超声波液位计在轧机污水坑自动排放中的应用

【摘要】为了有效解决轧机地下室污水坑液位测量难的问题， 实现污水的自动排放， 以武汉钢铁集团公司一硅钢技术改造工程中轧机污水坑自动排放为例， 通过采用超声波液位计测量液位的方法， 连锁泵自动运行， 可实现
污水坑长期、稳定、自动排放。实践表明， 超声波液位计能准确及时地测量污水坑的液位，且检修和维护方便，稳定性髙， 可满足生产需要， 大大提髙了污水排放的自动化水平。

       随着社会的发展、工业化的进程污水自动排放巳经成为工业生产中的一个热点话题和关注对象。污水坑是用来收集工业生产中的废水， 同时也是工业生产中不可缺少的环节。如何解决好污水坑自动排放的可靠性，从而实现污水排放过程的自动控制功能，污水坑液位的测量是其关键。利用超声波液位计能准确测量污水坑的液位，连锁泵自动控制运行，可实现污水坑长期、稳定、自动排放。武汉钢铁集团公司一硅钢技术改造工程中轧机污水坑采用了三畅超声波液位计测量液位的方法，实现了污水自动排放功能，通过两年来的运行，效果良好，稳定性高，值得推广与应用。本文主要论述该污水坑自动排放工作原理、系统组成、选型与技术指标、安装与调试等。

1、工作原理
      轧机污水坑自动排放控制系统主要由控制箱、PLC、继电器、排污泵、污水坑水位、液位计等组成，其自动控制原理如图1所示。
    控制箱是指安装在现场的就地操作箱，PLC是指可编程逻辑控制系统，该系统可以采用手动和自动方式。手动方式时通过选择污水坑控制箱中的二次回路、接触器、中间继电器、选择开关等实现切换。正常情况下，选择开关置于自动位置，当自动控制系统出现问题时，需要到现场控制箱操作面板上切换为手动方式。坑泵控制电路如图2所示。

1.1手动方式
    当现场控制箱面板上选择开关转换至手动时，如图2所示，按下启动按钮S12，接触器K11吸合，即1#泵处于工作状态。同理，按下2#泵启动按钮S12时，对应的接触器K11吸合，即2#泵也处于工作状态。根据现场情况自由选择1#泵、2#泵的启动和停止。
1.2自动方式
    为保证该系统安全稳定运行，本系统设计2条控制回路。在自动方式下，通常采用第1条控制回路，当PLC出现故漳时，可以立即采用第2条控制回路。
    (l)第1条控制回路利用液位计模拟量反馈进行自动空制‘:液位计测得实际水位，对应输出4-20mA模拟信号进人PLC , PLC通过软件程序设定对应的污水坑深度，同时根据污水坑的深}再设定报警谊:当污水坑水位上升到高液位时，计算机上设定的高报报警，连锁继电器动作，1#泵启动运行;当污水坑水位继续卜升到.J高液了们才，计算机上设定的高高报报警，连锁继电器动作，2#泵也启动运行，此时1#泵和2#泵同时运行。当污水坑水位下降到高高液位时，计算机的高高报报警消除，连锁继电器断开，2#泵停止;当污水坑水位继续下降到低水位时，计算机的高报报警消除，连锁继电器断开，1#泵停止。第1条控制回路信号传输顺序为液位计。PLC。继电器一排污泵—污水坑水位一液位计。
    (2)第2条控制回路利用液位计开关量反馈信号进行自动控制。液位计测得实际水位，当水位达到设定报警值时，开关量由开点变为闭点，连锁信号送到控制箱，控制箱内的继电器连锁动作，自动控制1#泵和2#泵的启停。当污水坑水位上升到高水位时，液位计的高报报警，连锁接触器吸合，1#泵启动运行;当污水坑水位继续上升到高高液位时，液位计的高高报报警，连锁接触器吸合，2#泵也启动运行，此时1#泵和2#泵同时运行。当污水坑水位下降到高高液位时，液位计的高高报报警消除，连锁接触器断开，2#泵停止;当污水坑水位继续下降到低液位时，液位计的高报报警消除，连锁接触器断开，1#泵停止。第2条控制回路信号传输顺序为液位计、控制箱、排污泵、污水坑液位一液位计。
2、系统硬件组成
    污水坑自动排放控制系统是由潜水排污泵、控制箱、液位计、MCC柜、PLC柜、计算机等以及它们之间的连接电缆组成，如图3所示。潜水排污泵是用来抽污水坑的水，控制箱内有成套的各种元器件和电路，控制箱正面有操作面板，可以手动就地操作排污泵的启停，液位计用于测量污水坑水位，MCC柜是提供动力和控制电源的，PLC柜对各种输人、输出信号进行处理。考虑到系统长期稳定运行，污水坑水位的准确测量是连锁控制的关键。
2.1液位计选择方案分析
    (1)方案1—选择浮球液位开关
