1、 文章编号： CAR015 CARRIER 制冷机组及其控制系统的研究 孙传余1肖林京1黄田化2黄国浩2（ 1.山东科技大学 机械电子工程学院 ,山东 青岛 266510； 2.青岛中集冷藏箱制造有限公司 ,山东 青岛 266300） 摘 要 冷冻集装箱在长途陆路运输和远洋运输过程中起着重要的作用， CARRIER 制冷机组就是制冷的关键设备，占到市场份额的 60以上。本文由外及内，逐层深入，阐述了 CARRIER 制冷机组的工作原理，继电器控制与保护电路，微控制器内信号的输入 /输出电路，以及 4 种操作模式下的控制规律。 CARRIER 制冷机组具有节能环保、制冷迅速、控制精确、性能可靠、
2、操作容易、维修方便等诸多优点。 关键词 冷冻集装箱 CARRIER 制冷机组 控制系统 操作模式 节能环保 3 2. Qingdao CIMC Reefer Manufacture Co. Ltd., Qingdao, Shandong, 266300, China) Abstract The reefer container plays an important part in the transportation of long-road and far-sea, the CARRIER refrigeration unit which takes up more than 60% mar
3、ket, is the most pivotal equipment for freezing. The paper has expatiated on the principle of CARRIER refrigeration unit, the relay control & the protection circuit, the input circuit & the output circuit of MCU signals, and the control rule under 4 different operation modes. The CARRIER refrigerati
4、on unit has many merits of energy conservation & environmental protection, fast refrigeration, reliable performance, precise control, easy operation, convenient servicing, etc. Keywords Reefer container CARRIER refrigeration unit Control system Operation mode Energy conservation & environmental prot
5、ection 0 引言制冷是食品加工储存的重要设施，是低温流通的中枢，是冷链体系的关键之一。而制冷机组则是能完成制冷与保鲜功能，有效阻止食物腐烂，保证简介 : 孙传余 (1982.02- )，男，山东日照人，山东科技大学机械电子工程学院博士研究生， 主要从事制冷机组及嵌入式控制系统的研究。 联系方式： 邮编： 266510 地址： 山东青岛经济技术开发区前湾港路 579 号 山东科技大学机电学院 2007 级博士（ J8 412） 电话： 13475851770 Email： 果蔬营养价值和色香味的一整套自动化制冷装置，广泛应用于冷藏库、冷藏车、冷冻集装箱等，在人民的日常生活和长途陆路运输以
6、及远洋运输中，起到重要的作用。 集装箱用制冷机组目前主要有四大生产商：CARRIER 制冷机组的市场占有率占 60%以上，型号主要有 69NT40-489、 69NT40-511、 69NT40-521、69NT40-531 、 69NT40-541 、 69NT40-551 、69NT40-561； THERMO KING 制冷机组市场占有率在 25%左右，型号主要有 CF-II-III、 00CRR-40、CSR-40SL、 CRR-40PS、 CSR-40SLPS、 MAGNUM；另外还有 DAIKIN 制冷机组和 STAR-COOL 制冷机组。 这些冷机的可靠性比较高， 能适应旅途的颠
