浅谈工业循环水系统的PLC控制

摘 要：文章介绍了循环水处理控制系统的设计方案。本循环水系统包括了十台冷却风机，十台循环水泵的控制和故障状态显示等。为保证系统的可靠性和可扩展性，采用了上位机（DCS）和可编程控制器PLC组成控制系统。上位机DCS完成主要参数的监控任务，可编程控制器PLC完成实时数据的采集和控制。系统具有安全可靠，可扩展性好，性价比高等优点，比起以往的模拟仪表控制大大提高了系统的可靠性，自动化水平也得到了提升。

关键词：循环水处理；控制系统；上位机；PLC

引言

工业冷却水循环系统一般为敞开式循环系统，敞开式循环冷却水系统的主要设备之一就是冷却塔。冷却塔的种类很多，按照塔内空气流动的动力可分为自然通风和机械通风式。自然通风最常见的是风筒式冷却塔，机械通风式又分为抽风式和鼓风式两种。在工业冷却水循环处理中抽风式冷却塔的应用最为普遍，风机安装在冷却塔顶部，抽风时塔内空气处于负压，有利于水的蒸发散热，传热效果好，但缺点是风机的电能消耗很大。工作时：循环水由水泵输送到供水总管，再分别进入各台生产设备，流过需冷却的部位后汇集到回水总管，再经过冷却水塔上方的布水管向下喷淋。冷却水塔顶部的风机运转时，回水在填料层中与空气流进行充分的热交换后流回到塔下吸水池中。

按照以前的常规做法，循环水处理系统的监视控制都采用了常规模拟仪表，由于常规模拟仪表受到传输信号传输距离短，不便于全厂集中管理，分散控制，自动化水平低等原因的限制，在瑞星项目中，循环水系统的控制采用了可编程逻辑控制器（PLC）来完成實时数据的采集和自动控制功能，重要监控参数通过光纤通讯至DCS进行监控。可编程逻辑控制器（PLC）以其可靠性高、接线方便，编程简单，性价比高等优点大大提高了装置整体自动化水平，实现安全、稳定、长周期运转，并大大降低了维修费用。

1 控制系统结构

1.1 概述

循环水处理系统根据生产要求配置为：十台离心式水泵（八用两备），在正常负荷运行条件下八台水泵就可满足生产需要，另外两台水泵备用，以便在有水泵处于检修状态时仍能满负荷生产。另外配置十台冷却风机。

十台循环水泵电机和十台冷却塔风机电机轴承和定子测温以及装置内水管上测温共计热电阻输入信号104个，装置内水管压力、流量及塔下吸水池液位测量共计模拟量输入信号14个，循环水泵和冷却塔风机运行状态信号及塔下吸水池液位调节阀限位开关信号共计开关量输入信号24个，循环水泵和冷却塔风机联锁停机信号及塔下吸水池液位调节阀开关信号共计开关量输出信号25个。

为了便于全厂集中管理，分散控制，本循环水控制系统可分为两部分：上位机监控部分和控制部分。其中，控制部分包括了三套PLC系统，分别用于加药系统，监测换热器系统和除此之外装置内所有循环水系统的监视控制（加药控制系统和监测换热器控制系统由设备厂家成套供货）。本项目通过采用可靠性高、技术成熟、先进实用且具有最优性价比的PLC控制系统，将提高装置整体自动化水平，实现安全、稳定、长周期运转，并大大降低维修费用。

由于上位机监控部分和控制部分相距较远，为了保证系统的可靠运行及未来扩展的方便性，这两部分之间采用光纤通讯。此系统可通过增加I/O单元来纵向扩展，横向可通过以太网来实现网络节点的增加。当设备增加时无需更换先前的系统，就可以使新系统加入到网络中来，可扩展性好。另外，系统采用光纤通讯，减少了信息传输过程中信号的干扰和丢失，增加了上位机监控部分和控制部分的传输距离，同时采用光纤通讯也有利于施工。

