PLC控制系统在高压水站中的应用123

三菱PLC控制的高压水在H型钢厂除鳞系统的设计金宪军首钢长治钢铁有限公司H型钢厂山西长治046031摘要：介绍了H型钢厂高压水除鳞设备的结构组成及除鳞原理，PLC控制系统的硬件构成及软件编程，系统的功能及特点。阐述了PLC控制在高压水除磷系统中的应用。为有效除去炉生氧化铁皮，提高型材表面质量具有深远的意义。【关键词】：高压水；除鳞系统；变频器；可编程控制器1概述1.1引言随着我国经济的不断发展，社会高度信息化、智能化、自动化程度的加快，可编程控制器PLC已被广泛地应用到各个领域。尤其在钢铁行业，钢材的生产在国民经济中占有重要地位，各个国家都在不断地提高钢材的产量和质量。就钢坯的质量来讲，由于钢坯加热出炉后，在其表面形成一层氧化铁皮，严重影响了钢坯的轧制质量，因此在钢坯轧制前清除氧化铁皮，且不使钢坯温度下降太多，保证钢坯的轧制质量，成为生产中的难题。我厂是年产60万吨的H型钢厂，整条生产线实现了电气自动化。其工艺流程：加热炉→除鳞机→开坯机→串列轧机→热锯→冷床→矫直机→编组→冷锯—堆垛→打包与收集。其中除鳞设备由长沙高压水泵厂提供，自动控制系统由我厂自主设计，可编程控制器采用三菱PLC，该系统运行良好，工作可靠，满足生产要求。1.2除鳞系统的硬件组成及工艺流程本系统使用的是高压泵＋水气蓄能器系统，系统具有压力稳定，节能；操作方便，维护简单等特点。主要由低压供水、高压供水、罐区、除鳞箱系统组成。其中：低压供水包括自反冲过滤器、水箱、管道泵、手动过滤器、进水闸阀、管道泵切换蝶阀、高压泵切换蝶阀等。高压供水包括高压泵、水帘泵、高压单向截止阀、除鳞阀、安全关断阀、水闸阀等。罐区包括水气罐、充气阀、空压机、水闸阀等，除鳞箱包括除鳞箱、前后导卫、喷鳞环、破鳞环、除鳞喷嘴等零部件。各系统的工艺流程如下图所示：低压供水流程：浊环水→自反冲过滤器→水箱→管道泵→手动过滤器→高压泵高压供水系统：分喷鳞环供水和破鳞环供水喷鳞环供水流程：低压水→高压单向截止阀→除鳞阀→除鳞箱→喷鳞环高压泵→高压单向截止阀→安全关断阀→←水闸阀→←水气罐破鳞环供水流程：水帘泵→除鳞箱→破鳞环罐区系统流程：水气罐←充气罐←空压机←空气水闸阀安全关断阀←高压单向截止阀←高压泵←管道泵←水其中本系统由3台55KW的高压泵，1台15KW的水帘泵，2台管道泵和2台22KW空压机组成。高压泵由变频器驱动，管道泵与水帘泵由接触器控制，空压机自成体系，由长沙矿山研究院成套供应。在管道泵出口处装有供水压力变送器，用于检测管道泵的压力。水箱上安装有液位检测压力变送器，用于检测水箱液位。水气罐附近装有压力变送器和水位指示仪，用于检测罐的压力和水位。高压水出口管路上装有高压水压力检测变送器，用于检测高压水压力。主系统的流程图如下图所示：空气空压机充气阀水气罐水闸阀安全关断阀高压单向截止阀高压泵净环水管道泵除鳞阀除鳞箱高压单向截止阀水箱循环阀主系统工艺流程图2控制系统硬件设计：本系统采用三套日本三菱的变频器来控制高压水泵电机，每台电机均在变频方式下工作，电机的频率可根据实际情况通过变频器调整,以实现最佳效果。2.1高压泵主控电路设计电控系统的主电路由1台电机为M。接触器KM控制电机M变频运行，FU1、FU2、FU3、FU4分别为主回路与控制回路的熔断器，ZK为变频器的控制电源开关，BPQ为三菱A系列FR-A740-160K变频器，ZLG为直流电源,L为电抗器，FR-A7NC为通讯模块板，J93为输出继电器，柜内还装有照明和风机。主电路接线示意图见图1所示FR-HEL电抗器BPQ变频器RSTN/-WVUFU2FU1KMS1R1AC380V进线ZKL柜内风机FU3KMPLC2/X193KMPLC2/J9330XDLSFU4FR-1/L13/L25/L3XT:7XT:62121ZLG1:+ZLG1:-PENNCNOCCX1X2X2X1A2A1NL柜内照明XT:9XT:10321XT:ABCNNN4M除磷高压水泵132KWP1P/+FR-A740107RSM1000VRT18-32SN-3003P/10A自动开关1/L13/L25/L36/T34/T22/T1NF30-CS/630A-8线圈AC220VA7NC-160K10A主电路接线示意图见图1所示2.2水帘泵、管道泵及压缩机主控电路设计电控系统的主电路由6台电机分别为M1、M2、M3、M4、M5和M6。