0 引言

隨著國防事業(yè)和工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)各種特殊材料的應(yīng)用越來越廣泛，故各企業(yè)相繼需要的各種形式的真空爐也越來越多。過去，一臺(tái)真空爐配置一套冷卻系統(tǒng)，其弊端是總的造價(jià)高、運(yùn)行成本昂貴、設(shè)備占地面積大、冷卻水流量和溫度不能很好的得到保證。那么，能否選用一套技術(shù)比較先進(jìn)、自動(dòng)化程度高的集中水冷卻系統(tǒng)來解決上述問題呢?經(jīng)過多方的考察論證，認(rèn)為集中冷卻系統(tǒng)完全可以解決上述問題，并且根據(jù)現(xiàn)有的科技水平，可以使此系統(tǒng)不但能滿足各真空爐的工藝要求，而且具有造價(jià)低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)現(xiàn)智能無人值守功能。目前，該集中水冷卻系統(tǒng)在西安某大型軍工企業(yè)的項(xiàng)目中已成功運(yùn)行了三年多。

1 集中水冷卻系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)性能要求

為保證企業(yè)十幾臺(tái)真空爐的可靠運(yùn)行，使冷卻用水的流量、壓力、溫度符合要求，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)集中水冷卻系統(tǒng)提出的性能要求為：

1)要求冷卻水的壓力和流量滿足各真空爐的運(yùn)行需要;

2)冷卻水的溫度≤31℃;

3)冷卻水采用軟化水，并且要求循環(huán)使用;

4)系統(tǒng)全自動(dòng)化、可靠性高、有故障自動(dòng)識(shí)別能力;

5)系統(tǒng)具有各種報(bào)警保護(hù)功能。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

集中水冷卻系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。軟化水處理設(shè)備將自來水制備成軟化水，存于地下的循環(huán)水池中，4 臺(tái)大功率的自吸循環(huán)泵將循環(huán)水池中的軟化水送給各真空爐。在送到真空爐之前，軟化水在汽水混合冷卻器中被冷卻，汽水混合冷卻器由熱交換器、2臺(tái)噴淋泵和3 臺(tái)排風(fēng)機(jī)組成，熱交換器由帶有切擠翅片的紫銅管焊接而成。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

1)系統(tǒng)采用集中控制方式;

2)系統(tǒng)具有自動(dòng)運(yùn)行方式，同時(shí)兼有手動(dòng)操作功能;

3)要求操作簡(jiǎn)單明了;

4)系統(tǒng)具有故障識(shí)別、判斷能力和處理故障的應(yīng)變能力;

5)為提高可靠性和節(jié)約成本，要求4 臺(tái)循環(huán)水泵互為備用，并且1臺(tái)為變頻器所控制;

6)要求2 臺(tái)噴淋泵互為備用;

7)根據(jù)水的壓力能夠自動(dòng)切換循環(huán)水泵;

8)根據(jù)冷卻水的溫度，能夠自動(dòng)啟動(dòng)噴淋泵、各排風(fēng)機(jī)、供水電動(dòng)閥;

9)具備各種聯(lián)鎖保護(hù)功能。

2.2 系統(tǒng)硬件的組成

該集中水冷卻系統(tǒng)由1 套可編程控制器(PLC)、1 臺(tái)變頻器、傳感器、檢測(cè)顯示儀表等組成，如圖2 所示。

控制系統(tǒng)以PLC 為核心，所有的設(shè)備通過PLC 得以控制，PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可維護(hù)性好等特點(diǎn);變頻器(VVVF)用于啟動(dòng)各循環(huán)水泵，并且始終保持有一臺(tái)水泵在變頻運(yùn)行;現(xiàn)場(chǎng)采集到的溫度、壓力信號(hào)不但送顯示儀表顯示，而且將該信號(hào)送PLC，PLC根據(jù)接收到的溫度、壓力信號(hào)自動(dòng)控制變頻器、循環(huán)水泵、噴淋泵、排風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥等的運(yùn)行;各個(gè)設(shè)備的各種狀態(tài)、故障等也通過PLC分析以后顯示出來。

2.2.1 PLC的選用

PLC 選用日本OMRON公司的CQM1H 型，模塊配置如下。

PLC 主機(jī)CQM1H-CPU51 1塊

PLC 電源CQM1-PA206 1塊

16 路DI模塊CQM1-ID212 2塊

16 路DO模塊CQM1-OC222 3塊

4 通道AI模塊CQM1-AD042 2塊

2 通道AO模塊CQM1-DA022 1 塊

模擬量電源模塊CQM1-IPS01 1塊

模擬量電源模塊CQM1-IPS02 1塊

2.2.2 變頻器的選用

變頻器選用ABB公司的ACS401 型。該變頻器可靠性高，其內(nèi)部建立有多個(gè)應(yīng)用宏，因此使參數(shù)的設(shè)定非常容易，其用于閉環(huán)過程控制的PID宏功能十分強(qiáng)大，集中水冷卻系統(tǒng)恒壓控制的PID 調(diào)節(jié)就應(yīng)用了該P(yáng)ID 宏。圖3 為循環(huán)水泵控制電氣圖，KA 用于變頻器的啟動(dòng)，KM1A、KM2A、KM3A、KM4A為各循環(huán)泵選擇變頻器控制運(yùn)行的接觸器，KM1B、KM2B、KM3B、KM4B為各循環(huán)泵選擇市電供電運(yùn)行的接觸器。

