1  引言
工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)市場競爭的白熱化，使人們對于設(shè)備與控制質(zhì)量要求也變得越來越嚴格。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)的過程控制中，使以前無法解決的問題得以迎刃而解?；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題，并帶來了巨大的管理效益與經(jīng)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(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平臺處安裝兩臺70kW的水泵設(shè)備及調(diào)節(jié)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(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)的問題，水位過漲時水泵沒有全力投入工作，淹沒了8m平臺的設(shè)備。當(dāng)水位很底時，水泵卻運轉(zhuǎn)過快，產(chǎn)生氣蝕，導(dǎo)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(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又影響正常生產(chǎn)。

3  原系統(tǒng)的問題分析
3.1  生產(chǎn)過程包含的時變隨機性客觀原因
(1) 生產(chǎn)過程中，聯(lián)鑄機工作臺數(shù)隨機變化很大，工作臺數(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)有兩臺水泵、兩個調(diào)節(jié)閥及兩臺水泵電機、啟動柜和操作臺構(gòu)成
水泵技術(shù)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(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，有時投入一臺，有時投入兩臺，水泵電機為直接啟動，不能調(diào)速。
3.3  原系統(tǒng)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(chǎn)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(zhuǎn)、要么停機，水泵抽水過快又不能調(diào)速運行，而操作人員很難能適時去調(diào)整調(diào)節(jié)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(shè)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(zhuǎn)，造成水泵葉泵的氣蝕而損壞。
(4) 泵電機控制柜經(jīng)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(shù)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(xù)的大電流沖擊，從而燒壞電機控制柜。

4  技術(shù)改造方案
4.1  新工藝技術(shù)要求
(1) 實時掌握準確的水位信號
(2) 無論流入水池內(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。從水泵運行機理得出:電動機的軸動力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，就必須通過水泵速度的調(diào)節(jié)才能實現(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，通過軟件編程實現(xiàn)水位閉環(huán)變頻調(diào)速自動控制，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)場事故頻繁不斷的連鑄冷卻循環(huán)水的控制問題。

5  技改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
要實現(xiàn)這些功能就必須采取回流池水位閉環(huán)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(tài)恒定?；亓鞒厮蛔詣涌刂葡到y(tǒng)工作原理框圖如圖1。

圖1     水位自動控制系統(tǒng)工作原理框圖
水位自動控制系統(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，被控對象是水泵電機。
水位傳感器檢測回流池的水位參數(shù)。水位傳感器采用擴散硅隔離式敏感組件，內(nèi)設(shè)動態(tài)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)運算后，輸出恒流信號，決定變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)。同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況所設(shè)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(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，“PLC水位調(diào)節(jié)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(jié)束語
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(tǒng)實現(xiàn)了水位自動控制，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
由原來調(diào)節(jié)閥和頻繁起停電機控制排水量變?yōu)樽冾l調(diào)速調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥無謂的摩擦損耗。
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(tài)，因此無啟動電耗。
(2) “工作”狀態(tài)時的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動控制系統(tǒng)有40%時間都處于“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)時的電耗
三煉鋼冷回流池水位自動控制系統(tǒng)大多數(shù)時間都處于“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元計算，一年共用電節(jié)省開支為:
(19950+98496+164160)×0.5=14.13(萬元)
自從水位實現(xiàn)自動控制之后，已運行兩年時間，運行狀態(tài)良好，效果十分顯著。