1、本 科 毕 业 设 计船舶制冷控制系统的动态分析与优化设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要随着科技的发展，人们正在不断的开发资源，从陆地到太空，再到深海，到处都是人类开采的脚步。大海，人类相对来说了解的还是很少，现今的科技还不足人们涉足深海。海洋鱼类资源丰富，是食物的一大来源，但是海洋过于广阔，鱼类的品质和船员的食物如何保鲜也是一大难题。所以在不断向海洋开发，发展海洋经济的现今，制冷系统的发展和研究是近几年来大家所关心热点， 因为随着我国国民经济的迅猛发展，现代化的不断提高，各行各业都离不开制冷的科技问题，尤其是夏天，制冷更是人们
2、最关心的问题。特别是在沿海地区，如船舶运输、海洋捕渔业及水产品的精深加工业等重要支柱产业都需要高质量的制冷技术。制冷技术在船舶上有着广泛的应用，如需冷藏的货物与食品，鱼类的运输以及船员居住环境改善，空调制冷等，随着海洋资源开采的不断深入，海洋考察和海底开发等都已与制冷技术密切相关。本文从船舶制冷控制系统的电气原理图和数据模型的动态分析出发，对优化船舶制冷控制系统提出了建议和措施。在上述论述基础上提出船舶制冷系统控制目标函数，拟定系统优化的综合性能指标；设计系统的组成方案和电器控制原理图，选择测温及测压的检测元件等对系统进行 PLC 控制，编制梯形图；分析压缩机负荷性质以及变频控制电动机与压缩机
3、电能消耗之间的功率联系，阐明变频节能的基本原理。为了更精确的掌握制冷系统的运行状况，以及更好的了解变频器对于电动机和压缩机的节能效果，着重的分析了压缩机在不同情况下动态性能以及转速的变化，也为制冷系统的优化提出了些许建议和措施。关键词：船舶制冷；动态分析；控制优化；可编程控制器IIABSTRACTAs technology develops, people are constantly developing resource, from land to space, to the deep sea, the pace of exploitation of human beings everyw
4、here. Sea, or the understanding of the human is relatively small, less than todays people involved in deep sea technology. Rich in marine fish resources is a major source of food, but the ocean is too vast, the quality of fish, how fresh the food and the crew is a big problem. So to keep the marine
5、development, the development of marine economy today, refrigeration systems development and research hotspot in recent years we are concerned, because as the rapid development of Chinas national economy, modernization of the continuous improvement of all walks of life are inseparable refrigeration t
6、echnology, especially in summer, cooling is one of the most concern. Especially in coastal areas, such as shipping, marine capture fisheries and aquatic products processing industry and other important pillar industry of precision requires high-quality refrigeration technology. Refrigeration technol
7、ogy is widely used on ships, for refrigerated goods and food, fish transportation and improved crew living conditions, air conditioning, refrigeration, etc., with the deepening exploitation of marine resources, marine and submarine development have been investigated and closely related to refrigerat
