連鑄機冷卻水循環自動控制系統

1 引言
工業產品生產市場競爭的白熱化，使人們對于設備與控制質量要求也變得越來越嚴格。隨著科學技術不斷的發展，一些新技術新工藝不斷的應用于工業生產的過程控制中，使以前無法解決的問題得以迎刃而解。基于變頻調速器與PLC的完美結合應用于鋼鐵企業的回收水池的水位控制系統，有效地解決了一直難以解決的水位控制問題，并帶來了巨大的管理效益與經濟效益。

2 原回水池水位控制工藝簡介
我國鋼鐵廠60%以上都采用低耗高效的連鑄坯工藝。工藝在拉坯過程中是依靠水冷卻。由于全球性水資源短缺，為降低成本和節能，冷卻水被回收到回流池中，經處理后再循環利用。漣鋼三煉鋼連鑄機也是采用這種冷卻水循環利用工作方式。
三煉鋼冷卻水回流池深12m，面積55m²，在離池底高8m平臺處安裝兩臺70kW的水泵設備及調節閥門,水泵入水吸頭離池底1m。原冷卻水回流池水位控制是靠人工值班，值班人員用眼睛觀察池內水位，根據池內水位的變化，手工操作水泵的起、停和手動調節控制閥的流量，把回流池的水輸送到廢水處理處經處理后再循環利用到聯鑄坯水冷卻工藝中。
這種水處理工藝所出現的問題，水位過漲時水泵沒有全力投入工作，淹沒了8m平臺的設備。當水位很底時，水泵卻運轉過快，產生氣蝕，導致水泵吸空振蕩，使得水泵葉片嚴重損壞。因此這兩臺水泵每月都要檢修幾次，不是設備被淹就是水泵損壞。此外，配電柜經常被燒壞，每月也要多次維修。因此既造成巨大的人力物力的浪費又影響正常生產。

3 原系統的問題分析
3.1 生產過程包含的時變隨機性客觀原因
(1) 生產過程中，聯鑄機工作臺數隨機變化很大，工作臺數多則用水多，回流大，反之亦然。
(2) 突發事件，夏季暴雨或其它突發用水，也都要流入回流池，可造成回流池水位突漲。
(3) 回流池較深光線不好，難以觀察到準確的水位。
(4) 操作繁鎖，上、下水池操作不方便。
3.2 原系統的蓄水池容積與設備配置及設備控制的工作方式
(1) 蓄水池的容積
55×(8-1)=385(m³) (1)
(2) 抽水系統有兩臺水泵、兩個調節閥及兩臺水泵電機、啟動柜和操作臺構成
水泵技術指標如下:
水泵型號:Y350M-4;
功率:70kW;
額定電壓:380V;
額定電流:140A，
額定轉速:1480r/min;
排水量:1100m³/h。
(3) 控制方式
由操作員用眼睛觀察蓄水池水位，根據水位的偏差，投入水泵工作，并操作相應的調節閥，有時投入一臺，有時投入兩臺，水泵電機為直接啟動，不能調速。
3.3 原系統所存在的問題分析
(1) 水泵流量的分析
水泵流量每臺為18.3m³/min，
而蓄水池最大的容積為385m³，要抽空蓄水池，即使只投入一臺水泵工作(暫不記回流到蓄水池的回水流量)，則:
385÷18.3=21(min) (2)
若兩臺同時投入運行則為11min，而在實際生產中水池水位要求維持在半池以下的水位，可見抽干所用時間就更短，這樣會帶來以下所分析的一些問題;
(2) 泵的工作方式分析
由于水泵的工作方式只有兩種，要么滿負荷運轉、要么停機，水泵抽水過快又不能調速運行，而操作人員很難能適時去調整調節閥，無法把抽水的流量控制在一個合適的水量上，那么只能靠水泵頻繁起停;
(3) 控制方式分析
由于水泵的控制方式是由人工操作，操作員首先要觀察蓄水池的水位，再去控制電池閥和起停水泵，而水泵的抽水流量較大，要想維持在一定的水位，工人必須頻繁的觀察水位和頻繁的操縱閥和水泵電機。由于過于頻繁，勞動強度較大，特別是夜班，為避免水位過高淹掉設備，工人大都寧可水泵一直運行而不停機，長時間的水泵空轉，造成水泵葉泵的氣蝕而損壞。
(4) 泵電機控制柜經常被燒分析
水泵電機直接啟動的工作方式，使啟動電流為4～7倍的額定電流，電流沖擊高達數百安至上千安培。而由于水泵的抽水流量過大過快，為保證水位在一合理的水位上，電機必須頻繁啟動，造成連續的大電流沖擊，從而燒壞電機控制柜。

