氨/二氧化碳復疊式制冷系統自動化研究與設計分析

邵長勝 任志峰

摘 ?要：為更好的滿足經濟社會發展及人們追求高質量生活的需求，應加大冷藏庫的建設力度。盡管近些年國內冷庫總容量與人均占有量均有明顯提升，但和世界先進水平相比較，冷庫項目的設計與生產技術均較落后，自動化冷庫占比相對較低。為提升我國冷庫自動化水平及更好的落實節能減排政策，本文從硬件、軟件兩大方面設計了氨/二氧化碳（NH3/CO2）復疊式制冷系統，以供同行參考借鑒。

關鍵詞：復疊式制冷系統;氨/二氧化碳;軟件;硬件;自動化設計

引言

近些年中，國家給予環保、節能情況較高重視，對制冷行業發展過程起到良好的促進作用，新型制冷系統陸續被研發，實現環保、智能化是系統的主要發展方向。制冷企業一定要以技術創新維支撐，提升制冷控制系統的設計水平，使其具備較好的自動化控制功能。在NH3/CO2雙制冷劑系統內，CO2僅存留在機組內，克服了很多危險因素，和其他混合工質比較，效率提升量高于70%。NH3制冷的優勢主要表現在安全、節能等方面上，在NH3/CO2復疊式系統內，NH3被限制在機房區，減輕了對人員及貨物品造成的損害。提升制冷系統的自動化水平，能明顯減少因人為操作失誤帶來的隱患。

1、控制系統硬件設計

本系統選用S7-300系列PLC作為總控中心，利用PROFIBUS技術調控各控制單元，實現系統的全自動化運轉，在此基礎上勾畫設計項目的網絡架構圖。[1]

利用 S7-200PLC+HMI調控各模塊單元，負責接收由PLC傳送的各種指令。PLC不僅能利用EM277模塊拓展總線 PROFIBUS-DP由站接口，還具備遠程編程、維護功能。該系統內，均應用自動型機組作為氨壓縮機組，能實現對能量的智能化調控;結合系統降溫流程，蒸發冷能自動化調控啟停動作，參照冷凝壓力的改變情況自動調控數臺蒸發冷水泵和軸流風機的運轉狀態;制冷機房中布設了NH3、CO2報警裝置，對系統安全運行過程起到了一定維護、鞏固作用。

1.1機組控制柜

選用進口控制元件作為壓縮機控制臺，其有調控過程靈敏度高、可靠性強的特征，選用觸摸屏作為控制界面，全中文顯示，使用者的可操作性較強。其實可以將PLC看成是計算機設備，軟硬件結構與計算機大體一致。利用閉環直接數字控制PLC運轉過程，實現了全程、全自動化計算機調控，明顯提升了壓縮機調控的精準性、穩定性。智能檢測吸氣壓力，利用PLC自動控制滑閥上的卸載情況，能在很少的范疇中自動調控壓縮機運行狀態，減少能耗量。在機組PLC上還增設了通訊卡，對MODBUS、PROFIBUS等運轉過程起到良好的支持作用，能和建筑自控系統或上位機進行雙向通訊，這是實現遠程監控、多機群控的重要基礎。

1.2撬塊控制柜

氣液分離器、CO2泵及其他附件是撬塊的主要構成，結構科學、行程實現集中化等是其主要特征，便于制冷系統的兼容與應用。其中，采用磁浮子液位計設計氣液分離器，丹佛 ICS+ICM+AKS4100U+EKE347協同實現智能供液、預警液位超高情況等。分離器上布置了自動、手動兩種供液方法，AKS4100U傳感器最大的功能是把液位信號傳送到PLC上，并且會在上位機直觀的呈現出來。CO2泵上裝設了壓差控制器，當CO2泵進、出口壓力在設計值之下時，壓差控制器便傳送出信號，和時間繼電器連通后延時，若在設定的時間中排出壓力不能提高，則就采用暫停泵運轉過程的方法進行處理。[2]