8、ion technology. This article from the ships electrical refrigeration control system schematic diagram and data model of dynamic analysis, we ship refrigeration control system to optimize the suggestions and measures. Based on the discussion presented in the above ship refrigeration system control ob
9、jective function, development of comprehensive performance indicators system optimization; design of system components and electrical control schematic program, select the temperature and pressure measurement in the detection of the system components such as PLC control, preparation of ladder map; o
10、f the nature of the compressor load and frequency control power consumption of the compressor motor power link between clarify the basic principles of frequency energy. In order to more accurately grasp the refrigeration system operating conditions, and better understanding of the drive motors and c
11、ompressors for the energy saving effect, focusing on the analysis of the compressor dynamic performance under different conditions, and changes in speed, but also for cooling system optimization put forward proposals and measures a little. Key words: ship refrigeration; dynamic analysis; control opt
12、imization; programmable controller III目 录前言 .1第 1 章 制冷 控制 系统原 理与 优化 .41.1 目标函数 的确定 .41.2 优化指标的确定 .41.3 制冷系统的数学模型和控制决策 .41.3.1 压缩机和电动机模型数据计算 .51.3.2 冷库温控系统模型 .51.3.3 压缩机能量控制 .6第 2 章 制冷控制系统电气构成和实现 .82.1 制冷控制系统电气原理构成图 .82.2 制冷系统的硬件组成及软件设计 .92.2.1 船舶制冷系统示意图 .92.2.2 系统硬件组成 .102.2.3 压缩机工作原理 .112.2.4 电动机工作
13、 原理 .112.2.5 系统软件设计 .14第 3 章 制冷控制系统的设计 .153.1 变频器、PLC 与制冷系统 的联接 .153.2 温度控制 的实现 .163.3 压力控制的实现 .163.4 可编程序控制器 PLC 程 序流程图 .17第 4 章 结束 语 .22致 谢 .23参考文献 .24附 录 .251前 言随着科技的不断发展，制冷技术已广泛的应用到工业、农业、渔业，交通运输业等方面，已成为我国生产、生活上不可分割的一个部分。船舶运输业是是沿海的一个重要行业，制冷技术在船舶运输上得到看广泛的运用。如：船舶运输货物，食品冷藏，生活环境的制冷都离不开制冷技术。由于远洋船舶航行距离