    浮球液位开关利用浮力原理，浮球随液位的变化而变化，无机械连接件，运作简单可靠。当浮球开关被测介质浮动浮子时，浮子带动主体移动，同时浮子另一端的磁体将控制开关动作到另一端，引起开关接点变化。由于污水坑液体波动大或粘稠，杂质污泥油脂比较多，所以常发生拉断细丝使浮球丢失、卡死等现象，这虽然能引起继电器动作，短期内能保证该系统自动运行，但是稳定性差。由于系统无模拟量信号进人PLC，计算机无
法准确地监控到污水坑的适时液位高度，因此该系统不能选用浮球液位开关。
    (2)方案2—选择超声波液位计
    超声波液位计无机械可动部分，采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可靠性高，安装简单方便，且不受液体的粘度、密度等影响，具有安全、清洁、精度高、寿命长、稳定可靠、安装维护方便、读数简捷等特点，能有效地解决污水坑液位测量的问题，因此该系统选用三畅超声波液位计。
2.2超声波液位计测量原理
    超声波液位计主要由传感器和转换器(包括它们之间连接的特殊电缆)组成，其工作原理如图4所示。在测量中，超声波脉冲信号由传感器发出，声波经介质表面反射后被同一传感器接收(超声波接收器)，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，并根据声波的发射和接收之间的时间，通过转化器来计算传感器到被测液体表面的距离。
    如图4所示，超声波传感器向液体表面发射超声波脉冲信号，液体表面反射回波，这部分回波又被超声波传感器所接收，转化器计算传感器发射和接收超声波脉冲信号的时间差t，由时间t和声速C可计算出传感器振膜表面和液体表面的距离D。
      D=C x t/2
    通过D值可计算出理想状态下的液体高度L和体积V等。液体的zui高界面F不能进入盲区BD，传感器的特性决定了盲区内的回波信号将无法被接收。盲区的大小跟传感器本身有关。
3、选型与技术指标
    以轧机地下室集水坑自动排放控制系统为例，该系统主要设备材料有潜水排污泵、控制设备、超声波液位计、电缆等，具体选型如表1所示。
3.1潜水排污泵
    潜水排污泵由电动机和泵头组成，泵头与电动机轴采用串联式机械密封。电动机的防护等级为IP68 , F级绝缘;泵头包括涡壳、叶轮、底盖等部件。
3.2控制箱
    控制箱用作排污泵的手动启动、停止、运行和监控，控制箱是成套生产设备，面板上安装有转换开关、信号灯、按钮、接线端子等以及一次回路配线。
3.3超声波液位计
    超声波液位计由传感器和转换器组成，该系统选用的是SC-CSB超声波液位计，转换器具有多种功能的人机界面。它可以模拟量输出:不带Hart(0一20 mA输出)，带Hart 0一600Ω( 4一20 mA输出);也可以继电器输出:zui多提供6组开关接点输出。传感器测得的液位信号通过专用电缆传输到转换器。
3.4电缆
    电缆包括动力电缆、控制电缆和信号电缆。动力电缆4用作潜水排污泵电动机主回路，动力电缆5用作操作箱和三畅超声波液位计的电源;控制电缆用作操作箱、MCC柜、PLC柜之间的连线;信号电缆用作超声波液位计与PLC之间的连线，以及超声波液位计与操作箱的连线。
4安装与调试
4.1系统的安装
    污水坑自动排放控制系统的安装包括潜水排污泵安装、超声波液位计安装、控制箱和PLC柜安装、电缆敷设、接线等。
    (1)潜水排污泵
    潜水排污泵的安装，通常吊具采用导链滑轮或龙门吊，由于地下室受到空间的限制，所以在污水池上方确定一个受力点，其受力要远大于吊装潜水排污泵的zui大重量。吊装人员必须是专业的起重工。
    (2)超声波液位计
    超声波液位计包括传感器和转换器。传感器安装在污水坑的上面，其安装支架采用角钢或槽钢加工，垂直支架长度为500 mm，水平支架长度也为500 mm。在焊接垂直支架与水平支架的同时，在中间焊接一个支撑，成三角形状。在支架的一端用电钻开四个螺丝孔与超声波传感器相匹配;另一端开2个螺栓孔，用膨胀螺栓固定在污水坑墙面上。转换器安装在传感器附近，转换器可以用螺栓固定安装在水泥墙上，也可以用角钢或槽钢做支架安装，以方便调试和维护。传感器与转化器之间自带防水电缆，一般长度是10m，如有特殊要求，需订货前注明。三畅超声波液位计的安装现场必须满足下列条件:1)避开强烈振动场合;2)要有足够的工作空间;3)请勿把传感器装在进出管口附近，尽量装在平静的液面；4）声波开括角尽量不要反射到垂直外壁上；5）请勿将传感器的电缆敷设在高压线或电源线附近，要远离变频器。超声波传感器安装如图5所示。