接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制电机M1、M2、M3、M4、M5和M6运行，FU1、为控制回路的熔断器，KH1、KH2、KH3、KH4、KH5、KH6为热继电器，QM1、QM2、QM3、QM4、QM5、QM6为断路器，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6为中间继电器。主电路接线示意图见图2所示主电路接线示意图见图2所示2.3主控室PLC电路设计主控室模块采用日本三菱Q系列PLC，在扩展基板21号槽和33号槽内分别装有16点输入模块QX80与16点输出模块QY10，J93、J94、J95分别为三台高压水泵的合闸继电器，X193、X194、X195分别为三台高压水泵合闸反馈信号，主控室PLC接线示意图见图3所示X0193X0195X0194DX10-51DX10-53DX10-490V1TB11TB18TB14TB16TB17TB15TB13TB12TB7TB10TB8TB9TB5TB6TB4TB2TB3TB1DX10-50DX10-52DX10-54J95/1J94/1J93/1TB8TB9TB18TB13TB15TB16TB17TB14TB10TB12TB11COM0V1TB1TB3TB7TB6TB5TB2TB424V1-3J93J96J95J94Y0214Y0215Y0216Y0213A2A2A2A2DX15-55DX15-53DX15-51A1A1A1A1DX15-56DX15-54DX15-52J951114J94J9311111414J95/2J94/2J93/224V1-3-8V1-8J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J90J902#高压泵已合闸10BP313#高压泵已合闸10BP321#高压泵合闸2#高压泵合闸3#高压泵合闸1#高压泵已合闸10BP3024V1-2来自24V1-1-4主控室PLC接线示意图见图3所示2.4低压柜PLC电路设计低压柜模块采用日本三菱FX2N系列PLC，泵运行接点信号、自动过滤器运行接点信号、进水电动球阀的开关位置接点信号、压缩机运行信号等，都要在PLC中控制，低压柜PLC接线示意图见图4所示。低压柜PLC接线示意图见图4所示2.5现场操作箱PLC电路设计现场操作箱PLC接线示意图见图5所示现场操作箱模块采用日本三菱FX2N系列PLC，主要是在检修时现场操作。现场检测元件信号如：泵压力接点信号、蓄能器液位接点信号等接入PLC中，线示意图见图5所示。3系统的控制原理设计：该系统分别对水箱水位、管道泵、高压水泵、水帘泵、除鳞阀、循环阀、进水电动球阀、安全关断阀等进行控制，同时对水箱液位、蓄能器压力及液位、系统压力等信号进行监控。该系统设有保护功能，一旦系统压力升到一定值时，将自动停机。3.1水箱水位控制：在水箱的排污口安装有一个液位压力变送器，液位变送器输出4~20mA信号进入上位计算机或数字显示仪上动态显示水箱水位的变化。PLC可根据检测到的水位按编制的程序，实现系统的连锁和控制电动球阀，实现水箱水位的自动控制。①当水箱水位高于1.9m时高报警。②水位达到1.7m时关闭电动球阀，停止补水。③水位低于0.9m时打开电动球阀，开始补水。④水位低于0.8m时低报警，此时管道泵、水帘泵、高压泵无法启动。⑤水位低于0.7m时系统停机，除鳞阀自动打开。3.2管道泵控制：系统配置的两台管道泵D2、D3，一用一备。水箱水位高于工作水位0.8m且管道泵进水阀和出水阀处于开的位置时（与编程无关，启动系统前由操作人员检查手动开启）管道泵启动。