7、簸、装卸的撞击、气候的影响、海水的侵蚀等，并采用变频器、吸气调节阀、电子膨胀阀、数字卸载阀等技术控制冷媒的流量，提高温度控制精度。例如，STARCOOL 一体化冷机采用变频技术控制压缩机，THERMO KING 机组和 CARRIER 机组采用了数字卸载阀，来调节涡轮式压缩机，制冷的效率和速度都得到提高，节能效果也比较明显。 1 CARRIER 制冷机组的组成与原理 69NT40-511制冷机组和 CSR-40SL制冷机组所采用的制冷配件、控制阀及传感器、冷量的调节方式等方面都存在一定的差异， 但发展到 69NT40-561制冷机组和 MAGNUM 制冷机组后，两类制冷系统的原理逐步一统，差距
8、非常的小，但各自控制器ML3 和 MP3000A 之间却毫不兼容。 69NT40-561制冷机组仍采用 R134A 冷媒，其工作原理如图 1所示。 该系统的主要组成有：涡轮式压缩机、空气冷凝器、蒸发器、水冷式冷凝器、干燥过滤器、经济器、电子膨胀阀、液体注入阀、经济器膨胀阀、经济器电磁阀、数字卸载阀，检修阀、排气温度传感器、排气压力传感器、蒸发器压力传感器、吸气压力传感器、蒸发器温度传感器等。与 69NT40-511机组相比，主要的改进在于： （ 1）使用涡轮压缩机代替往复式压缩机，引入数字卸载阀，引入交流电相序切换继电器。 （ 2）使用经济器代替热交换器，并引入了液体注入阀和经济器电磁阀。 （
9、 3）使用电子膨胀阀代替机械热膨胀阀，去掉了吸气电磁阀和吸气调节阀。 图 1 制冷机组工作原理 Fig.1 The principle of refrigeration unit 压缩机将吸入的气体压缩成高温高压气体，标准运行时，经济器电磁阀关闭，制冷剂通过排气管进入风冷式冷凝器。对于配备水冷凝器的机组，当冷却水接入时，空气冷凝器风扇将由程序控制运行。采用风冷式冷凝器运行时，空气流过盘管及散热片，冷却制冷剂到饱和温度，气体变成高压高温的液体，然后流入储液器保存起来，以便低温运行时作必要的补充。当水冷式冷凝器被起动时，制冷剂通过风冷式冷凝器后，进入水冷式冷凝器内，管内流动的冷却水将制冷剂冷却到饱
10、和温度，变成高压高温液体，并储存在水冷凝器里，以便低温运行时作必要的补充。液态制冷剂继续流过液路检修阀、干燥过滤器和经济器，到达电子膨胀阀，通过电子膨胀阀的可变节流孔后，液态制冷剂部分蒸发成气体，其余液体则通过吸收周围的热量而在蒸发器盘管中气化，再经吸气管路回到压缩机中。 在经济器运行时，经过干燥过滤器后的液态制冷剂，流过经济器电磁阀、经济器热膨胀阀和经济器内部管道，吸收流向电子膨胀阀液态制冷剂中的热量，产生的混合态冷媒，从经济器接口进入压缩机，以冷却压缩机。常闭的液体注入阀也会根据需要打开或关闭，防止压机过热。化霜时系统采用的是电加热管。 2 强电逻辑电路与保护措施 该制冷机组强电部分采用继
11、电器逻辑控制，如图 2 所示。 系统采用三相 480VAC 60HZ 或 360VAC 50HZ 交流供电，因涡轮式压机有正反转的区别，且蒸发器风扇电机为三相异步双速电机，也有正反转的区别， 所以使用 PA 与 PB 接触器构成互锁型交流电相序切换器，由控制器内 TCP 继电器控制。涡轮式压缩机无内部热保护开关，只要控制器内 TC继电器吸合，且压力正常，则压缩机开始工作，如果压缩机排气压力过高，导致 HPS 保护开关打开后，由硬件直接将压缩机断开供电。在经济器运行时， TS 触点吸合，打开经济器电磁阀，压缩机过热时， TQ 触点吸合，打开液体注入阀。冷凝器风扇由 380VAC 供电，串电容启动
