摘 要：本装置由模拟冷冻冷藏库（控制终端）和电气控制系统两大部分组成。冷冻冷藏库选用一机两库，通过程序设置，可以实行双库运行和a单库运行，可以提供五种模式选择，即一冷藏一冷冻、两冷藏、两冷冻、一冷藏、一冷冻。相对于传统的控制方式，本系统具备更好的灵活性和更加强大的控制功能，具有直观、可操作性强、操作方便、故障维修易、经济节能等特点。

关键词：可编程序控制 人机界面 变频 实训考核装置
　　1996年，国家颁布《职业教育法》，对高职院校的发展进行了规范，要求高职院校大量培养应用型、技能型人才，培养基层实用型人才，配合国家产业结构的优化升级和经济增长方式的转变，其中，自动化控制技术的推广是加速我国制造业升级的重要手段。然而，在教学中，实训设备很难满足综合项目的学习需要，例如能同时满足下列要求的设备市场上几乎没有：可编程序控制器的程序设计，可编程序控制器特殊功能模块的使用，压力传感器、温度传感器的工作原理及运用，变频器的接线及调速控制，触摸屏画面的创建，PLC、变频器、触摸屏三者间的通信，计算机与PLC之间的通信及小型冷库的制冷原理和控制系统。为此，笔者设计了一套以冷库作为电气控制终端的实训考核装置。

一、可编程序控制人机界面实训考核装置项目可行性研究
　　可编程序控制人机界面实训考核装置是根据国家提出的“四新技术”要求来研发制作的，适合大专、高职高专、技工院校的制冷专业和电气自动化专业用于PLC、变频器、触摸屏的实训教学。针对本装置的功用，主要对两方面进行了调研：一是PLC、触摸屏、变频器三者采用MODBUS-RTU协议进行通信的冷冻冷藏教学装置，市场上有没有？二是小型冷库采用二库多模式运行，市场上有没有类似的产品？经过多方查证，确认本实训装置在市场上尚未出现，设备具备原创性。对于市场上为什么没有此类产品，经分析主要有以下几个原因。一是由于PLC、触摸屏、变频器价格比较贵，如果选用将会推高冷库的生产成本；二是如果采用传统的控制方法很难实现二库多模式运行。然而，随着科技的不断进步，PLC、触摸屏、变频器已经开始国产化，价格也将变得便宜，且将来必会更加低廉，而其智能化水平要比普通单片机更具优势，这就为设计小型冷库提供了广阔的发展空间。因为它可以通过触摸屏实现人机交互，满足不同冷冻冷藏对象的需求，符合社会实际需要，又可以作为实训装置推广PLC、触摸屏、变频器的运用技术，是一种有广阔前景的新设备。

