海水流化冰制取设备电气控制系统的PLC改造

程智明　张柔佳　李美容等

摘要

针对基于继电器控制的海水流化冰制取设备的稳定性差、可移植性差、扩展能力弱等缺陷，提出了通过欧姆龙CP1E系列PLC控制海水流化冰制取设备，利用PLC系统编程简单、扩展容易、稳定性强、抗干扰能力强等特点，并结合海水流化冰制取设备的控制要求，设计了PLC控制系统的硬件接线图和软件梯形程序图，最终通过欧姆龙上位机控制和显示海水流化冰制取设备的工作状态。

关键词 海水流化冰；欧姆龙PLC；编程；控制

中图分类号 S951.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-342-02

Reform on Electrical Control System of Seawater Slurry Ice Making Equipment with PLC

CHENG Zhiming1， ZHANG Roujia2， LI Meirong1 et al

（1. School of Shipping and Ports Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022； 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316022）

Abstract The seawater slurry ice making equipment based on electric relay control has some shortcomings of low stabilization， low portability and low expansion capability， an idea of the seawater slurry ice making equipment control with PLC of the series of OMRON CP1E was proposed. The PLC has some characteristics of simple programming， essay expansion， high stability and strong antiinterference ability， hardware writing diagram and software ladder program diagram of PLC control system was designed combined with the control requirement of seawater slurry ice making equipment. Finally， the OMRON upper monitor controls and displays the working condition of seawater slurry ice making equipment.

Key words Seawater slurry ice； OMRON PLC； Program； Control

海水流化冰是一种含有细小冰晶粒子的固液两相溶液，其冰晶粒子细小绵密，流动性强，可利用泵输送，也称为冰浆、二元冰[1-2]，是一种不同于传统冰种的新型冷却介质，广泛应用于水产品低温保鲜领域，具有换热面积大、冷却速度快、不破坏产品表皮等优点。在沿海地区，为了提高水产品的低温保鲜质量，通常利用海水流化冰对水产品进行低温保鲜，所以保证海水流化冰制取设備高效、稳定的工作状态越发重要。

随着计算机控制技术的发展，以微处理器为核心的可编程逻辑控制器（PLC）广泛应用于工业自动化领域，PLC系统构成灵活、扩展容易、使用方便、编程简单、能适应各种恶劣的运行环境、抗干扰能力强等鲜明的特点，以PLC为核心的电气控制也已逐步取代了继电器控制。笔者利用PLC系统的优势，结合海水流化冰制取设备的控制要求，设计了海水流化冰PLC控制系统的硬件接线图和软件梯形程序，最终将海水流化冰制取设备控制系统改造为以PLC为核心的控制系统。

1 系统改造方案

1.1 控制系统总体设计

海水流化冰制取设备控制系统的改造以欧姆龙CP1E系列PLC为核心[3-4]，欧姆龙NB系列触摸屏为监控操作界面，可以实现远程控制和显示海水流化冰制取设备工作状态，上位PC机为个人计算机。PLC设备带有编程口与RS232接口，通过编程口可以与上位PC机通讯，将程序写入PLC。在控制系统中采用RS232通讯线实现PLC与触摸屏的通讯，各类传感器将相应开关量输入信号传输到PLC，再由PLC设备控制制冰水泵、压缩机、减速电机和冷凝水泵，系统结构框图如图1所示。

1.2 工作原理介绍

海水流化冰制取设备属于单级蒸汽压缩制冷系统，由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4大部件组成。4大部件之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在这个系统中不断地循环流动，不断发生状态变化，与外界进行热量交换。海水流化冰制取设备系统工作原理图如图2所示，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物的热量

后，汽化成低温低压的蒸汽，并被吸入压缩机压缩成高温高

压的蒸汽后进入冷凝器，在冷凝器中向冷却介质放热形成高压液体，并经过膨胀阀变为低温低压的制冷剂，再次进入蒸发器吸热汽化，形成循环制冷的效果。同时，制冰水泵将配制好的海水输送至制冰桶（蒸发器）内，低温低压的制冷剂蒸发吸热，吸收海水的热量使海水变成海水流化冰，海水流化

冰的含冰率控制通过调节流量计算。为了保证在冰浓度过

高時不堵塞制冰桶，在海水流化冰制取设备中增加流量开关传感器，保证系统的正常运行。

1.3 PLC控制系统电路设计

海水流化冰制取设备的电气控制系统通过压力控制器、流量开关等传感器对压缩机、减速电机、冷凝器水泵和制冰水泵进行控制。例如：当压缩机的压力小于或是大于压力控制器的范围时，控制电路会接收到压力控制器的信号并相应地切断压缩机、减速电机、制冰水泵和冷凝器水泵的电源，起到压缩机过载保护效果。原海水流化冰制取设备中电气控制系统是由继电器进行控制的，并不能满足设备系统构成灵活、扩展容易、使用方便、编程简单、抗干扰能力强、可靠性强的要求。该研究根据海水流化冰制取设备的控制要求，选用欧姆龙CP1E-N30SDR-A型为PLC控制器。海水流化冰制取设备中电气控制系统PLC的I/O分配见表1。电气控制电路的硬件接线图见图3。

1.4 PLC程序编写

根据海水流化冰制取设备的控制要求，采用经验设计法来编写PLC梯形程序图，并通过欧姆龙CP1E型PLC配套的软件CXProgrammer编写PLC梯形程序图。编写完成后，利用软件菜单中程序检查功能对梯形程序图进行语法检查，检查无误后的程序经过编译之后可以通过编程口传送到PLC中。欧姆龙PLC梯形程序图如图4所示。

按下启动按钮SB1，KA1中间继电器接通，KA1各触点动作，KM2线圈（冰刀减速电机）、KM3线圈（冷凝器水泵）、HL2机器运行指示灯接通，HL3机器停止指示灯断开，KM1线圈（压缩机）、制冰水泵接通，流化冰制取设备正常工作，通过调节流量计可制出不同浓度的流化冰。当在制取流化冰过程中冰浓度过高时，水流量会下降，下降到活塞式流量开关的最小值时，WFS触点断开，原本保持接通状态的KA2中间继电器断开，KA2触点复原，T1时间继电器接通，延迟6 s之后，KA1中间继电器断电，KA1各触点复原，T0时间继电器接通，保持KM2线圈（冰刀减速电机）、制冰水泵延迟6 s后断开，通过延迟制冰水泵和冰刀减速电机断电来排出在制冰筒中殊留的流化冰，对制冰筒起到了保护作用。

1.5 HMI程序编写

基于PLC控制点数的要求及成本的考虑，HMI选用欧姆龙NB5QTW00B型号，既能有效控制成本又能满足PLC控制点数的要求。HMI的组态设计通过NBDesigner软件编写，组态设计完成后经过编译可通过USB编程口传送到HMI中。欧姆龙PLC通过RS232通讯线与触摸屏相连，组态设计中各元件的地址与PLC相应元件的地址一致，通过触摸屏可以控制流化冰设备的启动与停止，并在设备出现高低压保护和冰浓度过高或缺水的情况时亮起相应的指示灯，以便排除海水流化冰设备的故障。

2 结论与展望

基于欧姆龙PLC和HMI的海水流化冰制取设备控制系统，克服了以往控制不稳定、故障率高、可扩展性差等缺点。在实际应用过程中，可以根据设备的要求并配合CXProgrammer软件对PLC梯形图程序进行修改，实现流化冰设备的多功能应用，如清洗、控制冰浓度等功能。后期研发中，将海水流化冰控制系统接入互联网，可通过联网计算机或手机对海水流化冰制取设备进行远程控制。