12、，单速运行，当使用水冷式冷凝器时，冷却水将水压开关 WPS 打开，控制器检测到 ECG2 输入端状态发生变化后，软件控制 TN 触点是否断开，确保在水冷凝不充分的情况下， 空气冷凝仍然有效。 冷凝器风扇内部过热时，由内部 IP CM 保护开关自动将风扇断电。蒸发器风扇电机共两个，并行接线，由 ES 接触器控制低速，由 EF 接触器控制高速，为了使高速总可以起动且高速起动时不允许低速起动，所以将 EF 的常闭触点串接在 ES 线圈回路。两个蒸发器电机的内保护 IP EM1 和 IP EM2 也串接在一起，故任何一个蒸发器风扇内部保护开关断开后，两个风扇都将断电。当控制器内 TV 触点吸合时， E
13、S 接触器供电，蒸发器风机低速运转；当控制器内 TE 触点吸合时， EF 接触器供电，蒸发器风机高速运转。在接线无误的情况下，如果两个蒸发器风机一个正转，一个反转，则反转的电机已经故障，反转是由于空气流动造成的。 该制冷机组将六个 U 型加热管首位串接构成一个圆圈， 每隔两根 U 型加热管引出一个接线头，共三个接线头分别接至交流电的 A B C 三相，由 HR 接触器供电。当控制器内 TH 触点吸合且加热终止开关 HTT 连接的情况下，加热有效，局部加热温度过高， HTT 开关保护断开， HR 线圈失电，加热过程自动终止。 图 2 继电器控制图 Fig.2 The diagram of rel
14、ay control 除了上述硬件上的保护，在软件方面也存在保护，包含在机组启动、压机过热调节、冷凝器压力调节等过程中，完善的功能代码和故障代码，更确保了机组的安全可靠运行。 系统控制器共有 CD01 CD55 个功能代码，AL03 AL69 个报警指示，系统数据记录仪有 DC1 DC35 个功能代码， DAL70 DAL91 个报警指示。功能代码 Cd29（故障反应动作）可由操作人员进行设定，以选择在发生系统故障时控制器将采取的动作。功能代码 Cd31（交错起动，延时补偿）和 Cd32（电流限定）可由操作人员进行设定，以控制多台机组的起动顺序和工作电流。控制器还支持 P0.0P10.2 等
15、30 余项零部件的功能测试与故障分析，其测试结果存储在数据记录仪当中，并在显示屏上以AL 或 DAL 代码的形式向用户进行警示。 控制器检测压缩机的排气压力和温度及吸气压力。如果排气压力或温度上升到最大极限以上或者吸气压力下降到最低极限以下，压缩机将在计时三分钟后终止运行。在压缩机终止运行期间，冷凝器和蒸发器风扇继续工作。在压缩机正常运行过程中：如果压缩机穹顶的温度持续五秒钟超过 136C(276.8F)，液体注入电磁阀（ LIV）将打开；当压缩机高压出口端的温度随后降至 121C (249.8F)或更低时，液体注入电磁阀关闭。如果在卸载模式运行（吸气冷却）期间吸气过热度超过 55C 范围，液
16、体注入电磁阀将打开。当吸气过热度降至 20C 以下或机组脱离卸载模式时，液体注入电磁阀将关闭。如果出现需要打开液体注入电磁阀的情况，但当穹顶温度低于 136C 而且吸气过热度小于 20C 范围时，阀门将关闭。 若配置变量 CnF15（排气温度传感器）被设定为“ In”而 CnF48（冷凝器风扇开关超控）被设定为“ On” ，则冷凝器风扇开关超控逻辑被启动。尽管冷却水压力足以断开水压开关，但是水的流量或温度条件不能维持排气温度时，控制器逻辑将按以下规则给冷凝器风扇供电：如果排气温度高于 115C (240F)，则冷凝器风扇通电。当排气温度降至 90.5C (195F) 时，冷凝器风扇断电。如果系
17、统运行水冷凝方式且高压开关（ HPS）在七分钟内断开两次，则冷凝器风扇通电，并保持通电状态直到系统关闭。 制冷机组的工作过程和模式都是由控制器程序自动控制的，一般不需要人工的干预，但是实现控制系统 100%无故障率也不太现实，在紧急情况下可由手动旁路开关，将压缩机、风扇、控制阀等直接起动，继续维持机组的运行，到达码头后，再安排专业人员及时进行修理。 3 处理器信号采集与控制电路 控制器主要处理电阻式的温度传感器和压力传感器输入，开关式的状态输入，继电器隔离的开关输出，控制电子膨胀阀 EEV 的步进电机信号输出，控制数字卸载阀 DUV 的 PWM 信号输出等，并通过电力线载波通信完成远程数据监控
