集中水冷却系统的电气控制

0 引言

随着国防事业和工业技术的快速发展，对各种特殊材料的应用越来越广泛，故各企业相继需要的各种形式的真空炉也越来越多。过去，一台真空炉配置一套冷却系统，其弊端是总的造价高、运行成本昂贵、设备占地面积大、冷却水流量和温度不能很好的得到保证。那么，能否选用一套技术比较先进、自动化程度高的集中水冷却系统来解决上述问题呢?经过多方的考察论证，认为集中冷却系统完全可以解决上述问题，并且根据现有的科技水平，可以使此系统不但能满足各真空炉的工艺要求，而且具有造价低、可靠性高的优势，并且可以实现智能无人值守功能。目前，该集中水冷却系统在西安某大型军工企业的项目中已成功运行了三年多。

1 集中水冷却系统介绍

1.1 系统性能要求

为保证企业十几台真空炉的可靠运行，使冷却用水的流量、压力、温度符合要求，根据实际情况对集中水冷却系统提出的性能要求为：

1)要求冷却水的压力和流量满足各真空炉的运行需要;

2)冷却水的温度≤31℃;

3)冷却水采用软化水，并且要求循环使用;

4)系统全自动化、可靠性高、有故障自动识别能力;

5)系统具有各种报警保护功能。

1.2 系统构成

集中水冷却系统构成如图1所示。软化水处理设备将自来水制备成软化水，存于地下的循环水池中，4 台大功率的自吸循环泵将循环水池中的软化水送给各真空炉。在送到真空炉之前，软化水在汽水混合冷却器中被冷却，汽水混合冷却器由热交换器、2台喷淋泵和3 台排风机组成，热交换器由带有切挤翅片的紫铜管焊接而成。

2 电气系统设计

2.1 电气系统的设计思想

1)系统采用集中控制方式;

2)系统具有自动运行方式，同时兼有手动操作功能;

3)要求操作简单明了;

4)系统具有故障识别、判断能力和处理故障的应变能力;

5)为提高可靠性和节约成本，要求4 台循环水泵互为备用，并且1台为变频器所控制;

6)要求2 台喷淋泵互为备用;

7)根据水的压力能够自动切换循环水泵;

8)根据冷却水的温度，能够自动启动喷淋泵、各排风机、供水电动阀;

9)具备各种联锁保护功能。

2.2 系统硬件的组成

该集中水冷却系统由1 套可编程控制器(PLC)、1 台变频器、传感器、检测显示仪表等组成，如图2 所示。

控制系统以PLC 为核心，所有的设备通过PLC 得以控制，PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、可维护性好等特点;变频器(VVVF)用于启动各循环水泵，并且始终保持有一台水泵在变频运行;现场采集到的温度、压力信号不但送显示仪表显示，而且将该信号送PLC，PLC根据接收到的温度、压力信号自动控制变频器、循环水泵、喷淋泵、排风机、电动阀等的运行;各个设备的各种状态、故障等也通过PLC分析以后显示出来。

2.2.1 PLC的选用

PLC 选用日本OMRON公司的CQM1H 型，模块配置如下。

PLC 主机CQM1H-CPU51 1块

PLC 电源CQM1-PA206 1块

16 路DI模块CQM1-ID212 2块

16 路DO模块CQM1-OC222 3块

4 通道AI模块CQM1-AD042 2块

2 通道AO模块CQM1-DA022 1 块

模拟量电源模块CQM1-IPS01 1块

模拟量电源模块CQM1-IPS02 1块

2.2.2 变频器的选用

变频器选用ABB公司的ACS401 型。该变频器可靠性高，其内部建立有多个应用宏，因此使参数的设定非常容易，其用于闭环过程控制的PID宏功能十分强大，集中水冷却系统恒压控制的PID 调节就应用了该PID 宏。图3 为循环水泵控制电气图，KA 用于变频器的启动，KM1A、KM2A、KM3A、KM4A为各循环泵选择变频器控制运行的接触器，KM1B、KM2B、KM3B、KM4B为各循环泵选择市电供电运行的接触器。