2.3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件程序包括手動(dòng)控制與自動(dòng)控制、安全保護(hù)和故障報(bào)警三部分。[!--empirenews.page--]

2.3.1 控制系統(tǒng)的流程圖

控制系統(tǒng)的流程圖如圖4 所示。

2.3.2 自動(dòng)控制程序

1)壓力控制為提高系統(tǒng)的可靠性，將4 臺(tái)循環(huán)泵設(shè)計(jì)為互為備用的形式，即任何一臺(tái)循環(huán)泵都可能變頻運(yùn)行，也可能市電運(yùn)行，當(dāng)任何一臺(tái)循環(huán)泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)沒有使用的泵，始終使系統(tǒng)的壓力維持在設(shè)定的壓力附近。

循環(huán)水泵1~4 在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵1 優(yōu)先變頻運(yùn)行，若循環(huán)泵1 的頻率高于49 Hz(最高頻率為50 Hz)，并且系統(tǒng)應(yīng)用水的壓力小于用戶設(shè)定值，則循環(huán)泵1 轉(zhuǎn)換為市電運(yùn)行，同時(shí)循環(huán)泵2開始變頻運(yùn)行;若循環(huán)泵2 的頻率高于49 Hz(最高頻率為50 Hz)，并且系統(tǒng)應(yīng)用水的壓力還小于用戶設(shè)定值，則循環(huán)泵2 轉(zhuǎn)換為市電運(yùn)行，循環(huán)泵3 開始變頻運(yùn)行;依次類推。

若在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)循環(huán)泵1 出現(xiàn)故障，則循環(huán)泵2 優(yōu)先變頻啟動(dòng);依次類推。

若循環(huán)水泵1 從變頻向市電轉(zhuǎn)換，而循環(huán)泵2出現(xiàn)故障，循環(huán)泵3 則變頻運(yùn)行;依次類推。

各循環(huán)泵的優(yōu)先循序?yàn)?寅2寅3寅4;系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，其優(yōu)先順序自動(dòng)變換為2寅1寅3寅4;再工作一段時(shí)間變?yōu)?寅2寅1寅4;依次類推。

2)溫度控制為節(jié)省能源和提高冷卻的可靠性，冷卻排風(fēng)機(jī)、冷卻噴淋泵、冷卻電動(dòng)閥等的運(yùn)行根據(jù)水溫的高低自動(dòng)控制。

2.3.3 安全保護(hù)和故障分析報(bào)警

1)采用兩套壓力傳感器同時(shí)對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)，并將兩者測(cè)量的壓力進(jìn)行比較，以判斷壓力傳感器是否正常工作;

2)系統(tǒng)安裝有壓力極限保護(hù)開關(guān);

3)對(duì)所有的PLC采集的模擬量都要做平均值計(jì)算，以防止現(xiàn)場(chǎng)干擾;

4)所有的循環(huán)泵、噴淋泵、排風(fēng)機(jī)之間不但在外部硬件設(shè)計(jì)上做了聯(lián)鎖，而且在程序內(nèi)也設(shè)計(jì)有各種聯(lián)鎖;

5)對(duì)于外部輸入信號(hào)，程序內(nèi)都設(shè)有延時(shí)確認(rèn)功能，以防止外部的干擾。

系統(tǒng)根據(jù)故障的不同和重要性，將故障分為三個(gè)等級(jí)，并且會(huì)做出不同的提示，將各故障以代碼的形式顯示出來。

3 電磁兼容性的解決

在有變頻器的電氣系統(tǒng)中，變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備會(huì)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的可能使其他設(shè)備不能正常工作，因此系統(tǒng)從軟、硬兩方面采取了消除干擾的措施：

1)將變頻器和不易受干擾的接觸器等安裝在一個(gè)控制柜內(nèi)，而PLC、二次儀表等易受干擾的器件安裝在另一個(gè)柜內(nèi);

2)所有的信號(hào)線均采用屏蔽電纜，并且在控制柜內(nèi)一點(diǎn)接地;

3)變頻器的接地和其他傳感器的接地分開，采用不同的接地;

4)變頻器和其他設(shè)備、傳感器的布線分開，敷設(shè)不同的金屬線槽;

5)在PLC 和二次儀表的供電端增加低通濾波器來濾除干擾;

6)選用抗干擾性能符合在嚴(yán)酷工業(yè)條件下工作的電磁兼容的儀表;

7)在PLC 程序的編制上，采用平均法、確認(rèn)法、剔除法等。

4 結(jié)語

由于系統(tǒng)采用了PLC進(jìn)行控制，通過變頻器的PID運(yùn)算，再加上完美的設(shè)計(jì)，使得該集中水冷卻系統(tǒng)功能完善、可靠性高、便于維護(hù)。

作者簡(jiǎn)介：

師?？?，男，工作于中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院。

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