连铸机冷却水循环自动控制系统

1 引言
工业产品生产市场竞争的白热化，使人们对于设备与控制质量要求也变得越来越严格。随着科学技术不断的发展，一些新技术新工艺不断的应用于工业生产的过程控制中，使以前无法解决的问题得以迎刃而解。基于变频调速器与PLC的完美结合应用于钢铁企业的回收水池的水位控制系统，有效地解决了一直难以解决的水位控制问题，并带来了巨大的管理效益与经济效益。

2 原回水池水位控制工艺简介
我国钢铁厂60%以上都采用低耗高效的连铸坯工艺。工艺在拉坯过程中是依靠水冷却。由于全球性水资源短缺，为降低成本和节能，冷却水被回收到回流池中，经处理后再循环利用。涟钢三炼钢连铸机也是采用这种冷却水循环利用工作方式。
三炼钢冷却水回流池深12m，面积55m²，在离池底高8m平台处安装两台70kW的水泵设备及调节阀门,水泵入水吸头离池底1m。原冷却水回流池水位控制是靠人工值班，值班人员用眼睛观察池内水位，根据池内水位的变化，手工操作水泵的起、停和手动调节控制阀的流量，把回流池的水输送到废水处理处经处理后再循环利用到联铸坯水冷却工艺中。
这种水处理工艺所出现的问题，水位过涨时水泵没有全力投入工作，淹没了8m平台的设备。当水位很底时，水泵却运转过快，产生气蚀，导致水泵吸空振荡，使得水泵叶片严重损坏。因此这两台水泵每月都要检修几次，不是设备被淹就是水泵损坏。此外，配电柜经常被烧坏，每月也要多次维修。因此既造成巨大的人力物力的浪费又影响正常生产。

3 原系统的问题分析
3.1 生产过程包含的时变随机性客观原因
(1) 生产过程中，联铸机工作台数随机变化很大，工作台数多则用水多，回流大，反之亦然。
(2) 突发事件，夏季暴雨或其它突发用水，也都要流入回流池，可造成回流池水位突涨。
(3) 回流池较深光线不好，难以观察到准确的水位。
(4) 操作繁锁，上、下水池操作不方便。
3.2 原系统的蓄水池容积与设备配置及设备控制的工作方式
(1) 蓄水池的容积
55×(8-1)=385(m³) (1)
(2) 抽水系统有两台水泵、两个调节阀及两台水泵电机、启动柜和操作台构成
水泵技术指标如下:
水泵型号:Y350M-4;
功率:70kW;
额定电压:380V;
额定电流:140A，
额定转速:1480r/min;
排水量:1100m³/h。
(3) 控制方式
由操作员用眼睛观察蓄水池水位，根据水位的偏差，投入水泵工作，并操作相应的调节阀，有时投入一台，有时投入两台，水泵电机为直接启动，不能调速。
3.3 原系统所存在的问题分析
(1) 水泵流量的分析
水泵流量每台为18.3m³/min，
而蓄水池最大的容积为385m³，要抽空蓄水池，即使只投入一台水泵工作(暂不记回流到蓄水池的回水流量)，则:
385÷18.3=21(min) (2)
若两台同时投入运行则为11min，而在实际生产中水池水位要求维持在半池以下的水位，可见抽干所用时间就更短，这样会带来以下所分析的一些问题;
(2) 泵的工作方式分析
由于水泵的工作方式只有两种，要么满负荷运转、要么停机，水泵抽水过快又不能调速运行，而操作人员很难能适时去调整调节阀，无法把抽水的流量控制在一个合适的水量上，那么只能靠水泵频繁起停;
(3) 控制方式分析
由于水泵的控制方式是由人工操作，操作员首先要观察蓄水池的水位，再去控制电池阀和起停水泵，而水泵的抽水流量较大，要想维持在一定的水位，工人必须频繁的观察水位和频繁的操纵阀和水泵电机。由于过于频繁，劳动强度较大，特别是夜班，为避免水位过高淹掉设备，工人大都宁可水泵一直运行而不停机，长时间的水泵空转，造成水泵叶泵的气蚀而损坏。
(4) 泵电机控制柜经常被烧分析
水泵电机直接启动的工作方式，使启动电流为4～7倍的额定电流，电流冲击高达数百安至上千安培。而由于水泵的抽水流量过大过快，为保证水位在一合理的水位上，电机必须频繁启动，造成连续的大电流冲击，从而烧坏电机控制柜。

