氮化爐和淬火爐冷卻水循環控制系統設計

文/任芳，深圳市華加日西林實業有限公司

冷卻水循環系統是以水作為冷卻介質并循環使用的系統，通常用于各種加熱設備的降溫處理，主要由冷卻設備、水泵和管道組成。由于冷卻水循環系統可以實現水的循環再利用，節約大量工業用水，同時利用變頻控制又可以實現能源節約。隨著Plc、變頻調速等廣泛應用于工業生產，一套可以自動調節、安全節能高效的純水冷卻循環系統則適用于某公司模具車間氮化爐和淬火爐的正常運行。

本文在某公司模具車間氮化爐和淬火爐使用人工手動控制外循環的基礎上，設計制造一套閉式純水冷卻循環系統，應用Plc、變頻器和傳感器等自動化產品，以PLC為核心實現控制，然后通過編程實現水循環系統的自動調節。

1 冷卻水循環系統結構及控制要求

冷卻水循環系統包括閉式冷卻塔、水泵、水箱、板式換熱器、變頻器、電動執行閥、閥門控制器和管道等。外循環水泵一用一備，板式換熱器為水循環降溫用。內循環雙泵使用變頻器控制，根據氮化爐和淬火爐實際需要調節水量大小，熱交換器前后裝有壓力傳感和多點溫度傳感器，水箱內部安裝液位傳感器，內循環加裝流量計。

對自動控制系統的要求：

1）熱交換器、水箱、循環水進出水溫度的控制；

2）水池、水箱的液位控制;

3）通過觸摸屏對控制系統的順序啟動和停機；

4)對終端設備氮化爐和淬火爐的工作狀態的接收；

5)實時監測循環水系統的運行情況；

6)對異常情況的報警及故障處理后的系統恢復的控制。

2 控制系統硬件設計

根據現場設備設備分布，純水冷卻系統作為控制核心，和氮化爐、淬火爐做信息交互，因此本設計使用西門子smart系列控制器，帶IO模塊，控制各水泵的啟停運轉，接收終端設備的需水信號，并作出反饋，模擬量模塊采集各壓力、溫度信息，經計算分析后通過輸出變頻器控制水泵輸出和電動執行閥的運行。為提高系統的集成自動化性能，使用smart 700IE V3人機界面，監控各設備的運行狀態和詳細參數。

西門子s7-200 smart plc無線集成smart line操作屏，完全適用于小型設備的自動化控制方案，同時滿足操作者對人機界面、控制和傳動的一站式需求。

3 控制系統設計

根據控制要求，設計人機界面系統，并連接變量。通過界面內容，可實現設備操作，如自動運行，手動啟停、參數顯示及修改和報警等。利用過程控制算法，編程實現冷卻水循環系統的自動控制，程序流程如圖2所示。

對PLC供電以后，首先運行上電自檢程序，檢測與HMI的通信狀態和工作模式。工作模式設計分為兩種：一種是PLC不使用控制算法，直接按人工指令控制泵的啟停和轉速，另一種是PLC根據預設好的控制程序算法，根據各傳感器反饋的參數進行調整輸出控制泵的運轉。

自檢程序完成后，PLC首先檢測水箱內的液位高度，確認冷卻水循環系統處于能正常工作狀態。然后確認氮化爐和淬火爐的工作狀態，由于氮化爐的的需水量在，淬火爐的需水量在25-60，出于節能考慮，選用2臺水量為，揚程20M的水泵。氮化爐或淬火爐將工作狀態信號發送給PLC，確認需水量，由控制系統確認泵開流量及電動閥開度，供水開啟后，管道流量監測開關將監視管道內是否有水流通過。控制系統全程通過對氮化爐和淬火爐的需求進行分析，決定泵輸出的流量大小，實現對2臺爐子的冷卻水控制。

報警程序設計中，除考慮的水壓、溫度等故障檢測外，還涉及到流量異常、水泵、變頻器等設備的故障，傳感器超限故障等。為不影響生產，當與控制功能相關的傳感器出現異常時，將人為干預將默認正常設置該項參數，避免系統運行中斷，影響設備正常運行，待傳感器故障解除后，再以正常值恢復。

4 程序設計

4.1 系統分析

1)為防止高溫設備在工作時遇到突然停電事故，冷卻水循環控制系統除了有正常工作泵外，還應接入自來水。

2)當水池的水位低于設定水位，系統能自動往水池放水，保持水池水位在一定范圍內。

3)PLC在運行過程中，不斷讀取各傳感器信號，包括液位、水溫、流量等，經過設定好的程序計算泵的輸出，換算成模擬信號后輸出到變頻器，實現對泵轉速的控制，最終實現對泵流量的控制。

4.2 人機界面的配置，可以清楚觀察設備的運行狀態和實時參數，出現故障時，也能及時反饋報警信息，如圖1所示。

圖1 人機界面顯示屏

5 結語

綜合運用PLC和變頻器及各類傳感器，實現對設備冷卻水循環的自動控制，改進后的冷卻水循環系統能根據實際需求，來控制泵的啟停和閥門開度，既可以節能降耗，又能人工干預，避免人為因素帶來的安全隱患。同時可以根據人機界面實時監控水池和水箱的狀態，為氮化爐和淬火爐的正常運行做好保障。