14、长，时间长，所以易腐货物必须通过冷藏才能保证运输到达目的地。同时船上船员在航海期间生活上又必须得到保障，这又离不开制冷技术，以保证新鲜食品和饮料的供应，再说船上的气温环境，在夏天海洋气候炎热，船舱内温度极高，需要通过制冷技术产生调节室内温度来以提供船员舒适的生活水平。制冷技术在特种船舶上也有浙广泛的用处。比如渔船上，在现阶段，出海捕鱼已经向远洋深海发展，渔场面积大，海上工作时间长，为保证鱼的新鲜，就必须在船上设置制冷系统，以保证鱼类的品质。尤其是对比较大的鱼类，如金枪鱼等，都需要对鱼类进行冷冻加工，才能产生经济效益。海洋是人类的巨大宝库，为了更进一步的开发海洋资源，更好的发展海洋经济，就必须进
15、行海洋考察，建造海洋考察船，深海探测器，以及海上开采基地等设施。为保证这些船舶建筑设施的工作条件，制冷系统这些装置就必不可少。尤其是近几年来，国际市场上出现了专门运输天然气的槽船，由于它在运输过程中有特殊要求，所以必须在这些船上安置气体液化设备，以实现液化气的安全储运，这里的液化就必须用到制冷技术。制冷技术在海军建设中更是广泛得到应用，舰艇战斗续航力及某些弹药的安全放存等都必须依靠制冷装置。制冷技术是为达到人们期望的低温或合适温度而发展起来的。制冷技术是指用人工的方法将一些超过需要温度物体在一定的时间和空间内,使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。制冷技术研究内容有三方面：研究获得低温的方
16、法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算。研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝缘问题，制冷装置的自动化问题，等等。在船上食品的冷藏条件：水果、蔬菜和乳品冷藏温度 05 ，相对湿度 8590，肉类冷冻温度-23-30 ，冻结速度 2 5cm/h；船舶伙食冷库低温库-18-20 可保存 6 个月；-10-12可保存 2、3 个月。为大家所熟知的臭氧也有很强的冷藏作用，不过缺点也很明显：（1）杀菌：臭氧性质极不稳定，
17、很易分解出单原子氧，且单原子氧的性质十分活泼，有较强氧化作用，当单原子氧与霉菌等微生物接触时，使微生物的细胞膜氧化，导致微生物死亡。 （2）抑制水果的呼吸：防止成熟过快。 （3）除臭：对鱼类等具有除臭作用。 （4）不能用于奶制品和油脂类食品：易氧化使之变质。 （5）不能用于叶绿素较多的蔬菜：产生斑点，减少维生素含量。在船上，多数使用机械制冷方法：分为蒸发制冷、气体膨胀制冷、半导体制冷。1.蒸发制冷（最为普遍）又分为蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷、吸附式制冷。2.气体膨胀制冷（用于飞机空调和气体低温液化） 。3.半导体制冷（用于潜艇、医疗器械、小型空调）本篇论文研究的也是蒸发制冷。下
18、面大概介绍下这几种制冷方法：1、蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道将1它们连接成一个密封系统。制冷剂液体在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交换，吸收被却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。2、蒸汽吸收式制冷系统是由发生器、冷凝器、制冷节流阀、蒸发器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。 整个系
19、统包括两个回路：一个是制冷剂回路，一个是溶液回路。系统中使用的工作流体是制冷剂和吸收剂，我们称它为吸收是制冷的工质对。吸收剂液体对制冷剂有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液加热又能放出制冷剂气体。因此，我么可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸汽吸收式制冷循环。3、蒸气喷射式制冷是靠液体汽化来制冷的。这一点与蒸气压缩式及吸收式制冷完全相同，不同的是怎样从蒸发器中抽取蒸气，并将压力提高。蒸气喷射式制冷系统如图所示。其组成部件包括：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成 4、吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。其道理是：一定的固体吸
