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冷却循环水控制系统的设计

20□□级自动化专业：

□□□

指导教师：

□□□

1冷却循环水控制系统的概况

冷却循环水控制系统广泛地用于火力发电、NdFeB制粉车间、聚苯乙烯树脂制造、化肥厂的脱硫、冶炼、石油化工等的工业控制中。

如下图所示：

图1冷却循环水控制系统主要控制范围分布图

在火力发电、NdFeB制粉车间、聚苯乙烯树脂制造、化肥厂的脱硫、冶炼、石油化工等的工业控制中，常常需要大量连续的冷却循环水对一些如锅炉、余热发电机、真空炉等设备进行冷却，确保其正常工作。

因此，冷却循环水在些工业控制领域中就变得非常重要，是不可缺少的一部分。

因为冷却循环水主要是对一些大系统里的一部分需要冷却的设备进行冷却，所以，通常是把它从需要冷却的系统中分离出来，看作是一个独立的系统，在设计大系统时只要考虑到了冷却的问题，留有一定的空间，一般在设计及运行中不会与其所要服务的系统产生冲突。

2冷却循环水控制系统控制方案

2.1控制系统简介

冷却循环水控制系统的功能主要是给一个设备或多个设备、一个系统或多个系统提供循环的冷却水，让高温的设备或系统工作在正常的温度内。

冷却循环水控制系统可以是一个大的系统，也可以简单地只由一个自来水进水管和一个出水管组成，它随着控制对象的不同而不同。

一般的冷却循环水控制系统主要由冷却池、水泵、自来水、若干水管、若干阀门等组成。

它随着控制对象的不同适当地增加或减小组成部分。

冷却循环水控制系统的控制过程如图2所示，自来水主要起冷水补充，由于系统在循环过程中会损失一部分的水，当冷却池里的水低于一定水位时，就引入自来水，补充损失的水，冷却池的作用主要是将回收的冷却水，再进一步冷却，经水泵抽水到需要冷却的设备或系统，而冷却塔主要是把冷却完设备之后的水进行冷却，再把它下放到冷却池，形成一个循环。

图2冷却循环水控制系统流程简图

NdFeB制粉车间的冷却循环水控制系统，是冷却循环水控制当中较典型的一种系统，本次的设计也是针对NdFeB制粉车间这个对象进行的。

NdFeB制粉车间是整个磁粉制造的核心环节，主要由真空熔炼炉、真空快淬炉、真空连续晶化炉等设备组成，这些设备都是在高温下工作，一旦冷却水中断，将会造成无法挽回的事故。

为保证NdFeB制粉车间的真空熔炼炉、真空快淬炉、真空连续晶化炉等设备的正常运行，为其提供源源不断地冷却循环水就变得至关重要。

为了使系统简单，一般把冷却循环水系统独立出来，在设计时独立设计冷却循环水控制系统。

2.2冷却循环水控制系统的控制对象

在NdFeB制粉车间，主要的控制对象为真空熔炼炉、真空晶化炉和真空快淬炉。

因为这三个炉都是在高温的条件下进行工作，在工作过程中会产生大量的热量，如果温度过高，就会影响其正常工作，甚至烧坏设备，所以要对其进行冷却，用循环水冷却是一个较理想的方式。

