1引言
炼钢连铸水处理自动控制系统是连铸生产线控制系统中关键，而又相对独立的系统。该水处理主要是为连铸生产线提供循环冷却水。传统的水处理系统存在液位变化大，运行效率低，电能损耗大，丢水多等缺点。本文结合连铸生产工艺特点，概述了连铸水处理PLC控制系统的设计方案及人机接口界面等功能。
2工艺流程
连铸水处理工艺分为净环水系统和浊环水系统两大部分。
2.1净环水系统
净环水系统又分为冷却水系统和冷媒水系统。
结晶器和闭路机械冷媒水系统由净环吸水井供水，通过板式换热器对热能进行有效回收，之后，经过净环冷却塔对高温水进行降温处理后回到净环吸水井。同时，由净环供水泵将净环吸水井的水抽到远程的连铸厂房，用于厂房内的空调供水等非直接生产的日用。该系统主要用于对连铸现场的回水进行降温、净化处理。
结晶器和闭路机械冷却水系统用于提供给连铸结晶器及设备所需要的一定压力和一定温度的软化水，由各自的软水箱进行供水，同样，通过板式换热器对热水伴有的热能进行有效回收之后，输送到现场，作为连铸机的生产用水。由于冷却水直接用于铸机的生产，因此需要对这两种水质有一定的要求，在结晶器冷却水和闭路机械冷水的管道上，各自加了硬度检测仪和冷却水的电导率来对冷却水进行检测。
净环系统属于内部循环，对水质要求较高，所以配备了净环加药罐，软水加药罐，旁通过滤器等设备，以保证生产用水的要求。
2.2浊环水系统
根据现场连铸机的二冷区生产要求，浊环系统中，二冷泵将冷却后的浊环吸水井中的水抽送给现场一定压力和一定温度的二冷水，用于生产。同时，旋流井中的冲铁皮泵将旋流井内水抽送到现场，用于冲洗连铸生产后余下的氧化铁皮、沟内沉渣等。氧化铁皮沟回水又回到旋流井，由旋流井提升泵组抽回到沉淀池内，其中，大部分渣滓主要是氧化铁皮沉淀于池底，利用泥浆泵将沉淀物抽到浓缩池内，后经刮泥机将杂物送至污泥处理处，沉淀池内的浊环水通过浊环供水泵送到浊环过滤器，对浊环水进行过滤之后经冷却塔风机降温之后回到浊环吸水井。再经由二冷泵将浊环吸水井内的水抽送到旋流进内，这一过程主要是外部循环。
在浊环过滤过程中，会积累一定的杂物影响过滤效果及过滤器设备的生产寿命，所以要定期对过滤器进行反洗，本过滤器由7个过滤罐组成，当对过滤罐进行反洗时候采用一灌逆洗六灌过滤的策略。
相对于以往的长轴泵不易维修，故障率高，抽水慢等缺点，将旋流井水抽送到沉淀池过程中采用的是提升泵+透平泵的策略，先由透平泵将水抽到提升泵可以抽水的水位，接着由提升泵接着抽水，此时透平泵停止工作，该策略提高了泵站的工作效率和方便了维护人员的维修。
3系统总体设计方案
鞍钢西区炼钢连铸水处理站与旋流井距离较远。所以将整个控制系统划分为主水处理站与旋流井站两部分。在主水处理站中采用的控制器是SIEMENS S7-400的CPU和ET200M的I/O模板。旋流井控制站采用的是SIEMENS S7-300的CPU和ET200M的I/O模板。两者之间采用的是光纤通过SIEMENS交换机实现通讯的。
该系统配置了一台工程师站和两台操作员站。为了提高系统的运行效率和减少系统故障的可能性，本系统设计了两条工业以太网，一条线用与HMI网络，另一条用于PLC网络。这样有助于减少网络的堵塞，当其中一条网络出现病毒或故障时，另一条网络也可以正常运行。尤其是为了保证PLC网络的正常运行。
在两个控制站中都各自采用了PROFIBUS-DP现场总线网络，DP从站由SIMATIC分布式的ET200M I/O来承当。S7-400和S7-300作为主站对ET200M的通讯和控制。系统结构如图1所示。
图1 系统结构图
由于现场情况复杂，旋流井和主水处理站相距较远，并且旋流井所处位置附近没有中央控制室。所以，将旋流井站作为一个远程站，由S7-400作为主站，旋流井处不设有操作员站。
该系统网络布线优点在于最大程度减少了现场布线，使系统都集成在SIMATIC中便于管理、维护。分布式I/O和主站之间有非常短的通讯响应时间。由于采用了分布式布线使整体具有很高的灵活性，方便了对现场执行机构的控制。
4控制系统软件设计
为了提高工作效率，方便维护人员的维护，保证设备的正常运行，设计的PLC控制系统主要是根据工艺要求进行过程控制，设计有在线监视，报警记录，趋势归档等功能。
4.1过程控制
连铸水处理控制是典型的多任务控制，本系统的程序根据各个子系统的工艺要求进行分段编写。本程序根据设备功能、设备之间的逻辑关系，将控制程序放置在不同的功能块中，并根据各个部分的工艺来调用该功能块进行编写控制程序。其中对数据存贮、观察或数据通讯有要求的系统，编写其程序的同时对其分配数据背景块。本系统一共涉及了六大部分，主要执行机构是泵、阀和风机等设备。具体程序结构如图2所示。
