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1、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
2、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
3、，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
4、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
5、：极限真空 6.610-2Pa 压升率 1.2Pa/h中频功率 502000kW 最高温度 2300装 料 量 202000kg 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 510-3 Pa 漏率 0.5Pa*L/S可充正压力 0.05MPa 温度范围 0800控温精度 3 加热带长度 2m 冷却带长度 2m 炉管转速 060r/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
6、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 510-3Pa出粉磷片厚度 2080um 抽真空时间 50min压升率 410-1Pa.L/S 坩埚进出水温差（T） 810进料粒度 0.320mm 转轮温升 2用水量 8t/h熔炼功率 55kW 设备外形尺寸 4200mm2800mm3500mm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 50m2.3 冷却循环水控制系统的工艺流程2.3.1 冷
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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3.1 PLC及其控制系统3.1.1 PLC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
14、”，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
15、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。3.1.2 PLC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SIMATIC S7-200产品为核心而展开的。SIMATIC S7-200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
