基于PLC技術(shù)的車間冷卻水自動控制系統(tǒng)

戚魯華 魏國強

摘要：本課題以車間冷卻水系統(tǒng)運行過程及生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題作為研究的出發(fā)點，分析了車間冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備特點和生產(chǎn)過程，提出了車間冷卻水系統(tǒng)的控制需求，討論了基于PLC技術(shù)的車間冷卻水自動控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并分別從硬件、軟件兩個方面對監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計和實現(xiàn)，構(gòu)成了以工業(yè)控制計算機為上位機， PLC為下位機的集散控制系統(tǒng);過程控制依據(jù)冷卻水設(shè)備的控制要求，通過西門子step6軟件編寫控制程序，實現(xiàn)了運行過程的自動檢測與控制。

關(guān)鍵詞：PLC;冷卻水;控制系統(tǒng)

一、現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)存在的問題

分析完防腐車間冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成和運行過程，結(jié)合車間的實際生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在實際運用中存在以下有待于改良的方面：

1. 防腐車間冷卻水系統(tǒng)進水，回水水泵機組均采用離心泵，車間停止生產(chǎn)，水泵停機后，需要依靠冷卻水管路中的單向閥保持水密封，恢復(fù)生產(chǎn)后再次啟動離心泵才可以正常工作，由于我公司地處北方，當冬季氣溫降至零度以下，易發(fā)生冷卻水管路中存水結(jié)冰的現(xiàn)象，導致第二天的生產(chǎn)無法正常按時進行，嚴重時會導致冷卻水管路和水泵凍裂，損壞設(shè)備。目前車間冷卻水管路防凍的辦法，普遍采用在夜間停止生產(chǎn)后，仍保持水泵連續(xù)不停運轉(zhuǎn)，并派專人夜間值守，防止冷卻水管路結(jié)冰，增加了電能的損耗;

2. 冷卻水系統(tǒng)在日常生產(chǎn)運行過程中，還存在由于管路堵塞氣搏現(xiàn)象，出現(xiàn)水泵電機空轉(zhuǎn)，管路中水流量小甚至無循環(huán)水的現(xiàn)象，導致冷卻水進水流量不足，影響產(chǎn)品質(zhì)量，或者冷卻水回水流量小，導致冷卻水池水位偏高溢出的現(xiàn)象，另外，離心泵電機長時間空轉(zhuǎn)，也會造成水泵設(shè)備的損壞。

這一系列問題會導致電能的損耗、水資源的浪費、生產(chǎn)效率下降、操作人員工作量加大、設(shè)備損壞、產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題等等。

二、車間冷卻水自動控制原理

本課題所研究的冷卻水自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)冬季間歇啟動水泵防凍、冷卻水泵的自動/手動啟停、自動灌泵補水等控制功能，具體各個不同的控制功能的控制原理，如下所述：

1. 間歇啟動水泵防凍

我公司地處北方，冬季氣溫降至零度以下，夜間停止生產(chǎn)后，冷卻水管路及離心泵體中的存水，容易結(jié)冰，影響第二天的正常生產(chǎn)，也極易損壞冷卻水設(shè)備，針對這一問題，該自動控制系統(tǒng)可以在夜間停止生產(chǎn)后，按下自動防凍按鈕，運行自動間歇啟動水泵程序，根絕不同的氣溫溫度情況，冷卻水池附近安裝的熱電偶采集氣溫溫度信號，將4～20毫安模擬量信號通過補償導線傳送至PLC，PLC運行內(nèi)部程序，運用PLC程序中的定時器，根據(jù)外界氣溫溫度的不同自動選擇間歇啟動水泵的時間間隔的長短，數(shù)字量輸出模塊間歇輸出水泵運行控制信號，實現(xiàn)水泵的間歇啟動，防止管路和水泵結(jié)冰。在實驗室用冷凍試驗箱模擬冬季氣溫，經(jīng)過試驗得出運行時間參數(shù)，即外界氣溫在零下15°C至零下10°C環(huán)境下，將冷卻水泵系統(tǒng)設(shè)定為運行時間設(shè)定為1小時，間隔時間為2小時左右;零下10°C至零下5°C環(huán)境下，運行時間為1小時，間隔時間為2.5小時左右;零下5°C至0°C環(huán)境下，運行時間為1小時，間隔時間為3小時左右;大于0°C的環(huán)境下，冷卻水泵機組停止運行。