20、附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析。解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷级液体蒸发，产生制冷作用。制冷技术在近代船舶上的广泛应用，对船舶的营运效益和船员、旅客工作及愉快旅行都具有重要意义，目前制冷装置已成为船舶上不可或缺的重要设备。现代船舶制冷装置分为温度控制系统和压缩机自动控制系统两部分。一般由压缩机、电动机、冷凝器、贮液器、电磁阀、膨胀阀及冷库(蒸发器 )等组成，冷库的温度控制系统由温度开关控制供液电磁阀控制流入冷库蒸发器的剂量来实现温度的自动调节；压缩机启停自动控制系统通过压缩机吸入口低压开关的
21、通断来实现控制，当液态冷剂无法通过电磁阀进入冷库并回到压缩机的吸入口，使压缩机的吸入口的压力越来越低，直到压力降到设定的停机压力，压缩机停止工作。实际上在温度调节的同时，压缩机的吸入口压力也发生变化。关于制冷技术的控制技术，他的发展亦经历着几个阶段，早期是局部控制，如在蒸发器回路上利用温度控制与电磁阀等元件，实现被冷却对象的温度控制，属双位式半自动状态，后来发展压缩机的能量调节，随着热负荷大小，可以通过打开压缩机的排气口办法以增减压缩机的运行气缸数以实现对压缩机的能量调节，当然也包括压缩机的起停及自动调节冷却水量的控制。现在已发展全自动过程，探索利用可编程序控制器及变频调速技术进行设备元件的更
22、新，近几年来日本采用变蒸发器温度控制及运行参数的自动修改技术，当热负荷大时，使系统运行在较低蒸发温度，这样可以提高蒸发器制冷能力。反之当热负荷较小时，提高蒸发温度，蒸发器产冷量减少可使制冷装置的运行电耗大为降低。所以说制冷现代科技的发展已是全面综合的过程，而就目前国内较多实际设备仍是比较单一的和简单的，因此从局部下手着眼于整体的技术改造思路是可以探索和需要的。譬如温度控制在制冷技术中是首要达到的，多数都采用二位开关控制，温度达到了指标值，则停止控制，而温度达到设定值以下某个值时，则进行控制，周而复始，二位控制简单可靠，能较好的解决实际问题。另外在节能问题上，制冷系统长期以来采用机械上卸缸等措施
23、，上述二个2问题，若综合起来，利用新技术，既考虑温度指标，又考虑节能，从整个规划上考虑，设计良好的系统方案，追求系统的优化。传统的远洋渔船制冷系统多数采用继电接触器控制，存在着机械触点多，接线复杂，维修困难，功耗高，设备可靠性差，通用性和灵活性差，操作不方便等许多缺点。本文利用可编程序控制器 PLC 替代在远洋渔船制冷系统中传统的继电接触器控制系统，简化了系统的操作和控制，提高了系统的可靠性，并能使压缩机在起动过程中进行轻载起动，即对船舶电网不造成任何冲击，又进行能量的调节，提高了运行的经济性。4第 1 章 制冷控制系统原理与优化1.1 目标函数的确定在研究设计船舶制冷控制系统时，需要计算出制
24、冷系统状态点的压力，温度，电动机的转数，压缩机的入口压力，出口压力以及冷循环系统管路的阀门开度等以达到对船舶制冷系统的动态分析。制冷系统控制的目标函数制定主要是从实际有效的目标出发，即在系统温度达到要求的前提下，尽量减少系统所消耗的电能，所以温度只是一个主要的要求，另一个要求就将涉及到控制能量的消耗，跟能量消耗直接相关的主要物理量是电动机转数和阀门开度，开度越大，所消耗冷剂就越多，也就需要更多的制冷量。二转速方面，因为在压缩机出、入口处压力差基本处于不变的前提下，功率就与排量成正比，而压缩机排量又与电动机转速成比例，所以转速的高低可以直接反映功率消耗的多少，而电能的消耗即为电动机运转的时间长短
25、，功率与时间相乘。从上述几个点可以得出，制冷控制系统主要部件的压力与温度参数模型分析、优化。1.2 优化指标的确定现代船舶制冷系统,从运行原理与特点看,制冷系统是一个大的系统,进而分为二个子系统,分别是冷库温度控制和压缩机起停控制系统。研究制冷系统的优化是以整个系统整体,既要考虑到二个子系统的存在,又要看到两个子系统的内在联系关系。而一个优秀的冷藏系统操作管理人员,就必须使冷库的温度保持在规定的范围内,而同时又不能造成能源的浪费,必须根据负荷量大小,及时起停压缩机。在这前提下，船舶制冷系统优化指标就应该包括以下几个方面:第一,运行的制冷系统必须满足需要的冷藏工作温度及其允许一定波动范围,所以制
26、冷系统所能达到的温度是第一个硬性指标。第二,在达到冷库温度前提下,如何才能使整个系统的能耗消耗最低也是我们需要考虑的因素。 譬如为达到所需制冷温度而消耗的实际需要制冷量,何时起动,卸载或者停止压缩机运行。第三,设备运行的可靠性也是一大重点，这涉及到系统的稳定性以及实用性。要达到这点要求,就必须通过合理的设计,选用可靠元件和设计方法才能得以实现。而在上述三个要点中我们重点讨论前二个方面,即温度与能耗,而能量方面,常用的办法就是根据冷库温度高低及时增减压缩机工作的气缸数。近年来,由于交流电机变频调速技术的成熟,以及变频器的优越性所以本制冷系统也采用了压缩机电动机的速度控制与变频器相结合,以转速来间