    (3)控制箱
    控制箱安装在排污泵附近，可以用螺栓固定安装在水泥墙上，也可以用角钢或槽钢做支架安装，以方便调试、操作和维护为前提。
    (4)PLC柜
    用槽钢制作底座，在电气室内按规范安装PLC柜。为了使PLC不受干扰，建议PLC单独做接地。
    (5)电缆敷设
    电缆敷设前，要根据管线表确定电缆的型号和走向。敷设时，要根据编号对号人座，防止电缆误穿或漏穿，还要满足电缆的弯曲半径。应将动力电缆、控制电缆和信号电缆分开设置，在PLC柜、MCC柜、控制箱、转换器下留有余量，以方便配线人员接线。同时，根据走向把敷设的电缆整理整齐，按规范在固定地方绑扎好。
    (6)接线
    接线包括超声波液位计接线、控制箱接线、PLC接线等。超声波液位计接线如图6所示，控制箱、PLC的接线应根据二次回路图进行接线。
4.2系统调试
    该控制系统的调试包括PLC软件I/O测试调试、超声波液位计调试和排污泵调试等。
    (1)PLC软件I/O测试
    在编程人员预先编写好的程序和操作画面上，对系统进行I/o测试(打点)。测试前要检查接线，确认正确后控制回路上电，由专业调试人员在现场控制箱操作面板上进行测试。测试输人点和输出点，如表2所示。
    (2)超声波液位计调试
    超声波液位计上电前，要检查确认电缆连接和接线正确;用数字万用表检查传感器电阻值;判断传感器是否完好无损;检查转换器保护接地线是否完好;查看传感器现场安装的实际位置是否满足要求，有条件的可以先用测量尺测定坑底到安装传感器之间的距离。确认无误后再上电。三畅超声波液位计有3种设定参数的方式。
    1)面板操作设定参数
    通过转换器面板上的LCD显示屏和三个按钮，用面板操作来设定超声波参数。对照说明书，按菜单键进人菜单后，首先可以设定中英文界面，在“基本设定”菜单中选择设定匹配传感器型号，在应用参数设定中设定罐体形状、介质类型等。进人下一菜单设定盲区时，如坑内有介质，则手动启动泵，把污水坑里的水抽完，再标定空灌的零点，设定为4 mA;根据超声波检测到的传感器表面到坑底的实际高度，在“满量程设定”菜单下设定为20 mA。在报警参数中设定某一点水位为低报警值，依次设定另一点水位为高报警值，再设定一点水位为高高报警值，且报警值与接线端子一一对应，设定完成后一定保存设定数据。在面板不操作的情况下，5s后自动进入检测状态。如果方便检查，可以用万用表测量一下转换器输出端子。
    2) Hart通信器DXR375设定参数
    通过Hart通信器DXR375设定参数的超声波液位计必须满足Hart通信协议，才能用通信器DXR375设定参数。上电前，在转换器电流输出端子上串联一个25051电阻，然后把通信器DXR375连接到转换器电流输出端子上进行通信，如图7所示。通信连接上后，用通信器DXR375的面板一一设定超声波的参数。
    3)笔记本设定参数
    在笔记本操作系统中，必须事先安装好超声波液位计专用软件，笔记本通过RS232接口连接到转换器电流输出端子上进行通信。如图7所示，在笔记本上鼠标双击已安装好的软件图标进人软件后，就可以设定超声波液位计的参数。
    (3)排污泵调试
    用500 V低压绝缘电阻表检查排污泵的绝缘，分别测定定子相间、定子对地、主回路相间、主回路对地、操作回路对地的电阻值，并做好记录。当检查绝缘合格、泵的保护接地合格、主回路接线正确后，在控制箱面板上把转换开关打到“就地”，手动点动排污泵，检查泵的转动方向是否正确，如果反向，则需颠倒主回路的接线。
5、通电试运行
    调试好各个单元试验后，给系统全部上电，上满污水坑的水，先手动投运，运行一遍。手动运行成功后投人自动，通过观察水位和泵的启动，污水坑的水能实现自动排放。反复试运行几次都未出现故障，证明该系统安全稳定，达到了预期的效果。
6、结束语
    轧机地下室污水坑的污水排放实现了自动控制，而且有2条控制回路，通过两年多的使用，该系统能够安全稳定地保证排水任务的及时执行，减轻了生产人员的现场工作量，真正达到无人值守的目的，提高了工业生产自动化水平，值得推广和应用。