【摘要】為了有效解決軋機地下室污水坑液位測量難的問題， 實現(xiàn)污水的自動排放， 以武漢鋼鐵集團公司一硅鋼技術(shù)改造工程中軋機污水坑自動排放為例， 通過采用超聲波液位計測量液位的方法， 連鎖泵自動運行， 可實現(xiàn)
污水坑長期、穩(wěn)定、自動排放。實踐表明， 超聲波液位計能準確及時地測量污水坑的液位，且檢修和維護方便，穩(wěn)定性髙， 可滿足生產(chǎn)需要， 大大提髙了污水排放的自動化水平。

       隨著社會的發(fā)展、工業(yè)化的進程污水自動排放巳經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的一個熱點話題和關(guān)注對象。污水坑是用來收集工業(yè)生產(chǎn)中的廢水， 同時也是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。如何解決好污水坑自動排放的可靠性，從而實現(xiàn)污水排放過程的自動控制功能，污水坑液位的測量是其關(guān)鍵。利用超聲波液位計能準確測量污水坑的液位，連鎖泵自動控制運行，可實現(xiàn)污水坑長期、穩(wěn)定、自動排放。武漢鋼鐵集團公司一硅鋼技術(shù)改造工程中軋機污水坑采用了三暢超聲波液位計測量液位的方法，實現(xiàn)了污水自動排放功能，通過兩年來的運行，效果良好，穩(wěn)定性高，值得推廣與應(yīng)用。本文主要論述該污水坑自動排放工作原理、系統(tǒng)組成、選型與技術(shù)指標、安裝與調(diào)試等。

1、工作原理
      軋機污水坑自動排放控制系統(tǒng)主要由控制箱、PLC、繼電器、排污泵、污水坑水位、液位計等組成，其自動控制原理如圖1所示。
    控制箱是指安裝在現(xiàn)場的就地操作箱，PLC是指可編程邏輯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采用手動和自動方式。手動方式時通過選擇污水坑控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開關(guān)等實現(xiàn)切換。正常情況下，選擇開關(guān)置于自動位置，當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，需要到現(xiàn)場控制箱操作面板上切換為手動方式?？颖每刂齐娐啡鐖D2所示。

1.1手動方式
    當現(xiàn)場控制箱面板上選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換至手動時，如圖2所示，按下啟動按鈕S12，接觸器K11吸合，即1#泵處于工作狀態(tài)。同理，按下2#泵啟動按鈕S12時，對應(yīng)的接觸器K11吸合，即2#泵也處于工作狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場情況自由選擇1#泵、2#泵的啟動和停止。
1.2自動方式
    為保證該系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，本系統(tǒng)設(shè)計2條控制回路。在自動方式下，通常采用第1條控制回路，當PLC出現(xiàn)故漳時，可以立即采用第2條控制回路。
    (l)第1條控制回路利用液位計模擬量反饋進行自動空制‘:液位計測得實際水位，對應(yīng)輸出4-20mA模擬信號進人PLC , PLC通過軟件程序設(shè)定對應(yīng)的污水坑深度，同時根據(jù)污水坑的深}再設(shè)定報警誼:當污水坑水位上升到高液位時，計算機上設(shè)定的高報報警，連鎖繼電器動作，1#泵啟動運行;當污水坑水位繼續(xù)卜升到.J高液了們才，計算機上設(shè)定的高高報報警，連鎖繼電器動作，2#泵也啟動運行，此時1#泵和2#泵同時運行。當污水坑水位下降到高高液位時，計算機的高高報報警消除，連鎖繼電器斷開，2#泵停止;當污水坑水位繼續(xù)下降到低水位時，計算機的高報報警消除，連鎖繼電器斷開，1#泵停止。第1條控制回路信號傳輸順序為液位計。PLC。繼電器一排污泵—污水坑水位一液位計。
