1 引言
工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，使人們對(duì)于設(shè)備與控制質(zhì)量要求也變得越來(lái)越嚴(yán)格。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，一些新技術(shù)新工藝不斷的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程控制中，使以前無(wú)法解決的問(wèn)題得以迎刃而解?；谧冾l調(diào)速器與PLC的完美結(jié)合應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的回收水池的水位控制系統(tǒng)，有效地解決了一直難以解決的水位控制問(wèn)題，并帶來(lái)了巨大的管理效益與經(jīng)濟(jì)效益。

2 原回水池水位控制工藝簡(jiǎn)介
我國(guó)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(guò)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(jié)能，冷卻水被回收到回流池中，經(jīng)處理后再循環(huán)利用。漣鋼三煉鋼連鑄機(jī)也是采用這種冷卻水循環(huán)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(tái)處安裝兩臺(tái)70kW的水泵設(shè)備及調(diào)節(jié)閥門(mén),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(nèi)水位，根據(jù)池內(nèi)水位的變化，手工操作水泵的起、停和手動(dòng)調(diào)節(jié)控制閥的流量，把回流池的水輸送到廢水處理處經(jīng)處理后再循環(huán)利用到聯(lián)鑄坯水冷卻工藝中。
這種水處理工藝所出現(xiàn)的問(wèn)題，水位過(guò)漲時(shí)水泵沒(méi)有全力投入工作，淹沒(méi)了8m平臺(tái)的設(shè)備。當(dāng)水位很底時(shí)，水泵卻運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)快，產(chǎn)生氣蝕，導(dǎo)致水泵吸空振蕩，使得水泵葉片嚴(yán)重?fù)p壞。因此這兩臺(tái)水泵每月都要檢修幾次，不是設(shè)備被淹就是水泵損壞。此外，配電柜經(jīng)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(fèi)又影響正常生產(chǎn)。

3 原系統(tǒng)的問(wèn)題分析
3.1 生產(chǎn)過(guò)程包含的時(shí)變隨機(jī)性客觀原因
(1) 生產(chǎn)過(guò)程中，聯(lián)鑄機(jī)工作臺(tái)數(shù)隨機(jī)變化很大，工作臺(tái)數(shù)多則用水多，回流大，反之亦然。
(2) 突發(fā)事件，夏季暴雨或其它突發(fā)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(zhǔn)確的水位。
(4) 操作繁鎖，上、下水池操作不方便。
3.2 原系統(tǒng)的蓄水池容積與設(shè)備配置及設(shè)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(tǒng)有兩臺(tái)水泵、兩個(gè)調(diào)節(jié)閥及兩臺(tái)水泵電機(jī)、啟動(dòng)柜和操作臺(tái)構(gòu)成
水泵技術(shù)指標(biāo)如下:
水泵型號(hào):Y350M-4;
功率:70kW;
額定電壓:380V;
額定電流:140A，
額定轉(zhuǎn)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(jù)水位的偏差，投入水泵工作，并操作相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，有時(shí)投入一臺(tái)，有時(shí)投入兩臺(tái)，水泵電機(jī)為直接啟動(dòng)，不能調(diào)速。
3.3 原系統(tǒng)所存在的問(wèn)題分析
(1) 水泵流量的分析
水泵流量每臺(tái)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(tái)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(tái)同時(shí)投入運(yùn)行則為11min，而在實(shí)際生產(chǎn)中水池水位要求維持在半池以下的水位，可見(jiàn)抽干所用時(shí)間就更短，這樣會(huì)帶來(lái)以下所分析的一些問(wèn)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、要么停機(jī)，水泵抽水過(guò)快又不能調(diào)速運(yùn)行，而操作人員很難能適時(shí)去調(diào)整調(diào)節(jié)閥，無(wú)法把抽水的流量控制在一個(gè)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(jī)。由于過(guò)于頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，特別是夜班，為避免水位過(guò)高淹掉設(shè)備，工人大都寧可水泵一直運(yùn)行而不停機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間的水泵空轉(zhuǎn)，造成水泵葉泵的氣蝕而損壞。
(4) 泵電機(jī)控制柜經(jīng)常被燒分析
水泵電機(jī)直接啟動(dòng)的工作方式，使啟動(dòng)電流為4～7倍的額定電流，電流沖擊高達(dá)數(shù)百安至上千安培。而由于水泵的抽水流量過(guò)大過(guò)快，為保證水位在一合理的水位上，電機(jī)必須頻繁啟動(dòng)，造成連續(xù)的大電流沖擊，從而燒壞電機(jī)控制柜。

