李伟，雷志强， 赵勇/陕西重型汽车有限公司
摘要： 以涂装车间使用的风冷式冷水机组单片机控制系统为例，介绍了原系统控制结构、原理及存在问题，提出了把原系统改造为PLC系统的具体方案。
关键词：冷水机组；单片机；PLC系统
0 引言
驾驶室涂装车间冷水机组主要用于制作冷冻水供给车间水夹套内油漆及电泳漆进行温度控制使用，共计11个模块机组。于2005年投产使用，连续使用13年左右。这套基于单片机的集成控制系统伴随着使用年限的增加，电控系统稳定性逐年下降，平时的维护只能以储备备件进行总成替换和委托厂家修理为主要方式，导致维护成本高，维修效率低，对正常生产影响很大。因此我们着手对其控制系统进行改造，以提高设备可靠性。
1 原电气系统概述
1.1 系统布局
主回路供电有两个分线箱，分别安装在机组的两侧。主电源（AC 380 V，3PH，50 Hz）分别接入分线箱，在分线箱内分出分路电源后，接入11个模块单元压缩机组电控箱内供压缩机主回路及控制系统使用，共计控制22台压缩机组的启停等动作，见图1所示。
控制系统由1个电脑控制器（G2电脑）和11个模块单元上的6个单元电子板组成，通过总线电缆将G2电脑与单元电子板相连接，其中每个单元电子板负责2个模块启停，即4台压缩机系统，其中11#单元电子板只控制1个模块启停，见图2所示。
1.2 模块单元结构及控制功能
如图1所示，制冷机共计11个模块单元，每个模块单元设有单独的电控箱，包含了压缩机启停主回路、控制回路、单元电子板等各类元器件。
模块单元的控制功能：主要是向G2电脑传输温度数据及一些开关量的状态并根据G2电脑的指令启停压缩机、冷凝风扇、电磁阀等，具体包括以下功能。
1）冷凝风扇电机相序检测。采用1个相序继电器，相序正常时触点闭合，允许控制回路动作。
2）压缩机吸气及排气压力检测。采用3组压力传感器，排气压力为FP1、FP2，当排气压力高于设定值时，触点闭合启动冷凝风扇；吸气压力分为最低吸气压力及最高吸气压力，当不满足设定值时，系统会停止单元模块的所有设备。
3）压缩机润滑油加热功能。压缩机处于待机状态下时，加热丝电源接通，润滑油处于加热状态。压缩机启动工作时，加热丝电源自动断开。
4）手/自动运行功能。手/自动切换开关位于单元电子板。自动状态下单元模块内的压缩机受G2电脑控制，手动状态下压缩机直接启动，不受G2电脑控制。
5）压缩机及风扇电机的过流保护。当压缩机空开断开时，单元电子板认为压缩机过流。
6）温度测量及传输。采用热敏电阻做为温度传感器，传感器接口电路位于单元电子板内。单元电子板将检测到的数据通过总线传递给G2电脑控制器做显示和控制。每个单元模块需要向G2电脑传送3个测温点的数据，分别为膨胀阀后温度TX，压缩机吸气温度SUCT，单元冷冻水出水温度CHW。
1.3 电脑控制器功能及参数设定
单元电子板对它所在的模块单元的压缩机系统运行提供监测和保护功能，并将每台压缩机的运行信息通过总线传递给电脑控制器，电脑控制器根据运行需要和模块单元的运行状态，按照一定的程序，向每个模块单元发布运行指令。G2电脑除去与单元电子板的总线通讯外，自身还包括以下5组信号，具体的控制思路和功能见图3所示。
1.3.1 压缩机运行控制方法
当机组投入运行时，电脑控制器以一定的时间间隔（默认为60 s），逐台启动每一个压缩机使其投入运行。每隔24 h轮换运行各台压缩机，以保证各台压缩机磨损均匀。电脑控制器根据冷水回水温度的变化，以及冷冻水温度的控制设定点，控制压缩机投入运行的数量，以使机组的输出负荷与需求负荷一致。每半个模块单元内2个压缩机为一组，并联在制冷回路中，这2个压缩机根据负荷的需求同时运行。若机组有故障发生，当故障发生在模块单元，电脑控制器会关闭出现故障的压缩机；若故障发生在机组的系统，则机组中所有压缩机会全部关闭。每个单元的单元接口板设有选择开关，选择开关分为3档选择，分别为旁通状态、手动状态、自动运行控制状态。当将处于旁通状态时，可通过手动控制单独启停单个制冷系统，以便于模块单元调试维修。
1.3.2 温度控制方法与参数