18、模块RMM 的作用，并以 RS232 串口通信方式与 PC 连接， 通过 DATALINE 软件查询数据记录， 重要参数，以及 PTI 记录等。 3.1 模拟信号输入电路 图 3 模拟信号输入电路 Fig.3 The input circuit of analog signals 如图 3 所示，模拟信号主要包括： STS 送风温度传感器 、 SRS 送风记录传感器、 RRS 回风记录传感器、 RTS 回风温度传感器、 AMBS 环境温度传感器、 CPDS 排气温度传感器、 DPT 排气压力传感器、 SPT 吸气压力传感器、 EPT 蒸发器压力传感器、 ETS 蒸发器温度传感器、 CS 电流互
19、感器、DTS 除霜温度传感器、 HS 湿度传感器、 USDA1 4货物感温器等，这些信号分别连至多路选择开关CD4051 和 DG408 的输入端，在地址总线、数据总线和控制总线的作用下，由 74HC273 锁存输出后，选通多路开关，被选中的一路信号经后继放大和偏置电路后，进入模数转换器 AD652，将输入的电压转变为控制器可以识别的频率信号，完成信号的采集工作。但同一时刻 MCU 只能对一路信号进行模数转换，其余各路等待，全部完成耗时较长。 3.2 开关信号输入电路 图 4 开关信号输入电路 Fig.4 The input circuit of on-off signals 如图 4 所示，
20、开关信号主要包括： HPS 高压保护开关、 HTT 加热终止温控器、 IP 电机内部热保护开关 、 WPS 水压开关、 MDS 手动化霜开关，这些信号经滤波和调理电路后，进入反相施密特触发器 74HC14，整形后的信号锁存在三态输出倒相缓冲器 74HC563 中， 等待 MCU 的读取， 在地址总线、数据总线和控制总线的作用下， 由 74HC139 译码后选通 74HC563 的输出，被锁存的开关状态，经数据总线进入 MCU 内部，由 MCU 根据开关状态，决定下一步执行的动作。 该 MCU 采用 8 位数据总线，所以可以同时读取 8 个开关状态。 3.3 控制信号输出电路 图 5 输出信号控
21、制电路 Fig.5 The control circuit of output signals 如图 5 所示，控制器主要控制的对象包括： PA机组相位接触器、 PB 机组相位接触器、 CH 压缩机接触器、 CF 冷凝器风扇接触器、 EF 蒸发器风扇接触器 -高速、 ES 蒸发器风扇接触器 -低速、 HR 加热器接触器、 EEV 电子膨胀阀 （步进马达控制） 、 DUV数字卸载阀 （ PWM 信号控制） 、 ESV 经济器电磁阀、LIV 液体注入电磁阀等。 MCU 经地址总线、数据总线和控制总线输出的信号，由 74HC139 译码后，选中相应的输出锁存寄存器 74HC273。第一个74HC27
22、3 后接 EEV 步进电机功率驱动器 CA3262，第二个 /第三个 74HC273 后接隔离继电器驱动器ULN2003。在 MCU 的控制下，地址线选中第一个74HC273 时，数据线上为控制步进电机的信号，在控制线的作用下，写入 CA3262 驱动器；地址线选中第二个 /第三个 74HC273 时，数据线上为控制隔离继电器的信号，在控制线的作用下，写入ULN2003 驱动器。 8 位数据 D0 D7 是同时锁存在74HC273 缓冲器中，每一个数据位对应一个隔离继电器，所以允许某个隔离继电器输出时，应采用逻辑“位或”运算将其置位，一定不要改变其余位的状态。输出控制的隔离继电器主要有： TC
23、 制冷继电器、 TCP 压缩机相位顺序继电器、 TE 蒸发器高速风扇继电器、 TH 加热继电器、 TN 冷凝器风扇继电器、 TQ 液体注入阀继电器、 TS 经济器电磁阀继电器、 TV 蒸发器低速风扇继电器、 TI 远程范围内继电器、 TF 远程化霜继电器、 TL 远程制冷继电器。 4 控制器的操作模式与控制规律 按照行业的规定，当集装箱内温度设置在 10或可选的 5以下时称为冷冻模式，在 10或可选的 5以上时称为保鲜模式。冷冻模式下温度控制不用很精确，实现简单，保鲜模式下温度控制精确，实现过程复杂。为使压缩机和风扇电机工作正常，系统需判断供电的相序， CARRIER 561机组根据压机的吸气
