氮化爐和淬火爐冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/任芳，深圳市華加日西林實(shí)業(yè)有限公司

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)并循環(huán)使用的系統(tǒng)，通常用于各種加熱設(shè)備的降溫處理，主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。由于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)再利用，節(jié)約大量工業(yè)用水，同時(shí)利用變頻控制又可以實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。隨著Plc、變頻調(diào)速等廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，一套可以自動(dòng)調(diào)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(yùn)行。

本文在某公司模具車間氮化爐和淬火爐使用人工手動(dòng)控制外循環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造一套閉式純水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)用Plc、變頻器和傳感器等自動(dòng)化產(chǎn)品，以PLC為核心實(shí)現(xiàn)控制，然后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)水循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

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(dòng)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(nèi)循環(huán)雙泵使用變頻器控制，根據(jù)氮化爐和淬火爐實(shí)際需要調(diào)節(jié)水量大小，熱交換器前后裝有壓力傳感和多點(diǎn)溫度傳感器，水箱內(nèi)部安裝液位傳感器，內(nèi)循環(huán)加裝流量計(jì)。

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求：

1）熱交換器、水箱、循環(huán)水進(jìn)出水溫度的控制；

2）水池、水箱的液位控制;

3）通過(guò)觸摸屏對(duì)控制系統(tǒng)的順序啟動(dòng)和停機(jī)；

4)對(duì)終端設(shè)備氮化爐和淬火爐的工作狀態(tài)的接收；

5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行情況；

6)對(duì)異常情況的報(bào)警及故障處理后的系統(tǒng)恢復(fù)的控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)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(shè)計(jì)使用西門子smart系列控制器，帶IO模塊，控制各水泵的啟停運(yùn)轉(zhuǎn)，接收終端設(shè)備的需水信號(hào)，并作出反饋，模擬量模塊采集各壓力、溫度信息，經(jīng)計(jì)算分析后通過(guò)輸出變頻器控制水泵輸出和電動(dòng)執(zhí)行閥的運(yùn)行。為提高系統(tǒng)的集成自動(dòng)化性能，使用smart 700IE V3人機(jī)界面，監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)。

西門子s7-200 smart plc無(wú)線集成smart line操作屏，完全適用于小型設(shè)備的自動(dòng)化控制方案，同時(shí)滿足操作者對(duì)人機(jī)界面、控制和傳動(dòng)的一站式需求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)人機(jī)界面系統(tǒng)，并連接變量。通過(guò)界面內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作，如自動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)啟停、參數(shù)顯示及修改和報(bào)警等。利用過(guò)程控制算法，編程實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，程序流程如圖2所示。

對(duì)PLC供電以后，首先運(yùn)行上電自檢程序，檢測(cè)與HMI的通信狀態(tài)和工作模式。工作模式設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速，另一種是PLC根據(jù)預(yù)設(shè)好的控制程序算法，根據(jù)各傳感器反饋的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整輸出控制泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。

自檢程序完成后，PLC首先檢測(cè)水箱內(nèi)的液位高度，確認(rèn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)處于能正常工作狀態(tài)。然后確認(rèn)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(tái)水量為，揚(yáng)程20M的水泵。氮化爐或淬火爐將工作狀態(tài)信號(hào)發(fā)送給PLC，確認(rèn)需水量，由控制系統(tǒng)確認(rèn)泵開流量及電動(dòng)閥開度，供水開啟后，管道流量監(jiān)測(cè)開關(guān)將監(jiān)視管道內(nèi)是否有水流通過(guò)?？刂葡到y(tǒng)全程通過(guò)對(duì)氮化爐和淬火爐的需求進(jìn)行分析，決定泵輸出的流量大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)爐子的冷卻水控制。

報(bào)警程序設(shè)計(jì)中，除考慮的水壓、溫度等故障檢測(cè)外，還涉及到流量異常、水泵、變頻器等設(shè)備的故障，傳感器超限故障等。為不影響生產(chǎn)，當(dāng)與控制功能相關(guān)的傳感器出現(xiàn)異常時(shí)，將人為干預(yù)將默認(rèn)正常設(shè)置該項(xiàng)參數(shù)，避免系統(tǒng)運(yùn)行中斷，影響設(shè)備正常運(yùn)行，待傳感器故障解除后，再以正常值恢復(fù)。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)分析

1)為防止高溫設(shè)備在工作時(shí)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(yīng)接入自來(lái)水。

2)當(dāng)水池的水位低于設(shè)定水位，系統(tǒng)能自動(dòng)往水池放水，保持水池水位在一定范圍內(nèi)。

3)PLC在運(yùn)行過(guò)程中，不斷讀取各傳感器信號(hào)，包括液位、水溫、流量等，經(jīng)過(guò)設(shè)定好的程序計(jì)算泵的輸出，換算成模擬信號(hào)后輸出到變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)泵流量的控制。

4.2 人機(jī)界面的配置，可以清楚觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)參數(shù)，出現(xiàn)故障時(shí)，也能及時(shí)反饋報(bào)警信息，如圖1所示。

圖1 人機(jī)界面顯示屏

5 結(jié)語(yǔ)

綜合運(yùn)用PLC和變頻器及各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備冷卻水循環(huán)的自動(dòng)控制，改進(jìn)后的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際需求，來(lái)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(yù)，避免人為因素帶來(lái)的安全隱患。同時(shí)可以根據(jù)人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控水池和水箱的狀態(tài)，為氮化爐和淬火爐的正常運(yùn)行做好保障。