水箱水位低于水位故障水位0.7m时，管道泵跳闸。3.3高压除鳞泵控制：三台高压除鳞泵控制方式有本地和远程操作。当水箱水位高于工作水位0.8m且高压除鳞泵进水阀和出水阀处于开的位置（与编程无关，启动系统前由操作人员检查手动开启）且管道泵D2或D3处于工作状态（供水压力不低于0.15Mpa）时高压除鳞泵才可以启动。当水箱水位低于系统停机水位且管道泵D2或D3有故障跳闸现象（供水压力低于0.15Mpa）且除鳞系统压力高于安全压力22Mpa且除鳞系统压力长期低于设定工作压力的30%时高压除鳞泵跳闸。3.4除鳞阀控制：系统通过控制除鳞阀的打开和关闭来控制系统是否处于除鳞状态，在工作过程中每轧制一根钢坯除鳞阀都要开闭一次。除鳞阀的开闭主要是通过红外探测仪实现的，当红外探测仪检测到钢坯时，PLC发出信号，控制除鳞阀打开，水气罐内的高压水在预先设定的压力下经喷嘴射向钢坯，打落钢坯表面氧化铁皮，实现除鳞。当红外探测仪检测不到钢坯通过时，PLC发出信号，控制除鳞阀关闭，水罐不再向外排水水，此时由高压除鳞泵产生的高压水向水气罐补充高压水，以维持水气罐里水的高度。3.5供水压力检测及报警控制：在管道泵前装有供水压力变送器，系统根据检测到的压力控制除鳞泵的启停，当压力低于0.2Mpa时，供水压力低报警，当压力低于0.15Mpa时，供水压力低报警并停高压泵等设备。3.6蓄能器压力P1及高压管路压力P2控制：蓄能器的压力必须保证在一定的范围，专用的空压机压力设定为20Mpa，通过压缩空气管路上的电接点压力表自动控制，当压力达到20Mpa时空压机自动停机，当压力达到电接点压力表下限值时空压机自动启动。控制箱控制空压机的启停来保证蓄能器的压力在设定的范围内3.7蓄能器液位指示控制：在蓄能器上设置了双色磁浮子液位计SW，可以通过颜色变化直观的指示蓄能器上的液位，液位计共有八个开关量(从下到上依次为SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8)，作为PLC的输入，水位低时关闭循环阀，高压泵产生的高压水在非除鳞状态下进入蓄能器补充水量，水位高时打开循环阀，高压泵产生的高压水流回水箱，水位太高时停止高压泵运行。水位太低时关闭安全关断阀以防止蓄能器高压气体进入管路造成危险。具体表现为：当蓄能器的水位低于SW2时关闭最低液面阀(安全关断阀)，SW1是在SW2点失效的状况下起保护作用，其功能和SW2一样；当蓄能器的水位低于SW5时关闭循环阀，高压泵向蓄能器补水。SW4是在SW5点失效的状况下起保护作用，其功能和SW5一样；当蓄能器的水位高于SW6时打开循环阀，高压泵停止向蓄能器补水。SW7是在SW6点失效的状况下起保护作用，其功能和SW6一样；当蓄能器的水位低于SW8时系统停机。当水位低于SW3时，此时关闭除鳞阀强制停止除鳞，高压泵专向蓄能器补水，当水位达到SW5时，程序按正常情况运行。3.8压力保护控制：整个系统有两个高压压力传感器P1和P2，其功能一样，P1是对P2起保护作用。当压力达到21Mpa时不管蓄能器液位是多少打开循环阀，如果压力继续上升达到22Mpa则系统停机（停止高压泵等一切设备）。4系统的软件设计：系统的软件设计包括PLC的网络设计，人机界面、程序设计和变频器的功能参数设定。人机界面(HMI)在自动化控制系统中，以直观友好的图形操作界面,用于对工业现场的设备及数据进行集中管理和监控。我厂HMI系统选用了基于WindowsXP操作系统上的易控（INSPEC）组态软件，该人机接口的主要功能有：①水站设备主回路的ON/OFF控制；②设备状态的实时监控；③事件和报警的显示、管理与监控；高压水系统操作画面主要是对高压水站的泵类设备进行操作。有现场操作箱以及远程操作两种操作模式。操作模式在高压水站现场操作箱上选择，并在此画面上显示。只有远程操作模式，才允许在此画面上操作。操作员对所要操作的泵按在线操作和备用，选好各泵后，即可远程启动高压水泵。各泵的实际状态有运行（ON）、停止（OFF）、故障及跳闸。在画面中，可监控