4 技术改造方案
4.1 新工艺技术要求
(1) 实时掌握准确的水位信号
(2) 无论流入水池内水量大小，池内水位基本保持不变。
正常情况下流入回水池的流量为:80m3/h，~320m3/h，由此可知原有水泵的排水量已足够了。从水泵运行机理得出:电动机的轴动力P，流量Q,压力H之间的关系为:
P∝Q×H (3)
Q₂=Q₁×(N₂／N₁) (4)
H₂=H₁×(N₂／N₁)² (5)
P2=P1×(N2／N1)³ (6)
4.2 新工艺技术方案
从式(3-2)中可知，为保证回流池水位的稳定，要求水泵的排水量跟随流入水量大小的变化，就必须通过水泵速度的调节才能实现，因此解决方案中采用MASTER-K120S系列可编程序控制器、三菱FR系列变频调速器，通过软件编程实现水位闭环变频调速自动控制，这种基于变频调速器与PLC的完美结合应用于回收水池的水位控制系统，可以有效地解决一直困扰现场事故频繁不断的连铸冷却循环水的控制问题。

5 技改系统结构与工作原理
要实现这些功能就必须采取回流池水位闭环自动控制。根剧水位变化，泵的流量也自动跟随变化，从而保证回流池水位的动态恒定。回流池水位自动控制系统工作原理框图如图1。

图1 水位自动控制系统工作原理框图
水位自动控制系统是由水位传感器、水位调节仪、PLC控制器、变频调速器、水泵组成，被控对象是水泵电机。
水位传感器检测回流池的水位参数。水位传感器采用扩散硅隔离式敏感组件，内设动态压力补偿和温度补偿电路，用以消除液位波动和水温的温度所引起的误差，最终将液位信号转化为标准的电信号。
PLC控制器接收水位传感器检测回流池的水位信号，进行PID调节运算后，输出恒流信号，决定变频调速器的工作状态。同时根据现场实际情况所设定的水位上限和下限进行比较运算，进行逻辑运算，输出上限、下限报警信号。
变频调速器的起、停受控于PLC的输出，而变频调速器的频率输出则取决于“PLC水位调节仪”的输出信号，“PLC水位调节仪”的输出信号又是由水位传感器的水位所决定。
PLC主控制程序流程图见图2。

图2 PLC主控制程序流程图

6 结束语
改造后的效果
6.1 故障率下降生产率提高
(1) 改造后的系统采用变频调速器供电，从根本上解决了启动电流冲击的问题，由原来的700A降低为70A以下，解决了动力配电屏由于电流过冲而损坏的问题。
(2) 改造后的系统实现了水位自动控制，解决了水淹设备或抽空使水泵损坏造成停产的问题。因此，水淹设备造成停产的事故由原6次/年减少为0，设备维修由24次/年减少为一年一次的正常检修，可见改造后的系统故障率下降，生产率上升。
6.2 节能效益
由原来调节阀和频繁起停电机控制排水量变为变频调速调节电机的速度来控制排水量，降低了电机启动和满负荷运行的能量损耗，同时也消除了调节阀无谓的摩擦损耗。
改造前后输入电流(一次侧)线电流数值对比如附表。
附表 线电流对比

从附表中可见，改造后电机的启动电流比改造前降低了100倍，由于水泵是软性负载，改造后由变频器启动，从根本上消除了电动机的启动冲击，因此能耗大幅降低。在“工作”、“维持”阶段，能耗也成倍降低。
(1) 改造前电动机启动时的能耗
电机启动时间为1分钟，每班平均启动5次，一天为15次，一年之中除两个月的大修外，300天处于工作中，因此，一年的电耗为:
700×380×10^-3×1/60×15×300=19950(kW.h)
而改造后，电机启动后就一直处在“工作”或“维持”状态，因此无启动电耗。
(2) “工作”状态时的电耗
三炼钢冷回流池水位自动控制系统有40%时间都处于“工作“状态，一年节约的电能为:
(140-50)×380×10^-3×24×300×40%=98496(kW.h)
(3) “维持”状态时的电耗
三炼钢冷回流池水位自动控制系统大多数时间都处于“维持”工作状态，因此，一年节约的电能为:
(140-40)×380×10^-3×24×300×60%=164160(kW.h)
每度按0.5元计算，一年共用电节省开支为:
(19950+98496+164160)×0.5=14.13(万元)
自从水位实现自动控制之后，已运行两年时间，运行状态良好，效果十分显著。