    (2)第2條控制回路利用液位計開關(guān)量反饋信號進行自動控制。液位計測得實際水位，當水位達到設(shè)定報警值時，開關(guān)量由開點變?yōu)殚]點，連鎖信號送到控制箱，控制箱內(nèi)的繼電器連鎖動作，自動控制1#泵和2#泵的啟停。當污水坑水位上升到高水位時，液位計的高報報警，連鎖接觸器吸合，1#泵啟動運行;當污水坑水位繼續(xù)上升到高高液位時，液位計的高高報報警，連鎖接觸器吸合，2#泵也啟動運行，此時1#泵和2#泵同時運行。當污水坑水位下降到高高液位時，液位計的高高報報警消除，連鎖接觸器斷開，2#泵停止;當污水坑水位繼續(xù)下降到低液位時，液位計的高報報警消除，連鎖接觸器斷開，1#泵停止。第2條控制回路信號傳輸順序為液位計、控制箱、排污泵、污水坑液位一液位計。
2、系統(tǒng)硬件組成
    污水坑自動排放控制系統(tǒng)是由潛水排污泵、控制箱、液位計、MCC柜、PLC柜、計算機等以及它們之間的連接電纜組成，如圖3所示。潛水排污泵是用來抽污水坑的水，控制箱內(nèi)有成套的各種元器件和電路，控制箱正面有操作面板，可以手動就地操作排污泵的啟停，液位計用于測量污水坑水位，MCC柜是提供動力和控制電源的，PLC柜對各種輸人、輸出信號進行處理?？紤]到系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，污水坑水位的準確測量是連鎖控制的關(guān)鍵。
2.1液位計選擇方案分析
    (1)方案1—選擇浮球液位開關(guān)
    浮球液位開關(guān)利用浮力原理，浮球隨液位的變化而變化，無機械連接件，運作簡單可靠。當浮球開關(guān)被測介質(zhì)浮動浮子時，浮子帶動主體移動，同時浮子另一端的磁體將控制開關(guān)動作到另一端，引起開關(guān)接點變化。由于污水坑液體波動大或粘稠，雜質(zhì)污泥油脂比較多，所以常發(fā)生拉斷細絲使浮球丟失、卡死等現(xiàn)象，這雖然能引起繼電器動作，短期內(nèi)能保證該系統(tǒng)自動運行，但是穩(wěn)定性差。由于系統(tǒng)無模擬量信號進人PLC，計算機無
法準確地監(jiān)控到污水坑的適時液位高度，因此該系統(tǒng)不能選用浮球液位開關(guān)。
    (2)方案2—選擇超聲波液位計
    超聲波液位計無機械可動部分，采用非接觸的測量，被測介質(zhì)幾乎不受限制，可靠性高，安裝簡單方便，且不受液體的粘度、密度等影響，具有安全、清潔、精度高、壽命長、穩(wěn)定可靠、安裝維護方便、讀數(shù)簡捷等特點，能有效地解決污水坑液位測量的問題，因此該系統(tǒng)選用三暢超聲波液位計。
2.2超聲波液位計測量原理
    超聲波液位計主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器(包括它們之間連接的特殊電纜)組成，其工作原理如圖4所示。在測量中，超聲波脈沖信號由傳感器發(fā)出，聲波經(jīng)介質(zhì)表面反射后被同一傳感器接收(超聲波接收器)，通過壓電晶體或磁致伸縮器件轉(zhuǎn)換成電信號，并根據(jù)聲波的發(fā)射和接收之間的時間，通過轉(zhuǎn)化器來計算傳感器到被測液體表面的距離。
    如圖4所示，超聲波傳感器向液體表面發(fā)射超聲波脈沖信號，液體表面反射回波，這部分回波又被超聲波傳感器所接收，轉(zhuǎn)化器計算傳感器發(fā)射和接收超聲波脈沖信號的時間差t，由時間t和聲速C可計算出傳感器振膜表面和液體表面的距離D。
      D=C x t/2
    通過D值可計算出理想狀態(tài)下的液體高度L和體積V等。液體的zui高界面F不能進入盲區(qū)BD，傳感器的特性決定了盲區(qū)內(nèi)的回波信號將無法被接收。盲區(qū)的大小跟傳感器本身有關(guān)。
3、選型與技術(shù)指標
    以軋機地下室集水坑自動排放控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要設(shè)備材料有潛水排污泵、控制設(shè)備、超聲波液位計、電纜等，具體選型如表1所示。
3.1潛水排污泵