（1）真空熔炼炉

用于高温精密合金及磁性材料的熔炼提纯，生产用于精密铸造和重熔电极的合金棒料。

主要技术指标：

极限真空6.6×10-2Pa压升率1.2Pa/h

中频功率50－2000kW最高温度2300℃

装料量20－2000kg规格型号/BJ-VIM-200KG

（2）真空晶化炉

使磁粉在通过加热区和冷却区过程中，翻滚充分，加热和冷却均匀，能大幅度提高磁粉性能。

主要技术指标：

极限真空度5×10-3Pa漏率0.5Pa*L/S

可充正压力0.05MPa温度范围0～800℃

控温精度±3‰加热带长度2m

冷却带长度2m炉管转速0～60r/min

总功率55kW规格型号XG-200型

（3）真空快淬炉

生产快淬Nd-Fe-B磁粉为主的专用设备。

其工作原理是：

电弧熔融金属以一定流速溢流于水冷转轮上，金属熔液被快速冷却凝固，从而使液态无序结构冻结，形成非晶或微晶结构。

主要技术指标：

产量≥50t/y真空度≤5×10-3Pa

出粉磷片厚度20～80um抽真空时间≤50min

压升率≤4×10-1Pa.L/S坩埚进出水温差（△T）≤8～10℃

进料粒度0.3～20mm转轮温升≤2℃用水量8t/h

熔炼功率55kW设备外形尺寸4200mm×2800mm×3500mm

工作电流≤1000A规格型号：

GZK-50TC型

（4）水泵

主要技术指标：

型号100FY（HY）-50泵额定转速2900r/min

流量100m3/h电机功率30kW

扬程50m

2.3冷却循环水控制系统的工艺流程

2.3.1冷却循环水控制系统的工艺流程图

图3冷却循环水控制系统工艺流程图

图4系统局部控制图

从上面图3和图4可以清楚地看到NdFeB制粉车间的冷却循环水工艺流程，以及控制系统的各个组成部分。

2.3.2控制系统的工作流程

当系统自动运行时，首先使水位继电器检测水池的水位，当水位高于设定值时，水池放水，当水位低于设定值时，打开电磁阀YV1往水池注水，达到设定值时，断开电磁阀YV1；然后启动M1水泵，向熔化炉、快粹炉、晶化炉喷冷却水，之后水经过回水管到达冷却塔，再下到冷却池，通过回收管回到水池，形成一个循环。

