文/任芳,深圳市華加日西林實業(yè)有限公司
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是以水作為冷卻介質并循環(huán)使用的系統(tǒng),通常用于各種加熱設備的降溫處理,主要由冷卻設備、水泵和管道組成。由于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)水的循環(huán)再利用,節(jié)約大量工業(yè)用水,同時利用變頻控制又可以實現(xiàn)能源節(jié)約。隨著Plc、變頻調速等廣泛應用于工業(yè)生產,一套可以自動調節(jié)、安全節(jié)能高效的純水冷卻循環(huán)系統(tǒng)則適用于某公司模具車間氮化爐和淬火爐的正常運行。
本文在某公司模具車間氮化爐和淬火爐使用人工手動控制外循環(huán)的基礎上,設計制造一套閉式純水冷卻循環(huán)系統(tǒng),應用Plc、變頻器和傳感器等自動化產品,以PLC為核心實現(xiàn)控制,然后通過編程實現(xiàn)水循環(huán)系統(tǒng)的自動調節(jié)。
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括閉式冷卻塔、水泵、水箱、板式換熱器、變頻器、電動執(zhí)行閥、閥門控制器和管道等。外循環(huán)水泵一用一備,板式換熱器為水循環(huán)降溫用。內循環(huán)雙泵使用變頻器控制,根據氮化爐和淬火爐實際需要調節(jié)水量大小,熱交換器前后裝有壓力傳感和多點溫度傳感器,水箱內部安裝液位傳感器,內循環(huán)加裝流量計。
對自動控制系統(tǒng)的要求:
1)熱交換器、水箱、循環(huán)水進出水溫度的控制;
2)水池、水箱的液位控制;
3)通過觸摸屏對控制系統(tǒng)的順序啟動和停機;
4)對終端設備氮化爐和淬火爐的工作狀態(tài)的接收;
5)實時監(jiān)測循環(huán)水系統(tǒng)的運行情況;
6)對異常情況的報警及故障處理后的系統(tǒng)恢復的控制。
根據現(xiàn)場設備設備分布,純水冷卻系統(tǒng)作為控制核心,和氮化爐、淬火爐做信息交互,因此本設計使用西門子smart系列控制器,帶IO模塊,控制各水泵的啟停運轉,接收終端設備的需水信號,并作出反饋,模擬量模塊采集各壓力、溫度信息,經計算分析后通過輸出變頻器控制水泵輸出和電動執(zhí)行閥的運行。為提高系統(tǒng)的集成自動化性能,使用smart 700IE V3人機界面,監(jiān)控各設備的運行狀態(tài)和詳細參數(shù)。
西門子s7-200 smart plc無線集成smart line操作屏,完全適用于小型設備的自動化控制方案,同時滿足操作者對人機界面、控制和傳動的一站式需求。
根據控制要求,設計人機界面系統(tǒng),并連接變量。通過界面內容,可實現(xiàn)設備操作,如自動運行,手動啟停、參數(shù)顯示及修改和報警等。利用過程控制算法,編程實現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動控制,程序流程如圖2所示。
對PLC供電以后,首先運行上電自檢程序,檢測與HMI的通信狀態(tài)和工作模式。工作模式設計分為兩種:一種是PLC不使用控制算法,直接按人工指令控制泵的啟停和轉速,另一種是PLC根據預設好的控制程序算法,根據各傳感器反饋的參數(shù)進行調整輸出控制泵的運轉。
自檢程序完成后,PLC首先檢測水箱內的液位高度,確認冷卻水循環(huán)系統(tǒng)處于能正常工作狀態(tài)。然后確認氮化爐和淬火爐的工作狀態(tài),由于氮化爐的的需水量在,淬火爐的需水量在25-60,出于節(jié)能考慮,選用2臺水量為,揚程20M的水泵。氮化爐或淬火爐將工作狀態(tài)信號發(fā)送給PLC,確認需水量,由控制系統(tǒng)確認泵開流量及電動閥開度,供水開啟后,管道流量監(jiān)測開關將監(jiān)視管道內是否有水流通過??刂葡到y(tǒng)全程通過對氮化爐和淬火爐的需求進行分析,決定泵輸出的流量大小,實現(xiàn)對2臺爐子的冷卻水控制。
報警程序設計中,除考慮的水壓、溫度等故障檢測外,還涉及到流量異常、水泵、變頻器等設備的故障,傳感器超限故障等。為不影響生產,當與控制功能相關的傳感器出現(xiàn)異常時,將人為干預將默認正常設置該項參數(shù),避免系統(tǒng)運行中斷,影響設備正常運行,待傳感器故障解除后,再以正常值恢復。
4.1 系統(tǒng)分析
1)為防止高溫設備在工作時遇到突然停電事故,冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)除了有正常工作泵外,還應接入自來水。
2)當水池的水位低于設定水位,系統(tǒng)能自動往水池放水,保持水池水位在一定范圍內。
3)PLC在運行過程中,不斷讀取各傳感器信號,包括液位、水溫、流量等,經過設定好的程序計算泵的輸出,換算成模擬信號后輸出到變頻器,實現(xiàn)對泵轉速的控制,最終實現(xiàn)對泵流量的控制。
4.2 人機界面的配置,可以清楚觀察設備的運行狀態(tài)和實時參數(shù),出現(xiàn)故障時,也能及時反饋報警信息,如圖1所示。
圖1 人機界面顯示屏
綜合運用PLC和變頻器及各類傳感器,實現(xiàn)對設備冷卻水循環(huán)的自動控制,改進后的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)能根據實際需求,來控制泵的啟停和閥門開度,既可以節(jié)能降耗,又能人工干預,避免人為因素帶來的安全隱患。同時可以根據人機界面實時監(jiān)控水池和水箱的狀態(tài),為氮化爐和淬火爐的正常運行做好保障。