1. 引言
某化工生产线若干个子系统工作时通过冷却循环水进行大量换热降温，日常操作通过人工巡视进行设备监控。该生产线运行过程中，冷却循环水系统故障发生时，人工操作不及时已造成下游须降温设备的温控异常，极易导致下游子系统核心设备的升温损坏，通过对原有冷却循环水系统现状及自动化控制的研究，进行智能控制改造升级，达到数据可视化、设备功能切换及时的目的。
2. 系统现状
2.1. 主设备
某化工生产线冷却循环水系统，其主要设备如图1所示。
Figure 1. Main equipment of cooling circulating water system
图1. 冷却循环水系统主设备
设备现状如表1所示。
Table 1. Current situation of cooling circulating water equipment
表1. 冷却循环水设备现状
通过2 h/次的巡检无法及时发现故障点具体点位，即使操作人员处于故障点现场，由于循环水泵同时运行的水流声和电机运转噪音较大，无法迅速地识别发生故障的设备并进行及时的处理，造成表1中所示7条水路管网即下游用水子系统高温异常情况发生。
2.2. 系统现状研究
冷却循环水系统控制现状如表2所示。水泵的投运步骤首先需要人工操作打开相应水泵的进出口蝶阀，并现场启动水泵，同时在噪音较大环境中观察水泵、电机及其出口压力是否正常。
Table 2. Analysis of control status of cooling circulating water system
表2. 冷却循环水系统控制现状分析
通过人工操作存在监控处理不及时、人为误差大、随意性强以及可靠性不高等问题，主要表现在下述一些方面：
2.2.1. 问题发生时反应滞后
现有冷却循环水泵的控制是通过接触器进行开环控制，观察水泵运行状态是否正常通过操作人员现场巡视时通过观测出水压力，用手触摸电机是否抖动升温，用耳朵听是否存在异响等手段现场监测工作状态，因岗位操作人员同时兼顾三套生产系统的运行，无法对水泵电机状态进行实时监测，当故障发生时，操作人员对于系统故障点的判断定位速度较慢，反应滞后。
2.2.2. 处理问题效率偏低
当冷却循环水系统当中的某台水泵发生故障停运时，岗位操作人员通过间接设备温升报警判断水泵故障后，快速跑到水泵房进行备用泵的切换。由于操作人员日常监控所处位置与水泵房之间存在一定物理距离，一旦出现紧急情况，如水泵突然跳闸停运，往往是下游水温升高报警之后反馈回该操作人员所处位置方能了解冷却循环水系统发生了故障，操作人员往往无法在故障发生的第一时间赶到故障现场处理，进而造成下游子系统需要持续降温的设备高温连锁，对于问题的处理效率较低，进而导致整个生产线停车的后果。
2.2.3. 不确定因素影响
冷却循环水系统的500 m3蓄水池通过人工定时开启水井补水阀进行补水，由于冬季和夏季环境温度的差异，水池内的水量消耗和补水频次存在一定的差距 [1]，如表3水池耗水量所示。人工操作容易受到其他因素影响，随意性大，例如当操作人员所监控的生产线其他设备的维修、操作等，补水阀开启后忘记关阀，导致水池溢水的情况造成水资源的浪费，或者由于补水不及时导致系统温度升高的情况。
Table 3. Water consumption of pool in winter and summer
表3. 冬夏季节水池耗水量
系统投产至今发生故障情况统计入表4的系统故障统计表所示。
Table 4. Historical fault statistics of the system
表4. 系统历史故障统计表
3. 系统自动化
随着自动控制技术的发展，自动化技术已经拓展到化工生产等多个领域 [2]，对比人工操作来说可摆脱传统监控、手动启停泵的作业方法，因此若能实现对循环系统的自动控制，实现故障处理智能化，运行数据可视化，将显著提高生产过程中的安全性和稳定性，降低人员劳动成本。
基于系统现状研究中所述三方面问题考虑，为达到提高系统稳定性的目的，采用PLC闭环控制的方案代替以往纯人工操作的方法，实现冷却循环水系统实时监控、远程指令启停和故障报警、自动切换控制、自动补水以及数据趋势记录等功能，将控制界面、数据图像等信息集成于生产线控制间上位机，达到冷却水循环系统远程可视化，实现故障点快速定位的智能化控制的目的 [3]。
3.1. 核心控制单元
通过研究系统改造生产现场的需求，依托生产系统原有上位机、PLC控制柜等作为基础，选择应经经过市场验证的产品SiemencS7系列作为数控模块，其具体参数如表5控制模块所示。