24、压力和排气压力来判断压机的正反转，但是在 PTI 测试中，使用送风温度和回风温度来判断蒸发器风扇电机的正反转。而 TK MAGNUM 机组中则使用电流的大小来判断压机的正反转和风扇的正反转，而且该机组起动时总是先给加热管供电，以判断三相交流电是否缺相。调节制冷过程中，数字卸载阀会以不同的频率加载和卸载压缩机，实现对系统制冷剂流量的控制，逐步降低机组的制冷速度。 4.1 冷冻模式下的控制规律 当送风温度高于设定点并正在下降时，机组将转入经济器制冷状态，冷凝器风扇马达（ CF） 、压缩机马达（ CH） 、经济器电磁阀（ ESV）及低速蒸发器风扇马达（ ES）通电，同时制冷指示灯亮起。当回风温度降至
25、设定温度以下 0.2C (0.4F) 时，接触器 TC、 TS 和 TN 断开，使压缩机、经济器电磁阀和冷凝器风扇马达断电，制冷指示灯随之熄灭，电子膨胀阀（ EEV）也将关闭。蒸发器风扇马达会继续低速运转，以循环集装箱内的空气。范围内指示灯在回风温度未超过设定点的允许范围时保持常亮。若回风温度降至比设定点温度低 10C (18F) 或更多时，蒸发器风扇变为高速运转，并不启动加热器。当回风温度升至设定点以上 0.2C (0.4F) 时间超过三分钟， EEV 打开，接触器TC、 TS 和 TN 闭合，重新启动压缩机、打开 ESV、启动冷凝器风扇马达，制冷指示灯再次亮起。 4.2 保鲜模式下的控制规
26、律 若送风温度高于设定点并正在下降，机组将进入制冷状态，冷凝器风扇马达（ CF） 、压缩机马达（ CH）及蒸发器风扇马达（ EF）通电，经济器电磁阀（ ESV）关闭，制冷指示灯亮起。如果电流限定或压力限定未起动，控制器将吸合接触器 TS，打开经济器电磁阀（ ESV） 。随空气温度进一步下降，在设定点以上大约 2.5C (4.5F) 时开始调节制冷。 EEV 将从全载制冷转变到某个调节制冷点。当回风温度下降到距设定点温度 1.9C(3.4F) 范围之内而且系统的平均制冷量已经下降到 70% 以下时，机组会断开接触器 TS，关闭 ESV。 控制器对送风温度进行监测。一旦送风温度下降到设定点以下，控
27、制器就开始定时记录送风温度、设定点温度及时间。然后通过计算确定温度随时间偏离设定点的情况，如果确定无须继续制冷，接触器 TC 和TN 断开，使压缩机和冷凝器风扇马达断电，并关闭 EEV。制冷指示灯随之熄灭。蒸发器风扇马达会继续运转，以循环集装箱内的空气。在常规模式下，蒸发器马达高速运转。在节能模式下，风扇的速度是受代码控制，可以改变的。范围内指示灯在送风温度未超出设定点的允许范围时保持常亮。如果回风温度升至设定点以上 1.0C (1.8F)，同时停止制冷时间已超过三分钟，接触器 TC 和 TN 闭合，重新启动压缩机和冷凝器风扇马达。同时制冷指示灯亮起。在调节制冷期间系统平均制冷量量已经上升至
28、100%，而且时间已过三分钟，继电器 TS将通电并打开 ESV，使机组处于经济器运行模式。在调节制冷期间，如果送风温度上升至比设定点温度高 2.5C (4.5F)以上，微处理器会将 EEV 从某个调节制冷点转到全载制冷。温度下降至设定点以下 0.5C (0.9F)，控制器将闭合接触器 TH，使电流流过加热终止开关 （ HTT） ， 以接通加热器 （ HR） 。同时加热指示灯亮起，蒸发器风扇会继续运转，以循环集装箱内的空气。当温度上升至设定点以下 0.2C (0.4F)，接触器 TH 断开，切断加热器的电源。加热指示灯随之熄灭。蒸发器风扇继续运转。 4.3 化霜控制规律 CARRIER 561