1.2 控制系统组成及体系结构

根据整个装置内循环水系统规模，设置3个PLC过程控制站（加药控制系统过程控制站、监测换热器控制系统过程控制站、循环水控制系统过程控制站），一个操作站，用于完成对整个循环水系统工艺参数检测显示、设备状态检测显示、控制和信息存储、报表、打印等。控制系统基本原理如下：现场工艺参数如温度、压力、流量、液位等经传感变送器测量变送后由PLC模拟量输入卡送至PLC CPU卡进行数据计算处理；现场开关量如循环水泵、冷却塔风机运行状态信号和阀门限位开关信号等由PLC数字量输入卡送至PLC CPU进行数据处理；PLC CPU将现场传来的模拟量信号和数字量信号进行运算处理后送至操作站进行现场参数的监控显示，现场输出信号经PLC判断处理后由数字量输出卡送至现场并改变现场设备的状态（如阀门开关信号，电机启停信号）和灯的指示状态（灯的亮和灭）等。

图1 自动化控制系统示意图

控制系统硬件体系结构：如图2所示，系统硬件部分选用西门子S7-300PLC一台，CPU采用标准型的CPU314，适用于对程序量有中等要求的应用，对二进制和浮点数有较高的处理性能。另外，配备电源模块3块，接口模块3块，8通道热电阻输入卡13块，8通道模拟量输入卡8块，16通道数字量输入卡3块，16通道数字量输出卡2块，形成了一个主机架，2个扩展机架，所有的模块用DIN35导轨安装在主机架和扩展机架上。主机架和扩展机架之间用接口模块进行通信。

图2 系统硬件体系结构图

2 系统过程测控站

2.1 概要

过程控制站是循环水控制系统直接与现场打交道的I/O处理系统，它主要有控制柜，S7-300PLC，内部供配电系统等组成。承担并完成循环水现场仪表和测控装置系统的供配电，现场工艺参数的检测、处理和传输，现场设备状态的检测、传输和控制等功能。

2.2 主要功能

2.2.1 变送检测功能。现场物理量如温度、压力、流量、液位等通过现场仪表转换成过程站PLC可接受的信号，由PLC对其完成检测处理和向上传输；现场设备状态，如阀门的开与关，电机的开与停，工艺参数的正常或报警由检测装置送至过程站PLC，由PLC对其完成检测处理和向上传输。

2.2.2 控制功能。循环水控制系统过程控制站具备PLC可编程顺序控制功能，可对各设备的启停进行顺序条件控制，实现循环水系统各工艺设备的自动控制。

2.2.3 供配电功能。循环水控制系统过程控制站除完成测控功能外，同时还具有供配电功能，完成对现场流量仪表、各类变送器的供配电功能。

3 系统监控管理站

3.1 概要

系统监控管理站安放于就地控制室内，主要由一台触摸屏、打印机、编程软件、通讯卡等组成，触摸屏采用西门子的彩色触摸屏，10.4寸，并带编程软件。系统监控管理站承担并完成对循环水控制系统的上位监控和管理功能。

3.2 主要功能

3.2.1 信号检测处理功能。对现场模拟量和开关量信号进行实时检测和处理，判断是否有异常情况发生，对重要参数的超限发出声光报警，提示操作人员注意并确认。

3.2.2 画面显示功能。画面显示分检测仪表显示画面、工艺流程显示功能、设备状态显示画面、报警信息汇总显示画面、趋势曲线记录显示画面等，要求画面显示直觀、色彩鲜艳、操作简便。

3.2.3 趋势曲线记录功能。系统对模拟量有历史趋势曲线显示记录功能。

3.2.4 操作保护功能。为防止非授权人员操作测控系统，系统对重要的操作均设有密码保护功能，以保证系统操作的安全性。

3.2.5 报表功能。根据生产要求制定各类报表格式和内容，具备统计和计算功能，对报表进行打印输出。

3.2.6 在线参数调整功能。系统能简单方便地的对检测点的各种信息如量程、上下限报警、单位、迁移量等进行授权在线修改。

4 结束语

在循环水控制系统中，采用中规模的S7-300 PLC控制器后，系统的可靠性，安全性，可扩展性，全厂的自动化水平等都得到了很大的提升。同时采用光纤通讯，减少了信息传输过程中信号的干扰和丢失。在系统监控管理站中，采用PLC控制器后，可以对现场设备的状态等进行画面监控，清晰直观，操作方便。

参考文献

[1]唐中燕.工业循环水系统的PLC控制[J].可编程控制器与工厂自动化，2009（7）.

[2]陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].化学工业出版社，2000.

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[4]西门子大中型自动化产品样本[Z].

作者简介：任静，女。