    潛水排污泵由電動機和泵頭組成，泵頭與電動機軸采用串聯(lián)式機械密封。電動機的防護等級為IP68 , F級絕緣;泵頭包括渦殼、葉輪、底蓋等部件。
3.2控制箱
    控制箱用作排污泵的手動啟動、停止、運行和監(jiān)控，控制箱是成套生產(chǎn)設(shè)備，面板上安裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)、信號燈、按鈕、接線端子等以及一次回路配線。
3.3超聲波液位計
    超聲波液位計由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，該系統(tǒng)選用的是SC-CSB超聲波液位計，轉(zhuǎn)換器具有多種功能的人機界面。它可以模擬量輸出:不帶Hart(0一20 mA輸出)，帶Hart 0一600Ω( 4一20 mA輸出);也可以繼電器輸出:zui多提供6組開關(guān)接點輸出。傳感器測得的液位信號通過專用電纜傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器。
3.4電纜
    電纜包括動力電纜、控制電纜和信號電纜。動力電纜4用作潛水排污泵電動機主回路，動力電纜5用作操作箱和三暢超聲波液位計的電源;控制電纜用作操作箱、MCC柜、PLC柜之間的連線;信號電纜用作超聲波液位計與PLC之間的連線，以及超聲波液位計與操作箱的連線。
4安裝與調(diào)試
4.1系統(tǒng)的安裝
    污水坑自動排放控制系統(tǒng)的安裝包括潛水排污泵安裝、超聲波液位計安裝、控制箱和PLC柜安裝、電纜敷設(shè)、接線等。
    (1)潛水排污泵
    潛水排污泵的安裝，通常吊具采用導鏈滑輪或龍門吊，由于地下室受到空間的限制，所以在污水池上方確定一個受力點，其受力要遠大于吊裝潛水排污泵的zui大重量。吊裝人員必須是專業(yè)的起重工。
    (2)超聲波液位計
    超聲波液位計包括傳感器和轉(zhuǎn)換器。傳感器安裝在污水坑的上面，其安裝支架采用角鋼或槽鋼加工，垂直支架長度為500 mm，水平支架長度也為500 mm。在焊接垂直支架與水平支架的同時，在中間焊接一個支撐，成三角形狀。在支架的一端用電鉆開四個螺絲孔與超聲波傳感器相匹配;另一端開2個螺栓孔，用膨脹螺栓固定在污水坑墻面上。轉(zhuǎn)換器安裝在傳感器附近，轉(zhuǎn)換器可以用螺栓固定安裝在水泥墻上，也可以用角鋼或槽鋼做支架安裝，以方便調(diào)試和維護。傳感器與轉(zhuǎn)化器之間自帶防水電纜，一般長度是10m，如有特殊要求，需訂貨前注明。三暢超聲波液位計的安裝現(xiàn)場必須滿足下列條件:1)避開強烈振動場合;2)要有足夠的工作空間;3)請勿把傳感器裝在進出管口附近，盡量裝在平靜的液面；4）聲波開括角盡量不要反射到垂直外壁上；5）請勿將傳感器的電纜敷設(shè)在高壓線或電源線附近，要遠離變頻器。超聲波傳感器安裝如圖5所示。
    (3)控制箱
    控制箱安裝在排污泵附近，可以用螺栓固定安裝在水泥墻上，也可以用角鋼或槽鋼做支架安裝，以方便調(diào)試、操作和維護為前提。
    (4)PLC柜
    用槽鋼制作底座，在電氣室內(nèi)按規(guī)范安裝PLC柜。為了使PLC不受干擾，建議PLC單獨做接地。
    (5)電纜敷設(shè)
    電纜敷設(shè)前，要根據(jù)管線表確定電纜的型號和走向。敷設(shè)時，要根據(jù)編號對號人座，防止電纜誤穿或漏穿，還要滿足電纜的彎曲半徑。應(yīng)將動力電纜、控制電纜和信號電纜分開設(shè)置，在PLC柜、MCC柜、控制箱、轉(zhuǎn)換器下留有余量，以方便配線人員接線。同時，根據(jù)走向把敷設(shè)的電纜整理整齊，按規(guī)范在固定地方綁扎好。
    (6)接線
    接線包括超聲波液位計接線、控制箱接線、PLC接線等。超聲波液位計接線如圖6所示，控制箱、PLC的接線應(yīng)根據(jù)二次回路圖進行接線。
4.2系統(tǒng)調(diào)試
    該控制系統(tǒng)的調(diào)試包括PLC軟件I/O測試調(diào)試、超聲波液位計調(diào)試和排污泵調(diào)試等。
    (1)PLC軟件I/O測試