4 技術改造方案
4.1 新工藝技術要求
(1) 實時掌握準確的水位信號
(2) 無論流入水池內水量大小，池內水位基本保持不變。
正常情況下流入回水池的流量為:80m3/h，~320m3/h，由此可知原有水泵的排水量已足夠了。從水泵運行機理得出:電動機的軸動力P，流量Q,壓力H之間的關系為:
P∝Q×H (3)
Q₂=Q₁×(N₂／N₁) (4)
H₂=H₁×(N₂／N₁)² (5)
P2=P1×(N2／N1)³ (6)
4.2 新工藝技術方案
從式(3-2)中可知，為保證回流池水位的穩定，要求水泵的排水量跟隨流入水量大小的變化，就必須通過水泵速度的調節才能實現，因此解決方案中采用MASTER-K120S系列可編程序控制器、三菱FR系列變頻調速器，通過軟件編程實現水位閉環變頻調速自動控制，這種基于變頻調速器與PLC的完美結合應用于回收水池的水位控制系統，可以有效地解決一直困擾現場事故頻繁不斷的連鑄冷卻循環水的控制問題。

5 技改系統結構與工作原理
要實現這些功能就必須采取回流池水位閉環自動控制。根劇水位變化，泵的流量也自動跟隨變化，從而保證回流池水位的動態恒定。回流池水位自動控制系統工作原理框圖如圖1。

圖1 水位自動控制系統工作原理框圖
水位自動控制系統是由水位傳感器、水位調節儀、PLC控制器、變頻調速器、水泵組成，被控對象是水泵電機。
水位傳感器檢測回流池的水位參數。水位傳感器采用擴散硅隔離式敏感組件，內設動態壓力補償和溫度補償電路，用以消除液位波動和水溫的溫度所引起的誤差，最終將液位信號轉化為標準的電信號。
PLC控制器接收水位傳感器檢測回流池的水位信號，進行PID調節運算后，輸出恒流信號，決定變頻調速器的工作狀態。同時根據現場實際情況所設定的水位上限和下限進行比較運算，進行邏輯運算，輸出上限、下限報警信號。
變頻調速器的起、停受控于PLC的輸出，而變頻調速器的頻率輸出則取決于“PLC水位調節儀”的輸出信號，“PLC水位調節儀”的輸出信號又是由水位傳感器的水位所決定。
PLC主控制程序流程圖見圖2。

圖2 PLC主控制程序流程圖

6 結束語
改造后的效果
6.1 故障率下降生產率提高
(1) 改造后的系統采用變頻調速器供電，從根本上解決了啟動電流沖擊的問題，由原來的700A降低為70A以下，解決了動力配電屏由于電流過沖而損壞的問題。
(2) 改造后的系統實現了水位自動控制，解決了水淹設備或抽空使水泵損壞造成停產的問題。因此，水淹設備造成停產的事故由原6次/年減少為0，設備維修由24次/年減少為一年一次的正常檢修，可見改造后的系統故障率下降，生產率上升。
6.2 節能效益
由原來調節閥和頻繁起停電機控制排水量變為變頻調速調節電機的速度來控制排水量，降低了電機啟動和滿負荷運行的能量損耗，同時也消除了調節閥無謂的摩擦損耗。
改造前后輸入電流(一次側)線電流數值對比如附表。
附表 線電流對比

從附表中可見，改造后電機的啟動電流比改造前降低了100倍，由于水泵是軟性負載，改造后由變頻器啟動，從根本上消除了電動機的啟動沖擊，因此能耗大幅降低。在“工作”、“維持”階段，能耗也成倍降低。
(1) 改造前電動機啟動時的能耗
電機啟動時間為1分鐘，每班平均啟動5次，一天為15次，一年之中除兩個月的大修外，300天處于工作中，因此，一年的電耗為:
700×380×10^-3×1/60×15×300=19950(kW.h)
而改造后，電機啟動后就一直處在“工作”或“維持”狀態，因此無啟動電耗。
(2) “工作”狀態時的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動控制系統有40%時間都處于“工作“狀態，一年節約的電能為:
(140-50)×380×10^-3×24×300×40%=98496(kW.h)
(3) “維持”狀態時的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動控制系統大多數時間都處于“維持”工作狀態，因此，一年節約的電能為:
(140-40)×380×10^-3×24×300×60%=164160(kW.h)
每度按0.5元計算，一年共用電節省開支為:
(19950+98496+164160)×0.5=14.13(萬元)
自從水位實現自動控制之后，已運行兩年時間，運行狀態良好，效果十分顯著。