基于PLC技术的车间冷却水自动控制系统

戚鲁华 魏国强

摘要：本课题以车间冷却水系统运行过程及生产中经常出现的一些问题作为研究的出发点，分析了车间冷却水系统的设备特点和生产过程，提出了车间冷却水系统的控制需求，讨论了基于PLC技术的车间冷却水自动控制系统的整体设计方案，并分别从硬件、软件两个方面对监控系统进行了设计和实现，构成了以工业控制计算机为上位机， PLC为下位机的集散控制系统;过程控制依据冷却水设备的控制要求，通过西门子step6软件编写控制程序，实现了运行过程的自动检测与控制。

关键词：PLC;冷却水;控制系统

一、现有冷却水系统存在的问题

分析完防腐车间冷却水系统的设备构成和运行过程，结合车间的实际生产情况，发现现有冷却水循环系统在实际运用中存在以下有待于改良的方面：

1. 防腐车间冷却水系统进水，回水水泵机组均采用离心泵，车间停止生产，水泵停机后，需要依靠冷却水管路中的单向阀保持水密封，恢复生产后再次启动离心泵才可以正常工作，由于我公司地处北方，当冬季气温降至零度以下，易发生冷却水管路中存水结冰的现象，导致第二天的生产无法正常按时进行，严重时会导致冷却水管路和水泵冻裂，损坏设备。目前车间冷却水管路防冻的办法，普遍采用在夜间停止生产后，仍保持水泵连续不停运转，并派专人夜间值守，防止冷却水管路结冰，增加了电能的损耗;

2. 冷却水系统在日常生产运行过程中，还存在由于管路堵塞气搏现象，出现水泵电机空转，管路中水流量小甚至无循环水的现象，导致冷却水进水流量不足，影响产品质量，或者冷却水回水流量小，导致冷却水池水位偏高溢出的现象，另外，离心泵电机长时间空转，也会造成水泵设备的损坏。

这一系列问题会导致电能的损耗、水资源的浪费、生产效率下降、操作人员工作量加大、设备损坏、产品出现质量问题等等。

二、车间冷却水自动控制原理

本课题所研究的冷却水自动控制系统，能够实现冬季间歇启动水泵防冻、冷却水泵的自动/手动启停、自动灌泵补水等控制功能，具体各个不同的控制功能的控制原理，如下所述：

1. 间歇启动水泵防冻

我公司地处北方，冬季气温降至零度以下，夜间停止生产后，冷却水管路及离心泵体中的存水，容易结冰，影响第二天的正常生产，也极易损坏冷却水设备，针对这一问题，该自动控制系统可以在夜间停止生产后，按下自动防冻按钮，运行自动间歇启动水泵程序，根绝不同的气温温度情况，冷却水池附近安装的热电偶采集气温温度信号，将4～20毫安模拟量信号通过补偿导线传送至PLC，PLC运行内部程序，运用PLC程序中的定时器，根据外界气温温度的不同自动选择间歇启动水泵的时间间隔的长短，数字量输出模块间歇输出水泵运行控制信号，实现水泵的间歇启动，防止管路和水泵结冰。在实验室用冷冻试验箱模拟冬季气温，经过试验得出运行时间参数，即外界气温在零下15°C至零下10°C环境下，将冷却水泵系统设定为运行时间设定为1小时，间隔时间为2小时左右;零下10°C至零下5°C環境下，运行时间为1小时，间隔时间为2.5小时左右;零下5°C至0°C环境下，运行时间为1小时，间隔时间为3小时左右;大于0°C的环境下，冷却水泵机组停止运行。

2.冷却水泵自动/手动启停

本课题所研究的冷却水自动控制系统，能够实现水泵机组的自动和手动两种启停模式的控制，操作台上安装有自动/手动切换旋钮，运行时可以随时切换控制模式。启动水泵机组之前，选择手动模式，按下水泵启动按钮，输入24V电压信号至PLC数字量输入模块，运行手动运行程序，数字量模块输出控制信号至中间继电器，中间继电器线圈得电，触点闭合，驱动接触器触点吸合，启动离心泵，完成水泵手动启动控制。启动水泵机组之前，选择自动模式，则运行自动运行程序。

3. 自动灌泵补水

离心泵启动前，需要在泵体内部及进水管路中充满介质，这一步操作称为灌泵。本课题所研究的冷却水控制系统，采用闭环控制，可以实现自动灌泵补水的控制功能。开启自动灌泵，运行自动灌泵程序，PLC首先输出控制信号，启动离心泵，安装在泵后管路上的流量开关监测管道中的冷却水流量，离心泵前管路中安装的液位开关监测管路中液位情况，如果管路中无水流量信号，液位开关监测管路中无液位信号，则流量开关和液位开关反馈信号至PLC输入模块，运行程序，系统判断离心泵内存在气缚现象，PLC输出模块输出信号，关闭离心泵，开启排气阀、补水阀、潜水泵，这一系列水泵和阀门配合动作，从冷却水池中抽水至冷却水管路中补水灌泵。灌泵期间，离心泵前管路中安装的液位开关，实时监测管路中的液位情况，当液位到达上限时，输出反馈信号至PLC，运行程序，关闭排气阀、补水阀、潜水泵，开启离心泵，同时，离心泵后管路上的流量开关监测冷却水流量，如果流量正常，系统即判断气缚现象消失，灌泵结束，则离心泵机组进入正常运行状态，冷却水系统正常投入运行。自动灌泵功能同时也可以监视冷却水管路的运行情况，如果经过灌泵，离心泵启动后，泵前管路中的液位开关监测到有液位信号，但是泵后管路流量开关依然检测不到水流量信号，或者水流量偏小，则可判断冷却水管路可能存在堵塞的情况，该组水泵机组自动停止运行，发出声光报警，提醒操作人员应该及时停止水泵运行，检查管路，排除管路堵塞故障。

三、论文总结

本课题的研究以防腐车间冷却水系统的实际情况为基础，在冷却水自动控制系统的设计与实现中，以冷却水系统的设备组成和运行过程为出发点，针对现有冷却水系统在生产运行中存在的一些问题，做出了冷却水系统的控制需求分析，以实现冷却水系统运行全过程自动控制为研究目的，设计了基于PLC技术的冷却水自动控制系统，采用工控机、PLC以及一系列现场传感器、执行器组成集散控制系统，将冷却水系统运行过程中现场设备的启停信号、流量反馈、液位反馈等控制参数都采集到上位机系统中，实时监测冷却水系统的运行状态，并且通过PLC自动控制现场执行器，实现冷却水系统各个设备的自动运行。

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