27、接调整功率。所以制冷系统的优化性能指标中,第二个重点也将压缩机的转速控制量作为重点参考,以达到最小耗能,当系统达到了上述要求,则系统就会被认为是优化过的系统,运行于优化状态。1.3 制冷系统的数学模型和控制决策4制冷系统设备包括压缩机、电动机、冷库、冷凝器、储液器和各种阀门管道等。其中压缩机有多种类型,此处以往复式和螺杆式为例进行讨论。1.3.1 压缩机和电动机模型数据计算对于往复式压缩机,它的实际排气量为Q = 60 Z FS n (m / h) (2-1)v3其中 n 为转速( r/ min) , F 为有效截面积(m ) , F =（ D ） / 4 , D 为缸径(m) , S 22为
28、活塞行程(m) , Z 为气缸作用数, v 为容积效率。而输出功率P = Q H 10 (kW) (2-2)3 为液体重量(N/ m ) , Q 为实际排量 (m / s) , H 为有效压头 (m) 。33对于螺杆式压缩机,其实际排量为Q = 60 Ft n (m / h) (2-3)v其中 F 为有效截面积(m ) , t 为螺杆螺纹的节距(m) ,而输出功率2P = pQ 10 (kW) (2-4)3式中 p 为排出与吸入压力之差(Pa) , Q 为实际排量(m / s) 。3上述两种压缩机 ,在上面的流量表达式中可以得到 Q 与 n 成比例的升高或者下降，而其比例系数又与压缩机类型、构
29、造尺寸及运行情况等有关。在压缩机输出端压力基本稳定情况下，功率表达式（2）与（4）中， 功率 P 又可认为与 Q 是成比例的，因此把Q代入各自P式中得功率 P也与 n 近似成比例的，其系数除上述因素外，还要考虑输出压力值。所以对于压缩机,功率的改变可以通过转速的改变来实现， 转速低了,功率也相应减少，另外对压缩机的电动机情况， 若采用变频调速，其机械特性中，转速变化曲线几乎是水平的，调速范围广。同时也可证明,在恒转矩负载下（在压缩机输出压力比较稳定情况下），转速n 的改变，功率也随之改变。所以不论从负载特性、电动机特性及它们的功率特性分析,当压缩机转速上升或下降时,电功率消耗也随之上升或下降。
30、通过一定时间运行后,亦控制了能量。另外在变频调速系统中 , 改变电动机转速 ,是通过改变系统给定频率来完成的 ,因为 n=（60 f）/p（此处p为电动机极对数），所以n 也与f 成正比。可见通过改变频率来控制电动机实际转速 ,从而实现电动机、压缩机功率的改变。譬如，冷库温度已达到了要求， 则可调节频率使电动机转速降低，功率减少，使耗电也减少，从而节约电能。1.3.2 冷库温控系统模型当打开各库的供液电磁阀后,储液经膨胀阀使冷库制冷,温度逐渐下降,实测其阶跃响应曲线,得系统温度特性为带有延迟型的惯性特性,即= (2-5)(suiQstieTK1其中 Q 为冷库温度 , u 为供液电磁阀阀门开度
31、 , T为惯性时间 , 为迟后时间 , 注脚 i 为冷库编号 , 分别为1 、2 、3 。对指数函数以派德公式展开 , 并作近似处理得： (2-6)(sisii)(16经状态式表示得：U (2-7) 321321321.32100TKQTQ令向量Q= 则321Q上式为 =AQ+Bu (2-8) .其中A 、B 矩阵 ,比较式(8) 与式(7) 即可得。1.3.3 压缩机能量控制压缩机输出冷剂经冷凝器冷却后到储液器 ,中间经由管道压力迟后和能量交换 ,假定冷剂到储液器后 ,压力传递过程基本结束 ,压力已趋于稳定。且当三个冷库供液电磁阀全开 ,同时制冷时 ,此时压缩机应全速运转 ,以保证供应最大制
32、冷量。此时 ,转速设定为额定转速 n 0，而当一个或二个冷库供液阀门全开 ,用液量相应减少 ,压缩机转速应降为（1 / 3） n 或(2/ 3) n ,因为温度控制过程实质是调节供液量过程 ,供液量变化 ,使回流量改变 ,也影响0压缩机入口压力 Pi ,所以测量点放在入口处 ,能较好的反应供液量需求和冷库温度是否到达设置值 ,故在压缩机入口处安置二个动作值不同的压力开关。当三个供液电磁阀全开 ,回流量最大时，入口处压力设为 P1 ,二个供液电磁阀打开时 ,稳定后 ,入口处压力设为大于 P2 ,而一个供液电磁阀打开 ,稳定后 ,入口处压力小于 P2 ,按上述分配原则 ,控制电动机转速应为当 Pi P1 时,置 n = (3/3)n = n (2-9)0P1 Pi P2 时,置 n = (2/3) n (2-10)0Pi P2 时,置 n = (1/3) n (2-11)0通过分析,得到冷库、电动机、压缩机部分的控制流程图如下图所示,其中能量控制为非线性控制环节。在虚线框内,认为系统循环正常,冷却水调节功能齐全,经储液器后供液输出,压力 P、温度 T 参数基本稳定情况。