4 技術(shù)改造方案
4.1 新工藝技術(shù)要求
(1) 實(shí)時(shí)掌握準(zhǔn)確的水位信號(hào)
(2) 無(wú)論流入水池內(nèi)水量大小，池內(nèi)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(yùn)行機(jī)理得出:電動(dòng)機(jī)的軸動(dòng)力P，流量Q,壓力H之間的關(guān)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(shù)方案
從式(3-2)中可知，為保證回流池水位的穩(wěn)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(guò)水泵速度的調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)，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(diào)速器，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)水位閉環(huán)變頻調(diào)速自動(dòng)控制，這種基于變頻調(diào)速器與PLC的完美結(jié)合應(yīng)用于回收水池的水位控制系統(tǒng)，可以有效地解決一直困擾現(xiàn)場(chǎng)事故頻繁不斷的連鑄冷卻循環(huán)水的控制問(wèn)題。

5 技改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
要實(shí)現(xiàn)這些功能就必須采取回流池水位閉環(huán)自動(dòng)控制。根劇水位變化，泵的流量也自動(dòng)跟隨變化，從而保證回流池水位的動(dòng)態(tài)恒定?；亓鞒厮蛔詣?dòng)控制系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。

圖1 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理框圖
水位自動(dòng)控制系統(tǒng)是由水位傳感器、水位調(diào)節(jié)儀、PLC控制器、變頻調(diào)速器、水泵組成，被控對(duì)象是水泵電機(jī)。
水位傳感器檢測(cè)回流池的水位參數(shù)。水位傳感器采用擴(kuò)散硅隔離式敏感組件，內(nèi)設(shè)動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償電路，用以消除液位波動(dòng)和水溫的溫度所引起的誤差，最終將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。
PLC控制器接收水位傳感器檢測(cè)回流池的水位信號(hào)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算后，輸出恒流信號(hào)，決定變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況所設(shè)定的水位上限和下限進(jìn)行比較運(yùn)算，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出上限、下限報(bào)警信號(hào)。
變頻調(diào)速器的起、停受控于PLC的輸出，而變頻調(diào)速器的頻率輸出則取決于“PLC水位調(diào)節(jié)儀”的輸出信號(hào)，“PLC水位調(diào)節(jié)儀”的輸出信號(hào)又是由水位傳感器的水位所決定。
PLC主控制程序流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 PLC主控制程序流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)
改造后的效果
6.1 故障率下降生產(chǎn)率提高
(1) 改造后的系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器供電，從根本上解決了啟動(dòng)電流沖擊的問(wèn)題，由原來(lái)的700A降低為70A以下，解決了動(dòng)力配電屏由于電流過(guò)沖而損壞的問(wèn)題。
(2) 改造后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水位自動(dòng)控制，解決了水淹設(shè)備或抽空使水泵損壞造成停產(chǎn)的問(wèn)題。因此，水淹設(shè)備造成停產(chǎn)的事故由原6次/年減少為0，設(shè)備維修由24次/年減少為一年一次的正常檢修，可見(jiàn)改造后的系統(tǒng)故障率下降，生產(chǎn)率上升。
6.2 節(jié)能效益
由原來(lái)調(diào)節(jié)閥和頻繁起停電機(jī)控制排水量變?yōu)樽冾l調(diào)速調(diào)節(jié)電機(jī)的速度來(lái)控制排水量，降低了電機(jī)啟動(dòng)和滿負(fù)荷運(yùn)行的能量損耗，同時(shí)也消除了調(diào)節(jié)閥無(wú)謂的摩擦損耗。
改造前后輸入電流(一次側(cè))線電流數(shù)值對(duì)比如附表。
附表 線電流對(duì)比

從附表中可見(jiàn)，改造后電機(jī)的啟動(dòng)電流比改造前降低了100倍，由于水泵是軟性負(fù)載，改造后由變頻器啟動(dòng)，從根本上消除了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的能耗
電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為1分鐘，每班平均啟動(dòng)5次，一天為15次，一年之中除兩個(gè)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(jī)啟動(dòng)后就一直處在“工作”或“維持”狀態(tài)，因此無(wú)啟動(dòng)電耗。
(2) “工作”狀態(tài)時(shí)的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動(dòng)控制系統(tǒng)有40%時(shí)間都處于“工作“狀態(tài)，一年節(jié)約的電能為:
(140-50)×380×10^-3×24×300×40%=98496(kW.h)
(3) “維持”狀態(tài)時(shí)的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動(dòng)控制系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間都處于“維持”工作狀態(tài)，因此，一年節(jié)約的電能為:
(140-40)×380×10^-3×24×300×60%=164160(kW.h)
每度按0.5元計(jì)算，一年共用電節(jié)省開(kāi)支為:
(19950+98496+164160)×0.5=14.13(萬(wàn)元)
自從水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制之后，已運(yùn)行兩年時(shí)間，運(yùn)行狀態(tài)良好，效果十分顯著。