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NTSC-A型压缩制冷装置模拟器总体结构及数据通讯设计

NTSC-A型制冷装置模拟器主要包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统包括示教板、三菱PLC、机电控制箱（两个）、上位机等，可以实现制冷系统功能的模拟和操作维管技能的培训；软件部分主要有上位机中基于VB的控制程序、PLC中的控制梯形图以及两者之间的接口程序，软件系统是整个模拟训练装置的核心。上位机中的控制程序主要包括数学模型、控制逻辑、监控界面设计等部分，这部分软件内容相对独立，可以在脱离示教板和机电控制箱的情况下完成完整的制冷装置实训任务，成为单机版的桌面培训系统；PLC中的程序主要包括模拟量控制模块、数字量控制模块，以梯形图的形式出现，可以完成硬件系统与上位机之间的数据通讯以及控制功能的实现；上位机和PLC之间的数据通讯如下方式实现：上位机采用MSComm控件实现串口数据通讯，读写PLC数据，实现人机操作任务。这种软件架构的优势在于：上位机具有强大的图形显示、数据处理，支持串行通信的优势，下位PLC具有提供实时采集数据并将数据上传至上位机的功能，加上PLC的本身优势可以保证本系统具备界面友好、仿真性强、实时性高、运行稳定性好等优点。

上位机控制程序设计

上位机控制程序设计以VisualBasic为开发平台，主要任务包括：制冷装置各元部件数学模型的建立、控制逻辑的设计（模拟制冷装置的运行、管理及维护）、控制界面的开发（用于实现人机操作及参数、工况的监测）。详细设计工作如下：

数学模型的建立

制冷系统典型控制元件数学模型的建立是仿真系统建立及运行的前提和基础。对于船舶蒸汽压缩式制冷系统而言，需要建立其数学模型的制冷元件主要有压缩机、冷凝器、节流阀（热力膨胀阀及电子膨胀阀）、蒸发器（低温库、高温库）、回热器、化霜器（电加热化霜、热气化霜）、蒸发压力调节阀等，另外还需要考虑冷库动态负荷、制冷剂热力性质等实际制冷装置必须考虑的环节，并建立相关的数学模型。下面以压缩机为例来说明压缩机数学模型的建立过程。

空气压缩机是制冷装置的重要元件，制冷循环进行的必要条件。在本系统中，压缩机仿真母型采用活塞式理想压缩机。

控制逻辑的设计

控制逻辑是制冷仿真教学系统的内在核心，它完整地再现了船舶制冷装置系统运行维护管理的各个关键点，也从实际系统出发考虑了可以引起船舶制冷系统故障的各种因素及相应排除措施。控制逻辑是本仿真系统的大脑，可以实现压缩机启动运行及保护控制、冷凝方式控制（水冷/风冷）、膨胀阀选择与控制（热力膨胀阀/电子膨胀阀/手动膨胀阀）、蒸发器（高低温库）温度控制、化霜控制（热力化霜/电加热化霜）、安全保护及报警控制、测试及消声消闪控制、电源控制、操作方式选择、冷剂回收控制等功能。下面将以空气压缩机为例来说明本系统控制逻辑设计的情况。

鉴于压缩机在制冷循环中的重要性，压缩机控制包括启动停止控制、运行控制、保护控制。起动控制在控制箱以及控制界面上都可以实现，按下“启动/停止”（3C/3T）按钮即可实现起动或停止。而压缩机的运行则体现了系统的高度仿真性，如果库温达到设定温度范围的下限值时，将停止压缩机的运行；在库温逐渐升高达到设定温度范围的上限值时，压缩机将重新运行，以降低库温。保护控制则包括不能建立油压差保护、低电压保护、进口低压保护等。

控制界面的设计

在上位机控制程序中，人机交互界面是培训功能实现的*主要载体和依据。培训学员可以通过友好的人机界面来完成相应的操作和维管技能培训，并在仿真度高、控制逻辑完善精准的界面下可以完成实物系统中不能实现的功能，如“制冷四大件”热工参数实时显示功能、热工参数设定功能等。而控制界面的设计主要包括控件设计和各界面设计。

控件设计：为了实现特定的制冷装置仿真控制功能，原有的VB内部控件是无法满足要求的，这就需要开发新的定制控件。本系统中，为了实现对控制按钮（如压缩机启动3C、停止3T、测试TEST等）、指示灯（如压缩机、冷凝器、蒸发器运行状态指示等）、控制旋钮位置（如压缩机操作方式选择：自动/手动，冷凝方式选择：水冷/风冷）的仿真，特开发出了按钮控件、指示灯控件、控制旋钮控件（包括两位、三位、四位按钮）。

界面设计：根据实船蒸汽压缩式制冷装置的组成及相应布置，以制冷剂在管路中的流动为主线，以“压缩机-冷凝器-节流阀-蒸发器-回热器”的主要顺序将制冷系统在VB界面上布置成为主监控界面，在本界面上，以TEXT文本的形式调用程序中的各个运行参数实时值（这些进出口参数都置为全局变量）将各个制冷元件的进出口参数显示出来。除了主监控界面之外，还设计了系统参数设置界面、控制面板1界面、控制面板2界面、参数显示界面。另外还扩展了其他形式的制冷循环工作原理供教学使用，如吸收式制冷、吸附式制冷以及热泵型空调。

PLC控制程序设计

本系统中，PLC作为人机界面与硬件系统联系的桥梁发挥着重要作用。PLC的程序设计主要包括两个方面：一是定义PLC变量（输入变量X0,X1等，输出变量Y0，Y1等），并与VB中的变量一一对应；二是为实现VB与PLC之间参数的通讯，在PLC中需要调用通讯代码并编制相应的梯形图来实现整个系统的正常运行。

PLC变量定义

本系统中，需要处理的变量主要分为模拟量和开关量两大类。模拟量主要包括各个制冷元件的进出口参数（以温度、压力为主）、制冷系数、热负荷、膨胀阀开度等；开关量是以各个按钮、显示灯以及转换开关的状态为主，如压缩机启动方式（手动/自动）、化霜形式（热气化霜/电加热）、报警信号等均为开关信号。其中开关量与PLC的相应地址一一对应，模拟量则通过三菱专门的A/D、D/A转换扩展模块来实现数据通讯。

PLC梯形图设计

本系统的PLC控制程序是按照实船制冷装置的控制流程与控制逻辑来编制的，并与VB程序控制系统相互作用，共同完成系统的实训功能模拟，主要包括了制冷元件控制、实训功能模拟、安全保护环节、信号读取与显示等方面。PLC控制程序以梯形图的形式表达，以冷凝器风机为例，冷凝器风机PLC控制梯形图：水压保护开关闭合；主控开关闭合；冷凝器风机运行；时间继电器吸合；风凝补偿开关闭合；冷凝器风机运行；冷凝器风机指示灯亮。

结束语

自NTSC-A型制冷模拟器投入教学以来，运行结果显示：本文设计的软件可以实现制冷模拟器所需要的功能，其结构稳健、控制完善。软件系统既注重实船制冷装置的工作原理再现，也注重人机交流的易行性、友好性，整个系统实践性强、仿真性强，并可以进行故障设置及排除专项训练来充分锻炼学员的故障处理能力，完全可以满足培训的要求。