超聲波液位計在軋機污水坑自動排放中的應用

【摘要】為了有效解決軋機地下室污水坑液位測量難的問題， 實現污水的自動排放， 以武漢鋼鐵集團公司一硅鋼技術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
污水坑長期、穩定、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，穩定性髙， 可滿足生產需要， 大大提髙了污水排放的自動化水平。

       隨著社會的發展、工業化的進程污水自動排放巳經成為工業生產中的一個熱點話題和關注對象。污水坑是用來收集工業生產中的廢水， 同時也是工業生產中不可缺少的環節。如何解決好污水坑自動排放的可靠性，從而實現污水排放過程的自動控制功能，污水坑液位的測量是其關鍵。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，可實現污水坑長期、穩定、自動排放。武漢鋼鐵集團公司一硅鋼技術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，實現了污水自動排放功能，通過兩年來的運行，效果良好，穩定性高，值得推廣與應用。本文主要論述該污水坑自動排放工作原理、系統組成、選型與技術指標、安裝與調試等。

1、工作原理
      軋機污水坑自動排放控制系統主要由控制箱、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場的就地操作箱，PLC是指可編程邏輯控制系統，該系統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、選擇開關等實現切換。正常情況下，選擇開關置于自動位置，當自動控制系統出現問題時，需要到現場控制箱操作面板上切換為手動方式。坑泵控制電路如圖2所示。

1.1手動方式
    當現場控制箱面板上選擇開關轉換至手動時，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。同理，按下2#泵啟動按鈕S12時，對應的接觸器K11吸合，即2#泵也處于工作狀態。根據現場情況自由選擇1#泵、2#泵的啟動和停止。
1.2自動方式
    為保證該系統安全穩定運行，本系統設計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，對應輸出4-20mA模擬信號進人PLC , PLC通過軟件程序設定對應的污水坑深度，同時根據污水坑的深}再設定報警誼:當污水坑水位上升到高液位時，計算機上設定的高報報警，連鎖繼電器動作，1#泵啟動運行;當污水坑水位繼續卜升到.J高液了們才，計算機上設定的高高報報警，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，當水位達到設定報警值時，開關量由開點變為閉點，連鎖信號送到控制箱，控制箱內的繼電器連鎖動作，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、系統硬件組成
    污水坑自動排放控制系統是由潛水排污泵、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。考慮到系統長期穩定運行，污水坑水位的準確測量是連鎖控制的關鍵。
2.1液位計選擇方案分析
    (1)方案1—選擇浮球液位開關
    浮球液位開關利用浮力原理，浮球隨液位的變化而變化，無機械連接件，運作簡單可靠。當浮球開關被測介質浮動浮子時，浮子帶動主體移動，同時浮子另一端的磁體將控制開關動作到另一端，引起開關接點變化。由于污水坑液體波動大或粘稠，雜質污泥油脂比較多，所以常發生拉斷細絲使浮球丟失、卡死等現象，這雖然能引起繼電器動作，短期內能保證該系統自動運行，但是穩定性差。由于系統無模擬量信號進人PLC，計算機無
法準確地監控到污水坑的適時液位高度，因此該系統不能選用浮球液位開關。
    (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、穩定可靠、安裝維護方便、讀數簡捷等特點，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出，聲波經介質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換成電信號，并根據聲波的發射和接收之間的時間，通過轉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，轉化器計算傳感器發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BD，傳感器的特性決定了盲區內的回波信號將無法被接收。盲區的大小跟傳感器本身有關。
3、選型與技術指標
    以軋機地下室集水坑自動排放控制系統為例，該系統主要設備材料有潛水排污泵、控制設備、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、運行和監控，控制箱是成套生產設備，面板上安裝有轉換開關、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換器組成，該系統選用的是SC-CSB超聲波液位計，轉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組開關接點輸出。傳感器測得的液位信號通過專用電纜傳輸到轉換器。
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安裝與調試
4.1系統的安裝
    污水坑自動排放控制系統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、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的起重工。
    (2)超聲波液位計
    超聲波液位計包括傳感器和轉換器。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。轉換器安裝在傳感器附近，轉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，以方便調試和維護。傳感器與轉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，以方便調試、操作和維護為前提。
    (4)PLC柜
    用槽鋼制作底座，在電氣室內按規范安裝PLC柜。為了使PLC不受干擾，建議PLC單獨做接地。
    (5)電纜敷設
    電纜敷設前，要根據管線表確定電纜的型號和走向。敷設時，要根據編號對號人座，防止電纜誤穿或漏穿，還要滿足電纜的彎曲半徑。應將動力電纜、控制電纜和信號電纜分開設置，在PLC柜、MCC柜、控制箱、轉換器下留有余量，以方便配線人員接線。同時，根據走向把敷設的電纜整理整齊，按規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的接線應根據二次回路圖進行接線。
4.2系統調試
    該控制系統的調試包括PLC軟件I/O測試調試、超聲波液位計調試和排污泵調試等。
    (1)PLC軟件I/O測試
    在編程人員預先編寫好的程序和操作畫面上，對系統進行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，由專業調試人員在現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;檢查轉換器保護接地線是否完好;查看傳感器現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種設定參數的方式。
    1)面板操作設定參數
    通過轉換器面板上的LCD顯示屏和三個按鈕，用面板操作來設定超聲波參數。對照說明書，按菜單鍵進人菜單后，首先可以設定中英文界面，在“基本設定”菜單中選擇設定匹配傳感器型號，在應用參數設定中設定罐體形狀、介質類型等。進人下一菜單設定盲區時，如坑內有介質，則手動啟動泵，把污水坑里的水抽完，再標定空灌的零點，設定為4 mA;根據超聲波檢測到的傳感器表面到坑底的實際高度，在“滿量程設定”菜單下設定為20 mA。在報警參數中設定某一點水位為低報警值，依次設定另一點水位為高報警值，再設定一點水位為高高報警值，且報警值與接線端子一一對應，設定完成后一定保存設定數據。在面板不操作的情況下，5s后自動進入檢測狀態。如果方便檢查，可以用萬用表測量一下轉換器輸出端子。
    2) Hart通信器DXR375設定參數
    通過Hart通信器DXR375設定參數的超聲波液位計必須滿足Hart通信協議，才能用通信器DXR375設定參數。上電前，在轉換器電流輸出端子上串聯一個25051電阻，然后把通信器DXR375連接到轉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的面板一一設定超聲波的參數。
    3)筆記本設定參數
    在筆記本操作系統中，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，就可以設定超聲波液位計的參數。
    (3)排污泵調試
    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換開關打到“就地”，手動點動排污泵，檢查泵的轉動方向是否正確，如果反向，則需顛倒主回路的接線。
5、通電試運行
    調試好各個單元試驗后，給系統全部上電，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，污水坑的水能實現自動排放。反復試運行幾次都未出現故障，證明該系統安全穩定，達到了預期的效果。
6、結束語
    軋機地下室污水坑的污水排放實現了自動控制，而且有2條控制回路，通過兩年多的使用，該系統能夠安全穩定地保證排水任務的及時執行，減輕了生產人員的現場工作量，真正達到無人值守的目的，提高了工業生產自動化水平，值得推廣和應用。