在电机上装有电流继电器，在管道上装有压力继电器，当电流或水压超过设定值时，马上启动另一水泵；当另一台水泵也出现这样的问题时，立即启用备用水泵。

如果再次出现上述问题，则打开电磁阀YV2，引入自来水。

在冷却池中装有水温检测器，当温度低于设定温度时，打开电磁阀YV3，冷却池内的水通过回收管流回水池，当温度高于设定温度，启动M3水泵及后备水冷系统。

2.3.3后备冷却水系统

后备冷却水系统主要是由一个备用冷却塔、一个备用冷却池、一台风机水泵和一台变频器组成。

其主要作用是当冷却池水温高于25℃，启动水泵M3，把水抽到冷却塔上，再由塔上落下，通过风机把落下的水吹冷，以达到符合水温的要求。

风机主要由变频器控制，通过PLC输出的信号大小来控制风机的转速，从而调节冷却水的温度。

通过变频器的控制，也可以达到节能降耗的效果。

图5后备水冷系统

2.4冷却循环水控制系统的控制要求

在NdFeB制粉车间的冷却循环水控制系统控制中，主要有以下要求：

（1）为了防止制粉车间的真空设备在工作时遇到突然停电事故，冷却循环水控制系统除了有工作机组和备用机组外，还应接入自来水。

要求如下：

a）在供电正常时，两组工作机组能定时切换。

b）当一套机组发生故障时，系统能及时地启动备用机组，并报警。

c）在供电线路发生故障或其他原因导致工作机组和备用机组均不能正常工作时，系统能接入自来水冷却设备。

（2）真空设备要求冷却循环水进水水温不高于设定值，当冷却池内水温超过设定值时，系统要能将水池的水抽入后备水冷系统，经冷却后流回水池。

当冷却池内水温低于设定值时，冷却池内的水直接由回收管流入水池。

（3）当水池的水位低于设定水位时，系统能自动往水池放入自来水，保持水池水位在一定范围之内。

（4）具有区域方式控制

a）具有可选的手动、自动工作方式。

需要定义自动工作方式、手动工作方式，通过预先的给定，使程序给出相应的方式控制信号输出。

b）可以提供区域故障确认和急停控制功能。

通过使用对应的输入信号，可以实现对这一区域故障的故障确认输出信号的产生，以及对急停信号到来时，通过对这个程序发出紧急停车信号等功能。

2.5系统控制方案

2.5.1系统的控制方案

根据上面所列出的控制要求，NdFeB制粉车间冷却循环水控制系统的系统规模不大，提出以下四种系统的控制方案：

第一种方案：

继电器接触器控制。

主要是以继电器、开关、熔断器、仪表等器件组成。

第二种方案：

单片机控制。

主要是以单片机为核心，A/D转换器，检测元件，仪表以及外扩器件等组成。

第三种方案：

PLC控制。

主要是以PLC为核心，各种检测器件、仪表以及外扩器件等组成。

第四种方案：

PLC控制，PC机监控。

主要是以PLC机为核心控制，PC机则通过编程来控制，外部主要由各种智能检测器件等组成。

2.5.2系统控制方案的比较

过去系统基本上使用的都是第一种方案，即电气控制，由于它在传统的控制中经过了长期的应用，方案较成熟。

但由于它的线路繁琐，开关点多，出现问题的概率也大大增加，而且维修麻烦。

随着科技的发展，电气控制逐渐被可编程器件所取代。

而对于第二种方案，以其简单易行，扩展性好等优点广泛地应用于工业中，但对于本次设计的系统来说，它并不是很适合，因为用单片机来控制大容量的电机，线路较复杂，且可靠性还有待提高。

第三种方案的系统简单、经济实用、效益高、可靠性高，但由于它是通过操作柜控制，不利于实时对系统进行监控。

第四种方案是现阶段使用比较多的一种，它主要应用PLC为核心实现控制，然后通过PC编程来实现监控，控制精度高，智能程度也较高，而且可以实时对系统进行监控。

2.5.3系统控制方案的确定

上面的第四种方案是本次设计所选的方案，主要是因为它可以实时对系统进行监控,智能化程度较高，控制精度也高，而且易于与其它系统共同配合使用。

3冷却循环水控制系统硬件结构设计

3.1PLC及其控制系统

3.1.1PLC概述

可编程控制器，简称PLC，是上世纪60年代末研发，在二十世纪末飞速发展并广泛应用于工业生产的一种控制核心设备。

首先，PLC是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。

其次，PLC是“为工业环境下应用”而设计的计算机。

PLC具有特殊的构造，使它能够在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

最后，PLC能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。

它“易于扩展基功能”，它的程序根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。

PLC主要有以下5大特点：

（1）高可靠性，抗干扰能力强。

高可靠性是电气设备的关键性能。

PLC由于采用的是现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。

（3）易学易用，深受工程技术人员的喜爱。

PLC作为通用的工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。

（4）系统设计周期短，维护方便，改选容易。

PLC用存储逻辑代替接线，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统的设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。

（5）体积小，重量轻，能耗低。

以超小型PLC为例，其新近产品的品种底部尺寸小于100

，重量小于150g，功耗仅有数瓦。

3.1.2PLC的选取

当前市场上的PLC产品主要是国外生产的，有以下几个PLC主流产品生产厂：

西门子、三菱、松下、欧姆龙、霍尼韦尔等。

此次设计是以西门子的SIMATICS7-200产品为核心而展开的。

SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）极高的可靠性

（2）极丰富的指令集

（3）易于掌握

（4）便捷的操作

（5）丰富的内置集成功能

（6）实时特性

（7）强劲的通讯能力

（8）丰富的扩展模块图6西门子S7-200系列

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统等。

S7-200系列PLC提供了4个不同的基本型号的8种CPU供使用。

本次选取的是S7-200系列中的CPU226。

CPU单元设计：

集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器（执行器）CPU226输出400mA，可用作负载电源。

本机数字量输入/输出点：

CPU226具有24个输入点和16个输出点。

中断输入：

允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

CPU226高速计数器：

6个高速计数器（30kHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。

EEPROM存储器模块（选件）：

可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。

电池模块：

用于长时间数据后备。

用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。

选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。

电池模块插在存储器模块的卡槽中。

CPU226可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。

扩展模块选用的是EM235模拟输入输出模块。

模拟输入输出模块：

EM235，24VDC，4路模拟量输入，2路模拟量输出；电压输入0-10V，电流输入4-20mA；电压输出±10V，电流输出0-20mA。

3.2系统的I/O配置

根据上面的工艺流程分析，以及PLC的确定，可得出系统的PLC配置示意图如下：

图7S7-200I/O配置图

图8模拟量的输入输出配置示意图

3.3变频器

3.3.1变频器概述

变频器是把固定频率的电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

交流电动机的同步转速表达式：

n＝60f（1－s）/p；式中：

n——异步电动机的转速；f——异步电动机的频率；s——电动机转差率；p——电动机极对数。

由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

在控制系统中，水泵是其中一个重要单元，水泵运行的好坏直接影响到整个系统的稳定性。

在系统中引入变频器来控制水泵以后，水泵的控制更加完美，主要有以下几点优势：

（1）可方便地实现电机软起动、自由停车。

电机均通过变频器或软起动从0～50HZ作缓慢加速起动，减少了机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击；