Table 5. Parameters of control module
表5. 控制模块参数
该系列的SiemencS7-200型号满足现场生产设备的现状及系统升级改造的使用要求，利用其作为核心控制单元，如图2控制模块所示。
3.2. 数据采集方式
为实现循环水泵自动切换的功能，需要对循环水泵的运行信号进行采集。通过分析对比压力开关、电机热继电器的各个辅助触点和外贴式流量计三种模式，对比不同辅助触点类型的优缺点，选择合适的数据采集方式，如表6所示辅助触点对比选择。
Table 6. Comparison and selection of auxiliary contacts
表6. 辅助触点对比选择
为满足自动化控制的需求，需要管路中的水流流量具备一定精度和稳定性，通过对比，选择外夹式流量传感器进行流量数据的采集，如图3外夹式流量传感器所示。
3.3. 水池补水的自动化
3.3.1. 补水阀门
对原有补水管道进行改造——加装可远程控制开关的电动阀门，电动阀组成如表7水池补水设备明细所示。
Table 7. Details of water replenishment equipment of pool
表7. 水池补水设备明细
另外，管道进行一定的改造，利于异常情况发生时的管道维修或手动操作等，如图4水池补水阀所示。
3.3.2. 液位指示
水池液位的情况是由操作人员通过现场巡视观测水池内水量获得数据，通过个人经验积累判断当时水池状况是否需要加水，存在人为主观因素影响，不具备量化操作具体可实施性。
冷却循环水系统中的冷却水塔直接暴露于自然界中，空气中的杂质，如树叶、树枝、灰尘等会通过水塔顶部散热片进入循环水池中，对液位计产生附着或者腐蚀，影响精度状况，甚至阻碍浮球液位计的正常运行，因此，原有浮球液位计需要进行更新，以确保水池液位的实时数据的准确度。通过对比市场上常用液位计 [3] [4]，选择适用于该水池环境的液位计进行设备改造，如表8液位计类型对比所示。
通过对比不同类型的液位计的优劣，同时结合现场环境以及工艺需求，选择安装超声波液位计传感器来监测水池液位，通过4 mA~20 mA连接到显示表或PLC系统中，提供生产现场实时液位数据，为实现自动补水提供实时有效数据。
3.4. PLC控制程序设计
通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)设计，通过逻辑程序控制包括7台泵的远程启停，实现冷却循环水系统的报警指示功能及自动运行功能，具体如下：水泵故障声光报警、水泵发生故障时自动切换、水池液位显示、水池液位高低位的声光报警、水池液位高低位自动补水程序以及循环水流量信息连锁报警等，如图5所示。
利用上位机进行设计人机交互界面的设计，便于岗位操作人员在监控室进行操作和数据检测，如图6所示。
主界面由流程运行监控图、水泵运行动画、管道内流量数值显示、水池液位显示、流量计及参数和水池进水阀等构成，二级控制画面的设置由水泵主/备选择按钮、水泵远程/就地控制按钮、启动/停止按钮、水池液位上/下限设定、流量连锁参数设定、液位流量数据趋势图、泵运行时间统计组成，如图7所示，形成智能控制系统。
3.5. 系统控制指标
技术升级改造完成后应满足冷却循环水系统自动化运行的要求，需要达到如表9技术指标所示的各项目标。
Table 9. Technical transformation indicators
表9. 技术改造指标
3.6. 系统研究成果
通过对系统一系列自动化研究并实施，该冷却循环水系统投入某化工生产线使用后升级为远程监控，并达到水池自动补水、循环水泵自动切换、水网流量监测，达到冷却水循环系统远程可视化，实现故障点快速定位的智能化控制。
技术升级完成后，形成符合生产线生产实际使用需求的软件1套、控制界面和安装符合使用要求的相应硬件，如图8现场示意图所示，实现循环水系统自动补水、运行水泵自动切换的功能，有效地避免了因循环水系统故障而造成整个下游生产线设备停车的情况，对发生故障的单一设备能够快速准确地定位，方便操作人员对该故障设备进行快速处理——维修及维护，减轻了岗位操作人员的工作强度，同时确保水资源的合理利用，提高了设备运行稳定性。
4. 结论
本文通过某冷却循环水系统自动化升级过程各个环节具体设备对比选择，实现了该系统的自动化控制。
在生产过程自动控制系统中，选择合理设计方案及其相应的硬件设施，对于生产自动化和安全稳定性有着重要意义。
NOTES
*第一作者。