    在編程人員預(yù)先編寫好的程序和操作畫面上，對系統(tǒng)進行I/o測試(打點)。測試前要檢查接線，確認正確后控制回路上電，由專業(yè)調(diào)試人員在現(xiàn)場控制箱操作面板上進行測試。測試輸人點和輸出點，如表2所示。
    (2)超聲波液位計調(diào)試
    超聲波液位計上電前，要檢查確認電纜連接和接線正確;用數(shù)字萬用表檢查傳感器電阻值;判斷傳感器是否完好無損;檢查轉(zhuǎn)換器保護接地線是否完好;查看傳感器現(xiàn)場安裝的實際位置是否滿足要求，有條件的可以先用測量尺測定坑底到安裝傳感器之間的距離。確認無誤后再上電。三暢超聲波液位計有3種設(shè)定參數(shù)的方式。
    1)面板操作設(shè)定參數(shù)
    通過轉(zhuǎn)換器面板上的LCD顯示屏和三個按鈕，用面板操作來設(shè)定超聲波參數(shù)。對照說明書，按菜單鍵進人菜單后，首先可以設(shè)定中英文界面，在“基本設(shè)定”菜單中選擇設(shè)定匹配傳感器型號，在應(yīng)用參數(shù)設(shè)定中設(shè)定罐體形狀、介質(zhì)類型等。進人下一菜單設(shè)定盲區(qū)時，如坑內(nèi)有介質(zhì)，則手動啟動泵，把污水坑里的水抽完，再標定空灌的零點，設(shè)定為4 mA;根據(jù)超聲波檢測到的傳感器表面到坑底的實際高度，在“滿量程設(shè)定”菜單下設(shè)定為20 mA。在報警參數(shù)中設(shè)定某一點水位為低報警值，依次設(shè)定另一點水位為高報警值，再設(shè)定一點水位為高高報警值，且報警值與接線端子一一對應(yīng)，設(shè)定完成后一定保存設(shè)定數(shù)據(jù)。在面板不操作的情況下，5s后自動進入檢測狀態(tài)。如果方便檢查，可以用萬用表測量一下轉(zhuǎn)換器輸出端子。
    2) Hart通信器DXR375設(shè)定參數(shù)
    通過Hart通信器DXR375設(shè)定參數(shù)的超聲波液位計必須滿足Hart通信協(xié)議，才能用通信器DXR375設(shè)定參數(shù)。上電前，在轉(zhuǎn)換器電流輸出端子上串聯(lián)一個25051電阻，然后把通信器DXR375連接到轉(zhuǎn)換器電流輸出端子上進行通信，如圖7所示。通信連接上后，用通信器DXR375的面板一一設(shè)定超聲波的參數(shù)。
    3)筆記本設(shè)定參數(shù)
    在筆記本操作系統(tǒng)中，必須事先安裝好超聲波液位計專用軟件，筆記本通過RS232接口連接到轉(zhuǎn)換器電流輸出端子上進行通信。如圖7所示，在筆記本上鼠標雙擊已安裝好的軟件圖標進人軟件后，就可以設(shè)定超聲波液位計的參數(shù)。
    (3)排污泵調(diào)試
    用500 V低壓絕緣電阻表檢查排污泵的絕緣，分別測定定子相間、定子對地、主回路相間、主回路對地、操作回路對地的電阻值，并做好記錄。當檢查絕緣合格、泵的保護接地合格、主回路接線正確后，在控制箱面板上把轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“就地”，手動點動排污泵，檢查泵的轉(zhuǎn)動方向是否正確，如果反向，則需顛倒主回路的接線。
5、通電試運行
    調(diào)試好各個單元試驗后，給系統(tǒng)全部上電，上滿污水坑的水，先手動投運，運行一遍。手動運行成功后投人自動，通過觀察水位和泵的啟動，污水坑的水能實現(xiàn)自動排放。反復試運行幾次都未出現(xiàn)故障，證明該系統(tǒng)安全穩(wěn)定，達到了預(yù)期的效果。
6、結(jié)束語
    軋機地下室污水坑的污水排放實現(xiàn)了自動控制，而且有2條控制回路，通過兩年多的使用，該系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地保證排水任務(wù)的及時執(zhí)行，減輕了生產(chǎn)人員的現(xiàn)場工作量，真正達到無人值守的目的，提高了工業(yè)生產(chǎn)自動化水平，值得推廣和應(yīng)用。