（2）可提高功率因数，改善电动机电源质量，保证电动机的功率与实际负荷相匹配，达到系统节能运行的目的；

（3）可消除机泵的喘振现象，使机泵运行处于最佳工况状态；

（4）可方便地实现自动控制，使被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

3.3.2变频器的选取

根据控制要求，选选择西门子ECO1-5500/3交流变频器。

（1）变频器主要特征

a）输出频率范围0Hz～650Hz；

b）380V-480V±10%，三相，交流，55kW；

c）矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；

d）高过载能力，内置制动单元；三组参数切换功能。

（2）变频器控制功能

a）线性V/f控制，平方V/f控制，可编程多点设定V/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；

b）标准参数结构，标准调试软件；

c）数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；

d）独立I/O端子板，方便维护；

e）采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；

f）内置PID控制器，参数自整定；

g）集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；

h）具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；

i）可实现主/从控制及力矩控制方式；

j）在电源消失或故障时具有“自动再起动”功能；

k）灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；

l）快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；

m）有直流制动和复合制动方式提高制动性能。

（3）保护功能：

a）过载能力为200％额定负载电流，持续时间3秒和150％额定负载电流，持续时间60秒；

b）过电压、欠电压保护；

c）变频器、电机过热保护；

d）接地故障保护，短路保护；

e）闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。

3.4其它元器件的选取

（1）电磁阀

型号ZCZP-2；工作介质为调温液体、气体等；介质温度≤220℃；电源电压AC220V；工作压力0.1～1.6MPa；公称通径150～300mm；功率50VA。

（2）过流继电器

型号JSL-85D（F），（D-定时限，F-反时限）一副转换滑动触点（适用于交流操作回路）；过电流部分的整定范围2.0～19.9A、级差0.1A。

（3）水位继电器

型号SSR-04；2路水位检测，高水位和低水位，继电器输出。

（4）压力继电器

YSJ-系列数字显示压力继电器；

技术参数：

电源：

AC220V，DC24V；容量：

AC220V，0.3A，DC24V；测量范围：

0-60MPa；使用温度：

-40～50℃；接口螺纹：

M14*1.5，G1/4；

（5）铂热电阻

分度号：

Pt100；测温范围：

-50～100℃；精度等级：

A级、B级；材料：

用φ4塑胶电缆经热熔模压封装，外套不锈钢管壳防护。

（6）PA-14热电阻信号隔离器

24V供电，输入、输出、电源，三端口全隔离。

PT100等现场温度信号隔离、转换为4-20mA、0-5V等直流标准信号，2000V隔离耐压。

解决工业现场信号干扰、转换、传输及匹配问题。

（7）施耐德CJX2（LC1）系列交流接触器

适用于交流50Hz（或60Hz），在AC-3使用类别下额定工作电压为380V，额定工作电流1A至95A的电力系统中，供远距离接通和分断电路，频繁地起动和控制交流电动机之用。

并可与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电磁起动器以保护可能发生过载的电路。

（8）按钮

LA38系列；额定工作电压：

AC220V；颜色：

红、绿、黄、白、蓝、黑（带灯钮无黑色）；寿命指标：

机械寿命100×104次，电寿命50×104次。

（9）信号灯

AD11系列；额定工作电压：

AC220V；电寿命：

连续工作寿命≥30000h；光亮度：

40～60cd/m2；交流频率50Hz；发光颜色：

红、绿、黄、白、蓝。

（10）PC/PPI电缆

PC/PPI电缆S7-200CN编程电缆，5米，光电隔离，内置RS232C/RS485转换，带RTS开关。

（11）元件清单

真空熔炼炉1个，真空晶化炉1个，真空快淬炉1个，SIMATICS7-2001台，电磁阀5个，过流继电器4个，水位继电器1个，压力继电器1个，热电阻2个，PA-14热电阻信号隔离器2个，信号灯5个，按钮12个，PC/PPI电缆1根，施耐德CJX2（LC1）交流接触器5个。