1.3蒸發冷控制柜

參照最大排熱量區選擇適宜的蒸發式冷凝器，已知系統的總熱負荷1068kW，冷凝溫度+35℃，經修正以后的排熱量是1008kW。

不管是蒸發冷水泵，還是風扇，其均配置了手動、自動兩種運行模式，進而使系統運行狀態的可靠性得到更大保障。在室外安置一個溫度傳感器，用于檢測環境溫度，進而精準的判斷系統運行所處的季節，這是系統運行實現節能的重要基礎。合理應用自動化控制原理對蒸發冷運行情況進行計時，暫停操作時，對正處于運行狀態、運轉時間最長的單臺設備進行停止操作，這是設備磨損實現均衡的重要基礎，進而延長設備的使用年限，減少運維成本。

1.4總控PLC柜

利用計算機人機界面能動態監控本系統內所有設備的運行狀態，病集中管理、存儲數據等。用單臺運行組態軟件的工控機作為機房控制室中上位機，采用人工手動方法控制系統設備狀態，S7-200 PLC能實現上位機的自動化操控，以太網完成通訊，實時呈現出各監控點的改變情況，PLC能實現對設備狀態的集中化控制，為不同操作人員布置級別有差異的操控口令，確保系統操作過程的整體安全性。

2、軟件設計

可以將復疊系統看成是配搭雙級系統，主要由高、低溫級兩部分組成，分別利用NH3、CO2作為制冷劑，采用冷凝蒸發器連接高、低溫級制冷系統，通過蒸發CO2去低溫級壓縮機排出的NH3蒸汽。利用蒸發器將冷庫熱負荷傳送給NH3制冷劑，NH3制冷劑吸熱后基于冷凝蒸發器將其傳送給CO2制冷劑。選用研華工控機、液晶顯示器作為機房控制室內上位機，S7-300與S7-200 ?PLC作為下位機，基于PROFIBUS實現快速通訊，實時監控系統內各個設備運行狀態。[3]

3、性能檢測

CO2是天然工質，將其用于制冷領域中，其環保性能相對較高，且和制冷循環及系統運行狀態表現出較高的適應性，且CO2化學穩定，無毒害作用，經濟性較高。NH3制冷具有對環境友好，熱力學性能好，單位容積制冷量高等諸多優勢。氟利昂是一種不易燃、化學性質穩定的制冷劑，可用于各溫級制冷劑內。

本文通過試驗檢測了NH3雙級、NH3+CO2復疊、CO2及氟利昂制冷情況（表1）[4] 。

綜合表1內的數據信息，不難發現各項試驗結果均較好的符合設計指標要求。相比之下，NH3+CO2復疊式系統的操作流程相對較復雜，運行符合改變對系統狀態基本不會形成顯著影響，系統內NH3充入量較少，在機房內能實現集中化。

結束語：

CO2自身性能優良，用NH3+CO2復疊系統將傳統低溫制冷循環工質取代式制冷行業未來發展的主要方向之一?，F已有研究證實，本文設計的復疊系統和傳統R22/R12復疊式系統在性能系數上表現出高度一致性，如果再考慮環境效益問題，則可以認定這種制冷系統自身具有較強的市場競爭力和發展潛力，值得推廣。

參考文獻

[1] 陳利儀. CO2制冷機組復疊系統自動控制設計分析[J]. 中國標準化， 2019， 000（006）：254-256.

[2] 任繼鵬， 孫遠新， 張良. R1270/CO2復疊式制冷系統熱力學分析與研究[J]. 科學與財富， 2019， 000（006）：258.

[3] 孔德霞. NH3和CO2制冷劑及其復疊式制冷系統[J]. 農村經濟與科技， 2020， 031（008）：345-346.

[4] 劉軍， 董磊， 全峰. 某大型冷庫制冷系統的選擇[J]. 冷藏技術， 2019， v.42;No.169（04）：42-44.