基于PLC技術的車間冷卻水自動控制系統

戚魯華 魏國強

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

關鍵詞：PLC;冷卻水;控制系統

一、現有冷卻水系統存在的問題

分析完防腐車間冷卻水系統的設備構成和運行過程，結合車間的實際生產情況，發現現有冷卻水循環系統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進水，回水水泵機組均采用離心泵，車間停止生產，水泵停機后，需要依靠冷卻水管路中的單向閥保持水密封，恢復生產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，易發生冷卻水管路中存水結冰的現象，導致第二天的生產無法正常按時進行，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后，仍保持水泵連續不停運轉，并派專人夜間值守，防止冷卻水管路結冰，增加了電能的損耗;

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

這一系列問題會導致電能的損耗、水資源的浪費、生產效率下降、操作人員工作量加大、設備損壞、產品出現質量問題等等。

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，能夠實現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，夜間停止生產后，冷卻水管路及離心泵體中的存水，容易結冰，影響第二天的正常生產，也極易損壞冷卻水設備，針對這一問題，該自動控制系統可以在夜間停止生產后，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運行內部程序，運用PLC程序中的定時器，根據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，數字量輸出模塊間歇輸出水泵運行控制信號，實現水泵的間歇啟動，防止管路和水泵結冰。在實驗室用冷凍試驗箱模擬冬季氣溫，經過試驗得出運行時間參數，即外界氣溫在零下15°C至零下10°C環境下，將冷卻水泵系統設定為運行時間設定為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，能夠實現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數字量輸入模塊，運行手動運行程序，數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，需要在泵體內部及進水管路中充滿介質，這一步操作稱為灌泵。本課題所研究的冷卻水控制系統，采用閉環控制，可以實現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監測管道中的冷卻水流量，離心泵前管路中安裝的液位開關監測管路中液位情況，如果管路中無水流量信號，液位開關監測管路中無液位信號，則流量開關和液位開關反饋信號至PLC輸入模塊，運行程序，系統判斷離心泵內存在氣縛現象，PLC輸出模塊輸出信號，關閉離心泵，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，實時監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監測冷卻水流量，如果流量正常，系統即判斷氣縛現象消失，灌泵結束，則離心泵機組進入正常運行狀態，冷卻水系統正常投入運行。自動灌泵功能同時也可以監視冷卻水管路的運行情況，如果經過灌泵，離心泵啟動后，泵前管路中的液位開關監測到有液位信號，但是泵后管路流量開關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，發出聲光報警，提醒操作人員應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

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

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