29、制冷机组，在保鲜模式、保鲜降温模式或冷冻降温模式中，自动除霜启动时的除霜间隔最初设定为三小时，之后根据蒸发器盘管的结冰情况调整下一次除霜的间隔。在冷冻运行中一旦达到设定点，回风温度探头读数在冷冻设定点以下， 系统会自动将前两次除霜的时间间隔设定为 12小时，其后则调至 24 小时。通过这样的安排，做到只有在必要时才进行除霜。除霜间隔时间所反映的是上一次除霜过程结束后，压缩机运行的小时数，且除霜温度传感器（ DTS）读数低于 10C (50F) 前不累计压缩机运行时间，故两次化霜之间实际所占用的时间将超过除霜间隔的 2 至 3 倍。除霜过程分为三个明显阶段：启动阶段：手动启动除霜功能，或除霜间隔
30、计时器已达到用户所设定的除霜间隔，或控制器配置为指令除霜后 2.5 小时未达到设定点，机组都将进入除霜状态。除霜阶段：进入除霜状态后，控制器关闭 EEV，断开接触器 TC、TN 及 TE（或 TV） ，使压缩机、冷凝器风扇及蒸发器风扇断电。然后控制器闭合接触器 TH，使加热器通电，除霜指示灯亮起。除霜过程中，若温度上升到加热终止开关（ HTT）的设定点，则该开关将强行断开加热器供电；除霜两小时后仍不能终止的， 控制器会强行终止除霜； 除霜温度传感器 （ DTS）读数上升到预设定的值后，除霜过程正常终止。速冻阶段：若控制器配置为允许急速冷冻，则除霜完成后，马上进入急速冷冻状态，压缩机在蒸发器风扇
31、停止运行的情况下，以 100%的制冷量运行 4分钟。 4.4 除湿控制规律 除湿模式是为降低集装箱内的湿度，给功能代码 Cd33 设定了湿度值后，此方式就启动，显示器组件的送风指示灯会以 1 秒的频率进行闪烁，表示除湿模式正在运行。除湿模式下启动两种计时器：加热器回弹计时器（ 3 分钟） ，只要加热接触器的状态改变，加热器回弹计时器就起动。即使设定点指标已达到，加热接触器仍保持接通（或断开）至少三分钟，防止过于频繁的通断加热器。 超出范围计时器 （ 5 分钟） ， 只要温度超过功能代码 Cd30所设定的范围，计时器就起动，其目的是为了使加热器在温度暂时超出范围的情况下保持原来的状态，防止温度突
32、变造成的影响。 该模式一旦起动，而且下列条件均满足，控制器将启动加热继电器以开始除湿。湿度传感器读数高于设定点。 机组处于保鲜稳定状态模式，而且送风温度在设定点以上少于 0.25C 范围内。加热器的回弹计时器（ 3 分钟）已经超时。加热器终止开关 (HTT)已关闭。若满足上述条件，蒸发器风扇将由高速转为低速运转。此后，只要这些条件都满足，蒸发器风扇将每小时转换一次。若第项之外的任何其它条件不满足，或检测到的相对湿度在除湿设定点之下 2的话，蒸发器高速风扇将接通。在除湿模式中，除霜加热器被通电，所增加的热负载使控制器打开 ESV, 打开 ESV 会降低蒸发器盘管表面的温度，从而增加气流通过时冷凝
33、成水的速率，两者共同作用仍能保持风温度很接近原来的值，并达到新的热平衡状态。如果该模式被湿度传感器以外的一个条件所终止（如：一个超出温度范围或压缩机停机的条件） ，则加热继电器立即断电，并退出除湿模式。正常情况下，当检测到的相对湿度比设定点低 2时，控制器则使加热继电器断电， ESV 关闭。控制器仍将继续检测湿度值，并根据需要再次启动除湿模式，以保证相对湿度低于所设定的值。另外在除湿扩充模式中，还允许改变蒸发器风扇的转速和除霜温度传感器的设定值。 5 总结 集装箱应用的环境变化多样，又十分恶劣，风雨潮蚀，振动撞击时有发生，因此在抗干扰和防腐蚀等方面的要求也较高。特别是传统制冷消耗大量电能，约占
34、总成本的 25%-30%或更多，减少制冷装置的电能消耗，实现节能减排已成为当今发展的主题。目前 CARRIER 正在研发 CO2 作为制冷剂，DAIKIN 正在研发 HFO123YT 作为制冷剂。美国一家研究所正在研究声波制冷技术，完全以热声学原理为基础，用空气作为制冷剂，这不仅不会对环境产生污染，而且还将成为化学制冷剂理想的替代产品。新的节能变频技术、 RFID 识别技术、信息纽扣技术等也被应用到集装箱的监控领域当中，成为集装箱发展历程上的新亮点。 参考文献 1 Carrier family. Operation and service manual of container refrige
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