2.3 系统软件的实现

系统软件程序包括手动控制与自动控制、安全保护和故障报警三部分。[!--empirenews.page--]

2.3.1 控制系统的流程图

控制系统的流程图如图4 所示。

2.3.2 自动控制程序

1)压力控制为提高系统的可靠性，将4 台循环泵设计为互为备用的形式，即任何一台循环泵都可能变频运行，也可能市电运行，当任何一台循环泵出现故障，系统会自动启动没有使用的泵，始终使系统的压力维持在设定的压力附近。

循环水泵1~4 在自动运行时，循环泵1 优先变频运行，若循环泵1 的频率高于49 Hz(最高频率为50 Hz)，并且系统应用水的压力小于用户设定值，则循环泵1 转换为市电运行，同时循环泵2开始变频运行;若循环泵2 的频率高于49 Hz(最高频率为50 Hz)，并且系统应用水的压力还小于用户设定值，则循环泵2 转换为市电运行，循环泵3 开始变频运行;依次类推。

若在系统启动时循环泵1 出现故障，则循环泵2 优先变频启动;依次类推。

若循环水泵1 从变频向市电转换，而循环泵2出现故障，循环泵3 则变频运行;依次类推。

各循环泵的优先循序为1寅2寅3寅4;系统工作一段时间后，其优先顺序自动变换为2寅1寅3寅4;再工作一段时间变为3寅2寅1寅4;依次类推。

2)温度控制为节省能源和提高冷却的可靠性，冷却排风机、冷却喷淋泵、冷却电动阀等的运行根据水温的高低自动控制。

2.3.3 安全保护和故障分析报警

1)采用两套压力传感器同时对压力进行检测，并将两者测量的压力进行比较，以判断压力传感器是否正常工作;

2)系统安装有压力极限保护开关;

3)对所有的PLC采集的模拟量都要做平均值计算，以防止现场干扰;

4)所有的循环泵、喷淋泵、排风机之间不但在外部硬件设计上做了联锁，而且在程序内也设计有各种联锁;

5)对于外部输入信号，程序内都设有延时确认功能，以防止外部的干扰。

系统根据故障的不同和重要性，将故障分为三个等级，并且会做出不同的提示，将各故障以代码的形式显示出来。

3 电磁兼容性的解决

在有变频器的电气系统中，变频器产生的高次谐波对系统中的其他设备会产生干扰，严重的可能使其他设备不能正常工作，因此系统从软、硬两方面采取了消除干扰的措施：

1)将变频器和不易受干扰的接触器等安装在一个控制柜内，而PLC、二次仪表等易受干扰的器件安装在另一个柜内;

2)所有的信号线均采用屏蔽电缆，并且在控制柜内一点接地;

3)变频器的接地和其他传感器的接地分开，采用不同的接地;

4)变频器和其他设备、传感器的布线分开，敷设不同的金属线槽;

5)在PLC 和二次仪表的供电端增加低通滤波器来滤除干扰;

6)选用抗干扰性能符合在严酷工业条件下工作的电磁兼容的仪表;

7)在PLC 程序的编制上，采用平均法、确认法、剔除法等。

4 结语

由于系统采用了PLC进行控制，通过变频器的PID运算，再加上完美的设计，使得该集中水冷却系统功能完善、可靠性高、便于维护。

作者简介：

师保俊，男，工作于中联西北工程设计研究院。

参考文献：

[1] 赵金荣主编.可编程序控制器原理及应用[M].上海：上海应用技术学院.

[2] 廖常初主编. PLC 编程及应用[M].北京：机械工业出版社.

[3] 丁斗章主编. 变频调速技术与系统应用[M].北京：机械工业出版社.