冷水机组根据冷冻水回水温度与其设定值对比来不断计算控制压缩机组启停运行的台数，进而达到控制冷冻水出水温度目的。具体计算逻辑为：若回水温度大于或等于设定值时，机组全部启动运行；若回水温度低于设定温度时，压缩机需按比例运行或全部停止运行。按比例运行需设定温度比例范围参数，当回水温度值处在设定值与设定值减去比例范围值的范围内时，按等比例运行；当回水温度值低于回水设定值与比例范围值的差时，全部停止。另电脑中可设定具体的温度保护参数见表1所列。
2 系统存在主要问题
G2电脑与单元电子板之间通讯不稳定，频繁意外停机，单元电子板与G2电脑自身稳定性较差，尤其是单元电子板需频繁更换。制冷及水管道上安装的热敏电阻安装方式不到位，电阻与检测孔不配套，测量到的温度精度较低，机组频繁发生保护，无法启动。
3 PLC系统方案设计及改造思路
结合车间设备维修资源等条件，将上述原系统的各种功能规划依靠PLC控制系统来实现。基于车间应用的三菱Q系列PLC，重新设计控制系统，用于替代原厂家设计的单片机控制系统，实现冷水机组各压缩机的控制，以此提高设备可靠性和经济性，制取符合要求的冷冻水，保障正常生产。为了节省采购PLC的成本，此次改造利用输调漆系统的PLC来完成。输调漆系统的PLC搭载有三菱CClink网络和H网络，其中CClink网络具备良好的扩展性和稳定性。本次改造将为制冷机设立独立的控制系统配电柜并安装在室内，做为CClink的分站，由输调漆系统PLC完成对制冷机所有功能的控制。利用其H网络可以为制冷机新增上位机的远程监视与控制功能。
3.1 PLC系统点数计算
根据原系统功能及压缩机组数量，测算所需点数。其中膨胀阀后温度、压缩机吸气温度、单元冷冻水出水温度各11个模拟量，环境温度、冷冻水总出水与回水温度各1个，共计需模拟量通道36个。数字输入信号包括：压缩机最高及最低吸气压力各11个，压缩机排气压力、排气风扇及压缩机热过载信号、压缩机及风扇运行信号、水流开关等关键输入信号共计186个。数字输出信号包括：压缩机与电磁阀启动、运行、报警等信号共计43个。机组原功能中的手动启动显示等功能依靠触摸屏来实现。
3.2 PLC系统元器件选型
原系统使用热敏电阻，因为热敏电阻的非线性，在PLC系统中使用极其不方便，性价比低。所以选用PT100热电阻传感器替代原热敏电阻，热电阻尺寸选与测量孔直径相配套，减少测量误低。针对现有的输调漆系统CClink网络进行延伸，选用CClink温度输入模块，型号规格：AJ65BT-64RD3，共9个；数字量输入模块，型号：AJ65SBTB1-32D，32点，24VDC，共6个；数字量输出模块，型号：AJ65SBTB1-32T，32点，24VDC，共2个。为充分利旧节约，其余元器件采用车间报废闲置的配电柜、线缆与触摸屏等。
3.3 技术试验
从原系统中分离出1#模块单元，构建CClink网络，编制简易程序，由PLC完成对1#机组控制，并与原控制系统并线运行，验证各项参数及功能。
1）温度测量验证。编制PLC温度测量程序和1#模块的PLC控制程序。将原电路中的压缩机继电器线圈交由CClink输出模块通过中继控制，其他电路保持不变。记录PLC系统中测量的温度值，与其他机组测量的温度值横向对比，以验证温度测量功能。
2）开关量验证。将压缩机的压力报警、风扇启动、运行信号等接入CClink输入模块，编制程序，调试至按功能正常启动。
3.4 设计图纸与程序
根据1#机组试验调试结果，编制施工技术图纸和最终系统控制程序，包括：CClink网络通讯图，冷水机组配电柜元器件布置图、控制电路图等，系统主程序包括报警控制、压缩机组调度等子程序及触摸屏画面。改造过程中严格按确定好的电路图纸进行施工，逐台进行改造并调试至正常使用。
4 结语
在本改造方案中，改造所选PLC系统备件与车间内备件型号保持通用，其余利旧，不用再为冷水机组储备专用备件，降低备件库存资金及消耗费用比例。充分利用输调漆系统三菱PLC搭载的各种网络，在后期开发中控系统组态软件的冷水机组监控画面与前处理运行班组的现场触摸屏画面，实现冷水机组配电柜现场、值班点触摸屏及中控系统3个位置的远端状态监控，改造结束后，系统运行稳定，故障率大幅降低，保障了设备可靠性。
详情见《现代涂料与涂装》2018年第10期
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