二、可编程序控制人机界面实训考核装置项目的设计构思
　　设计本装置主要考虑两个方面的用途，一是用来满足实训教学需要，系统要运用HMI、PLC、MD及多个功能模块，使模拟冷冻冷藏库在教学中有较多的知识性、实用性、稳定性、可靠性；二是代表小型冷库的一种设计理念，利用先进的控制技术让传统的冷库更具实用性。
　　1.HMI在系统中的应用
　　HMI是人机界面，也称触摸屏，是触摸式图形显示终端，它是一种人机信息交互装置。在运行中，参数可以进行调整及修改，同时进行监控，通过触摸屏做到人机交互。具体交互的主要内容如下：运行温度的设定及调整；压力传感器信号反馈回来的参数设定及修改；高温区的温度、低温区的温度显示及监控；压缩机电机的运行频率、电压、电流的监控及参数的修改；对每一控制元件可以点动控制，方便设备的调试和检测，并通过RS232通信进行控制。HMI通过软件可以直接解决多项点动和手动功能，方便了调试和单项控制元件的独立试验，效果显著，方便实用，是本系统控制的亮点之一。
　　HMI触摸屏人机交互装置要能完成以下实训教学：学生了解触摸屏系统的配置、连线及参数设定，且通过本装置设备的实训能掌握HMI软件的使用、画面创建、传送等。
　　2.PLC控制器的应用
　　PLC控制比传统继电器控制更可靠、方便，能根据项目工艺要求进行控制。对HMI的数据进行交互处理，与A/D、D/A、PT信息交互，达到工艺要求。在维修上，根据I口的信息情况进行故障诊断及排除。与传统控制相比，PLC控制可大大缩短复杂的接线工艺及加快故障诊断，在软元件监控上给维修带及时帮助，比过去的常规控制带来更大的方便。在教学方面，PLC教学要求达到如下实训目的：学生能了解PLC在冷库控制中的I/O、编程的应用，掌握用PLC技术实现冷库的控制方法，了解运用程序实现对冷库故障的检测及维修。
　　3.功能模块的应用
　　系统中使用A/D、D/A、PT三种功能模块，其主要作用是将模拟量转为数字量、数字量转为模拟量的一个控制过程，解决了信号间的传送及转换问题，实现了压力信号的检测、温度信号的检测和变频信号控制的检测等；且这些信号的检测相精度高、稳定性好、抗干扰强，控制信号数据调节极为方便，数据变化范围较宽，数据处理和反馈信号控制处理极为快速。这是传统控制方法难以实现的，这是本系统控制的亮点之二。
　　4.MD变频器的应用
　　冷库压缩机电机容量是按照最大热交换量来设计的，由于季节、昼夜温度的变化及冷库库存量的变化，很多时间热交换量远小于设计值，而热交换量的大小是由压缩机的转速所控制的。电机的耗电量决定于其输出功率，输出功率与电机转速的立方成正比P∝n?，所以电机的转速稍有下降，输出功率将大幅下降。若电机的转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功耗将大大减小，从而达到节能的效果。所以本系统设计采用MD变频调速技术，可通过频率调节实现压缩机在很宽的范围内平滑调速，从而自动调节压缩机转速，达到压缩机正常工作要求和平衡热负荷所需的制冷量，从而达到冷库恒温和节能的目的。另外，变频器能较好地解决压缩机的软启动问题，运行上升频率时间可设定在5秒以内，能快速在30Hz～60Hz内达到稳定运行，大大改善了启动性能，减少电流在启动上的冲击，并与PLC、D/A结合组成PID闭环控制，使系统操作简单、运行可靠、自动化程度高。以上三者间的关系如图1。
　　图1 计算机、触摸屏、PLC、变频器通信联结图
　　5.制冷工作原理
　　制冷系统主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器、气液分离器和电磁阀、压力调节阀等辅助设备组成。制冷剂选用R22，压缩机吸入低温低压的R22气体，经过压缩变成高温高压的R22气体，进入冷凝器放出热量变成R22液体，经过干燥过滤器，除去制冷剂中的固体杂质和混入的少量水分，经分流装置，可以通过毛细管分别进入两蒸发器，制冷剂R22剧烈沸腾，蒸发温度可低至-30℃，从而迅速吸收库内热量，R22液体变成气体后流经气液分离器回到压缩机，进入下一循环，如此反复达到制冷的目的。具体制冷循环图如图2。
　　6.两库多模式运行
　　利用电磁阀的不同组合（表1），实现两库多模式运行，制冷系统如图2。
　　当电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5同时投入使用时，只要通过触摸屏选择，可以实现（一）、（二）、（三）三种不同的模式选择。当电磁阀1、电磁阀2、电磁阀4投入使用，电磁阀3、电磁阀5不使用时，可以实现模式（四）运行。当电磁阀1、电磁阀3、电磁阀5投入使用，电磁阀2、电磁阀4不使用时，可以实现模式（五）运行。

三、可编程序控制人机界面实训考核装置电路控制设计图
　　可编程序控制人机界面实训考核装置相关的电路控制设计图，见图3、图4、图5。

四、可编程序控制人机界面实训考核装置的特点
　　可编程序控制人机界面实训考核装置具有四大特点。一是设计新颖，选用小型冷库作为控制终端，PLC、触摸屏与变频器采用MODBUS-RTU协议进行三方通信，填补国内此类实训装置空白。二是利用程序控制，通过改变制冷剂循环的不同路径和改变库温设置，做到二库五种模式运行，代表了未来小型冷库的设计方向。三是通过触摸屏可以进行人机互动，监控冷库的运行工况，操作方便。四是利用变频器的调速功能，实现快速制冷和节能，符合国家节能环保要求。