的较少。现在，随着技术进步和计算机的发展，利用信息技术改造传统的制冷工业已经成为可能。目前，有一些新建的冷库在上自动化，我省苏南就有二、三个中型氨系统的自动化冷库，但设备都是全进口的，利用国产设备实现氨系统冷库全自动控制的，连云港天缘食品公司冷库在我省还是第一个。
冷库采用计算机自动控制其制冷与配套动力系统，可以保证了制冷设备和系统稳定、可靠地运行，达到高效、节能、安全的目的。据冰山集团(原大连冷冻机厂)的资料介绍，自动化冷库较传统冷库一般可节电21%。天缘食品冷库的机房(含二期容量)和一期库房于2006年1月开始安装，4月中旬进行自动控制的调试，5月中旬完成;2007年8月二期库房竣工后并入使用。至目前为止已接近两年，自动运行情况较好，对出现一些问题，及时作了适当地修正，证明对氨制冷系统自动控制是完全可行的。初步核算一年多来单位容量耗电量约为0.25kw.h/吨.日，是普通冷库耗电量的二分之一至四分之一，低于国家二级企业规定的标准0.3kw.h/吨.日，而且98%以上是用的低谷电，大大地降低了生产成本。
二、冷库制冷系统与设备配置：
2--1、系统配置
制冷系统分-35℃、-30℃、-10℃三个。-35℃系统用于冻结间，-30℃用于冷藏间。这两个系统采用配搭式双级压缩循环，共用一个中间冷却器(-10℃)和同一高压级;高压级还用于-10℃的空调系统，它通过两个卧式蒸发器为加工间夏季空调提供-3—2℃的乙二醇溶液--目前-10℃系统暂未上马。
2--2、机房及库房的设备配置：机房-见下表
| Te | T c | 机械负荷 | 配机情况 | 台 | 产冷量 |
| -35℃ | -10℃ | 262KW> | 低压机ZKA20CBDY | 1 | 265KW |
| -30℃ | -10℃ | 510KW | 低压机ZKA20CBDY | 2 | 680KW |
| -10℃ | 37℃ | 1595KW其中空调600KW |
高压机ZKA20CBY 高压机ZKA16CBY |
2 1 |
|
| 合计（ | 10℃/37℃） | 3 | 1681KW |
3--2、控制系统的结构：
控制系统采用工业总线型网络，保证各节点之间的可靠通讯。系统为集中监控、分散控制的控制模式。
整个控制系统可划分为三个层次，即监控层、控制层和设备层。
3—2—1、监控层：由一台配备了组态软件的专用工控机，负责下位机(多个PLC)的集中监控和系统的参数配置、管理。在微机上显示各个监测点动态模拟画面、对系统的数据自动生成表格、定时或人为输出到打印机打印，并可在授权的范围内进行设置点的数据设置。
硬件配置：监控计算机、打印机、通讯卡、通讯电缆等。
软件配置：系统软件(Windows/xp的操作系统)，监控组态软件。
3—2--2控制层：控制层由多个PLC组成，每个PLC都是一个独立的子系统，负责对本地设备即PLC的I/O点进行数据采集和控制。
通过通讯网络将所有相关的数据上传给上位监控机。
主要硬件设备：PLC控制器、通讯卡、通讯电缆转接器、人机界面、接口模块、通讯电缆等。
软件：PLC编程软件、人机界面组态软件、应用软件。
3—2--3设备层：设备层在整个控制系统中处于底层，是整个控制系统的关键环节，是控制系统的执行机构和数据采集部分。主要包括执行器、检测单元。如果将PLC比作人的大脑，那么执行机构就是人的手、脚，而检测元件就是人的眼、鼻、耳。
3--3、系统控制功能
3--3--1、制冷压缩机的控制
制冷系统采用自动型制冷压缩机，它是整个系统的关键设备。机组采用PLC 控制，每个机组使用一台PLC来控制本机组的运行，并进行保护。
机组的人机界面可以就地显示制冷压缩机组的运行参数，如排气压力和温度、吸气压力、供油压力和供油温度、滑阀位置、开机次数、累计运行时间、主电机电流等。
机组上的PLC根据系统的需冷情况、吸气压力的变化自动调节压缩机能量滑阀的位置，使机组运行处在最佳的工作点。
机组 的界面能记录最后数次故障的情况，包括发生的时间、故障类别、故障时的数据，这有助于维修人员对发生的故障进行分析。
机组具有完善的保护功能。它有排气压力超高、油压差低、油温高、吸气压力低、主电机过载、油泵电机过载、吸气过滤器前后压差过大等保护与报警功能。
为了实现系统的自动运行和适应调试与维修的需要，制冷压缩机的人机界面上设有‘本地’和‘远程’两种控制方式。当 控制模式设为‘本地’ 时，压缩机的开停由人工控制;当控制模式设为‘远程’时，压缩机的开停为自动;如果系统运行状态为‘自动’，压缩机设为‘本地’，系统不能开启压缩机，整个系统不能自动运行。一般情况，系统运行状态为自动，压缩机应设为‘远程’。
3--3--2、系统的控制
整个制冷系统设有‘自动’和‘手动’两种运行模式，可由‘系统配置菜单’选择“投入”模式。当系统处于‘自动运行’模式，压缩机设在‘远程’状态时，系统的开、停是根据库温和生产指令执行的，这时循环水泵、蒸发冷、冷风机、低压循环桶泵、压缩机都是由系统PLC按自动程序，判断系统的要求自动工作的。当系统处于‘手动’运行模式，压缩机设在‘本地’状态时，系统PLC不根据库温发出开停机的指令，水泵、蒸发冷、冷风机、低压循环桶和压缩机的开、停都由人工进行手动操作。手动操作和一般的手动冷库相同，不同之处是所有的开关是在PLC的人机界面上操作，或在计算机的显示器上点击‘鼠标’进行，使得操作更加简单方便。