2.冷卻水泵自動/手動啟停

本課題所研究的冷卻水自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵機組的自動和手動兩種啟停模式的控制，操作臺上安裝有自動/手動切換旋鈕，運行時可以隨時切換控制模式。啟動水泵機組之前，選擇手動模式，按下水泵啟動按鈕，輸入24V電壓信號至PLC數(shù)字量輸入模塊，運行手動運行程序，數(shù)字量模塊輸出控制信號至中間繼電器，中間繼電器線圈得電，觸點閉合，驅(qū)動接觸器觸點吸合，啟動離心泵，完成水泵手動啟動控制。啟動水泵機組之前，選擇自動模式，則運行自動運行程序。

3. 自動灌泵補水

離心泵啟動前，需要在泵體內(nèi)部及進水管路中充滿介質(zhì)，這一步操作稱為灌泵。本課題所研究的冷卻水控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)自動灌泵補水的控制功能。開啟自動灌泵，運行自動灌泵程序，PLC首先輸出控制信號，啟動離心泵，安裝在泵后管路上的流量開關(guān)監(jiān)測管道中的冷卻水流量，離心泵前管路中安裝的液位開關(guān)監(jiān)測管路中液位情況，如果管路中無水流量信號，液位開關(guān)監(jiān)測管路中無液位信號，則流量開關(guān)和液位開關(guān)反饋信號至PLC輸入模塊，運行程序，系統(tǒng)判斷離心泵內(nèi)存在氣縛現(xiàn)象，PLC輸出模塊輸出信號，關(guān)閉離心泵，開啟排氣閥、補水閥、潛水泵，這一系列水泵和閥門配合動作，從冷卻水池中抽水至冷卻水管路中補水灌泵。灌泵期間，離心泵前管路中安裝的液位開關(guān)，實時監(jiān)測管路中的液位情況，當液位到達上限時，輸出反饋信號至PLC，運行程序，關(guān)閉排氣閥、補水閥、潛水泵，開啟離心泵，同時，離心泵后管路上的流量開關(guān)監(jiān)測冷卻水流量，如果流量正常，系統(tǒng)即判斷氣縛現(xiàn)象消失，灌泵結(jié)束，則離心泵機組進入正常運行狀態(tài)，冷卻水系統(tǒng)正常投入運行。自動灌泵功能同時也可以監(jiān)視冷卻水管路的運行情況，如果經(jīng)過灌泵，離心泵啟動后，泵前管路中的液位開關(guān)監(jiān)測到有液位信號，但是泵后管路流量開關(guān)依然檢測不到水流量信號，或者水流量偏小，則可判斷冷卻水管路可能存在堵塞的情況，該組水泵機組自動停止運行，發(fā)出聲光報警，提醒操作人員應(yīng)該及時停止水泵運行，檢查管路，排除管路堵塞故障。

三、論文總結(jié)

本課題的研究以防腐車間冷卻水系統(tǒng)的實際情況為基礎(chǔ)，在冷卻水自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，以冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備組成和運行過程為出發(fā)點，針對現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)在生產(chǎn)運行中存在的一些問題，做出了冷卻水系統(tǒng)的控制需求分析，以實現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)運行全過程自動控制為研究目的，設(shè)計了基于PLC技術(shù)的冷卻水自動控制系統(tǒng)，采用工控機、PLC以及一系列現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器組成集散控制系統(tǒng)，將冷卻水系統(tǒng)運行過程中現(xiàn)場設(shè)備的啟停信號、流量反饋、液位反饋等控制參數(shù)都采集到上位機系統(tǒng)中，實時監(jiān)測冷卻水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并且通過PLC自動控制現(xiàn)場執(zhí)行器，實現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)各個設(shè)備的自動運行。

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