4冷却循环水控制系统的软件设计

系统的程序设计主要包括主程序设计、区域子程序设计、温度控制程序设计，这三者之间是相互关联的，主程序是系统程序的主要部分，区域程序、温度控制程序是附属在主程序中的子程序。

4.1主程序设计

4.1.1控制系统的分析

为了得到主控制系统的控制程序，首先要结合系统控制要求对系统的工艺流程进行分析。

对于系统的控制要求，主要有3点：

（1）为了防止制粉车间的真空设备在工作时遇到突然停电事故，冷却循环水控制系统除了有工作机组和备用机组外，还应接入自来水。

（2）由于真空设备要求冷却循环水进水水温不高于25℃，因此，当冷却池内水温超过25℃时，系统要能将水池的水抽入后备水冷系统，经冷却后流回水池，水池的水温保持在25℃以下。

当冷却池内水温低于25℃时，冷却池内的水直接由回收管流入水池。

（3）当水池的水位低于设定水位时，系统能自动往水池放入自来水，保持水池水位在一定范围之内。

4.1.2主程序流程图

根据上面的主控制系统的分析，可以得出以下系统程序流程图如图9。

4.1.3主程序输入输出参数定义

根据上面的系统流程图和控制系统分析，把设计使用的输入输出信号分配如下表1和表2。

图9冷却循环水控制系统程序流程图

表1系统输入信号说明

输入点

信号说明

I1.0

M1过流

I1.1

M2过流

I1.2

M4过流

I1.3

压力上限

I1.4

压力下限

I1.5

水位上限

I1.6

水位下限

I1.7

手动开启M1

I2.0

手动开启M2

I2.1

手动开启M4

I2.2

手动开启电磁阀YV2

表2系统输出信号说明

输出点

信号说明

Q0.0

自动工作方式指示

Q0.1

手动工作方式指示

Q0.2

故障确认

Q0.3

水压报警

Q0.4

过流报警

Q0.5

水泵M1

Q0.6

水泵M2

Q0.7

水泵M3

Q1.0

水泵M4

Q1.1

电磁阀YV1

Q1.2

电磁阀YV2

Q1.3

电磁阀YV3

4.2区域程序控制设计

4.2.1区域程序控制分析

根据前面的控制要求，可以这样分析，在一个系统中对某个区域设备的控制方式一般分为手动控制、半自动控制和自动控制3种控制方式。

其中手动控制主要用于在设备检修维护或处理故障时对单机进行说动控制；自动操作就是设备正常运行时的状态，所有的设备根据程序按照预先设定的的运行规律进行协同工作；最后，考虑到故障和急停控制，还需要增加故障确认信号和急停信号的输入，来完成故障的确认和急停信号的处理。

区域工作方式程序控制输入参数见下表3。

表3区域工作方式程序控制输入参数表

代码

信号说明

I0.0

故障确认

I0.1

急停信号

I0.2

选择自动工作方式

I0.3

选择手动工作方式

I0.4

选择自动启动

I0.5

选择自动停止

而对于输出信号，这些信号都是程序生成的，用于提供给被控区域设备单机控制和信号。

这一程序管理的区域内的单机设备的工作方式以及运行的一些状况都要受到这些输出信号的影响。

表4区域工作方式程序控制输出信号说明

代码

功能说明

Q0.0

自动工作方式指示

Q0.1

手动工作方式指示

Q0.2

故障确认

4.2.2区域程序中主要信号的逻辑分析

区域工作方式控制程序实现中，主要的逻辑实现就是对于输出的一些信号的实现。

针对区域控制而言，最主要的就是3个工作方式输出信号的实现。

图10区域自动工作信号逻辑示意图

（一）

图11区域自动工作信号逻辑示意图

（二）

手动的工作信号，与上面的设置基本上相同。

根据上面的逻辑分析，得到系统逻辑控制信号之间的时序关系，从而可以设计相应的梯形图。

具体的程序见附录。

4.3冷却池水温监控系统设计

冷却池水温监控系统的主要流程如下：

当测温元件检测到冷却池的温度低于25℃时，电磁阀YV3打开，冷却池中的水直接流入到水池中；而当冷却池的水温大于等于25℃时，通过调节水泵M3的大小来控制由后备冷却系统回收到水池的水温。

利用热电阻测温，经温度变送器传送到PLC的模拟量输入模块，再