3--3--2--1、蒸发式冷凝器和水泵的控制：
可在组态界面选择手动、自动运行方式。自动运行方式具有‘夏季’和‘冬季’两种运行模式可选。自动运行时根据机组运行信号和冷凝压力自动控制水泵和蒸发式冷凝器的投入台数。当冷凝器的所有风机、水泵全部开启，冷凝压力高于1.5MPa时，报警停机电流保护。
冬季运行模式，根据冷凝压力依次先开各台冷凝器的风机，风机全部开启后再开各冷凝器的水泵;并可冬季根据负荷采取干式运行。
3--3--2--2、中间冷却器及低压循环桶的液位控制：
采用丹麦Danfoss公司的氨用SV4(伺服控制器)+PMFL(液位调节阀)+AKS38(浮球液位开关)控制供液和液位，当液位超高自动报警--循环桶液位超高与压缩机组连锁。容器上装有磁浮子式液位计和压力表，由远程液位变送器与压力传感器和计算机连接。
氨泵的控制，根据系统实际负荷控制氨泵的开启台数。氨泵与冷风机供液电磁阀、回气电磁阀及压缩机连锁，设有氨泵压差过低、氨泵缺液及电机过载短路等保护措施。并按照均匀磨损自动替补的原则自动换开氨泵。
3--3--2--3、自动空分的控制:
自动空分单独采用一台PLC进行自动控制。空分和压缩机运行联锁，在压缩机运行时自动放空。多点式空分可以对系统进行实时监测，对各个管路进行巡检放空。
3--3--2--4、库温的控制：
考虑到冷库面积较大，温度波动较大且分布不均匀，故每间冷库设二只‘温度传感器’(中德合资久茂德牌)，库温取两者的平均值。并将温度值输送到控制系统的PLC和主机，利用库温控制压缩机的开停，并可进行库温超高报警。
3--3--2--5、冷风机除霜控制：
除霜控制设有手动和自动定时除霜两种选择(除霜时间及除霜间隔时间可根据实际情况自由设定)。由于热氨除霜存在一定的危险性，故除霜系统全部采用Danfoss的EVRA电磁阀和PMLX主阀(两级开启)进行精确控制。手动和自动除霜方式指除霜的指令是由人工发出或系统根据间隔时间自动发出，整个除霜的过程(即对供液电磁阀、回汽电磁阀、热氨阀等的开关及延时)可以由程序自动完成的。
需要指出，由于氨具有一定的危险性，即便是非常可靠的自动控制系统，也需人来监护，仍要定期或不定期的进行巡视，以保证系统更加可靠、安全地运行。
系统加氨、加冷冻机油和放油因操作频率很低，仍用手动操作。
四、经验教训与问题：
4--1、需要有性能可靠的监控工具和程序软件。 氨制冷系统对安全性要求较高，它的自动化控制比用于其他工业的控制复杂，所以选择可靠、先进的控制器材和控制方式非常重要。PLC是以中央处理器为核心综合计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制 器，是取代传统控制模式的有效工具;而基于PLC的SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)---数据采集与监视控制系统，为我们提供了一种可靠、灵活的监控方式。
编制程序是一件细致而艰巨的重要工作。要求与制冷工艺人员密切配合，以装置的整体为受控对象，综合考虑运行中各种参数之间的关联和影响，以保证其在任何条件下，它都是一个符合实际的、安全的和节能的最佳操作程序。
4--2、自动系统控制元器件的可控性、可靠性是整个系统自动安全运行的关键。Danfoss公司的阀门质量可靠，并有良好的技术支持和售后服务，使用该公司的产品，是理想的选择，但资金投入较高。
相反，同时安装的还有其他厂家的产品，都出现一些问题，有的甚至不能用。
4--3、采用自动化控制，要求系统必须十分干净。为此，我们将管材全部作了酸洗、钝化处理。即使如此，仍可能有点杂质，需要检查清洗。
Danfoss阀门的易损件(如线圈)要有备件，因为进口的手续非常繁琐，需要较长的时间，必须早有准备。
4--4、自动化的设计与安装要选择有实力、经验的承包商总包，并要求他们有优良好的售后服务，以取得技术支持。施工时最好连电控柜的制作和电缆的敷设都由一家负责，减少施工单位之间的扯皮。
4--5、冷藏系统的自动化运行较容易，冻结系统的自动投入相对繁琐和困难。因为冻结间不经常使用，该系统平时的压力较高，而厂家所产‘配搭低压级’配备电机较小，要求Te ≤-25℃(0.5bar)时才能满载运行，需要先用高压机作单级拉低温系统，而后，再转为双级拉中冷。因此，在拉-35℃时，有时需要手动操作，先将低压系统的压力降下来。
4--6、自动化与用电避峰有矛盾。自动化的程序要求以库温为指令启、停设备，而单位大多要求在低谷时间用电。当然，按时间设定程序也可以做到避峰操作，但用‘鼠标’点击也很方便，因此在某种程度上说，还要人工干预。
4--7、原设计压缩机单机排气量过大，使高低压机的排气量配比不尽经济合理。一般说在Te≥-40℃时，高、低压级的排气量的配比以1：3为宜，而现在我们只能配为1：2。如果多装几台LG16机组，可以使自动控制的配组更加灵活。
4--8、除霜操作虽然可以选择‘自动’方式进行，但因热氨除霜有一定的危险性和防止水冲霜时管道会溢水等问题，一般还是以手动除霜为宜。为此，我们现在只采用水冲霜，但在用水冲霜时，需开启回气阀，以防“液爆”。