图2 程序结构图
4.1.1结晶器供水系统
结晶器供水系统中主要由供水水管压力及结晶器软水箱液位来对结晶器供水泵进行控制。结晶器供水泵采用的是两工一备的工作方式，以保证供水管的压力和流量能够一直达到连铸机生产要求。同时，结晶器软水箱补水阀的控制也是由软水箱的液位来进行自动调节。结晶器事故水箱中的两个切断阀则是由事故水箱的液位进行开关阀的控制。
4.1.2闭路机械供水系统
闭路机械供水系统的控制方式与结晶器供水系统控制方式类似，由于篇幅有限，这里不再赘述。
4.1.3净环系统控制
净环供水系统控制中，净环水池的补水阀的开关是由净环水池的液位来控制，实现自动补水的。结晶器冷媒供水泵和闭路机械冷媒供水泵都是采用的两工一备的工作方式，当冷媒水供水系统压力低于设定值时，备用泵开始追起。
净环供水泵的操作方式相同于结晶器冷媒水泵。
旁通过滤泵用于向旁通过滤器供水，该泵的控制方式主要在于起泵控制，只有当旁通过滤器处于过滤状态时候，才能起泵。旁通过滤器供水泵采用的是一工一备，也是靠压力低下进行备用泵的追起。
净环冷却塔风机是由Y-△变换启动，并设有高速和低速两档运行状态，当进行速度切换时，可以从低速向高速运转，但是由于风机没有配有变频控制，所以当高速向低速运转时，电机处于发电状态，电流值聚增，会出现抱闸现象。当处于风机自动状态时，要求风机从高速到低速切换时，风机状态先由高速到停止状态，待一定延迟之后起到低速，避免出现抱闸现象。
4.1.4浊环系统控制
浊环吸水井补水阀的开关控制根据浊环吸水井的液位来实现自动控制。
浊环系统中的二冷水供水泵采用的是四工两备的工作方式，向连铸机现场提供一定温度和一定压力的二冷水。
在二冷水管道配有调节阀，程序中用PID实现对其的自动调节。通过对二冷调节阀的开度调节来保证二冷水的出口压力能够满足连铸机的生产要求。由于对水的调节滞后性比较大，同时又要求调节阀的快速动作，所以，比例积分需要设定相对较大值，以达到快速调节的目的。
二冷水的事故水箱与结晶器事故水箱控制相同。
浊环冷却塔风机与净环冷却塔风机采用相同的控制方式。
浊环供水泵根据沉淀池的液位进行控制。采用的两工一备的工作方式，当沉淀池液位超高时，备用泵开始追起。沉淀池的回流阀的开关也是由沉淀池的液位来实现自动控制的。
4.1.5旋流井控制
旋流井部分主要有三种执行机构，回流阀、提升泵和冲铁皮泵。当旋流井液位低于最低设定值时，回流阀自动开，同时追起的提升备用泵停止，使提升泵抽送的水回到旋流井内，以免抽干旋流井内的水，当液位高于设定值时，回流阀关闭，提升备用泵追起，提升泵将水抽送到沉淀池内，以防淹井。
4.1.6过滤器控制
过滤器控制是水处理中相对逻辑控制比较多的一部分。过滤器罐一共7台，有逆洗和过滤两种状态，每台过滤灌有9个气动阀，当过滤时，随着时间的变化，这9个气动阀有着逻辑上的动作变化。逆洗采用的是轮询制，每隔24小时定时轮流逆洗。当一台罐逆洗时，其余六台罐子仍然处于过滤状态。
过滤器送水泵采用的两工一备的工作方式，由压力方式进行备用泵的自动追起。
逆洗排水泵控制主要是由逆洗排水槽控制，当逆洗排水槽或浊环吸水井液位低于相应设定值时，逆洗排水泵自动停泵，当浊环吸水井液位高于某设定值时，逆洗排水泵才可以起泵，对过滤灌进行逆洗过程。
4.2系统控制特点
为了节能省电，在浊环系统的三个浊环供水泵上分别安装了三个永磁联轴器。当沉淀池液位高于一个设定值之后，PLC给永磁联轴器输出一个20mA的电流，永磁联轴器开始咬合电机轴承，使得浊环供水泵运转速度达到最大值，当沉淀池液位低于某设定值后，永磁联轴器得到PLC输出的4mA的电流，开始脱离电机轴承，此时，浊环供水泵运转最慢，供水流量最小。在两个设定值之间为了使沉淀池液位维持在某个设定值，PLC需要控制联轴器咬合度来不断的调节以达到控制要求。
在调永磁联轴器的过程中最先采用的方案是使联轴器随着液位的变化也在不停的调节，哪怕是微小的液位变化，联轴器也在进行微小的咬合和松开的调节。在调试过程中发现两个问题，一是咬合轴承的永磁联轴器的不断变化使得电机转速也在不断的改变，对电机的损耗很大，同时，对轴承的稳定性要求也颇高。二，由于是三个浊环供水泵实行两工一备的操作方式，当两个泵同时工作时，由于机械设备等问题造成两个永磁联轴器的调节不同步，先后调节时间差距很大，影响了操作和维护人员对现场设备和工况的判断。针对现场情况分析之后，采用了对液位分档的方式对联轴器进行调节，通过对不同的液位区间的划分使永磁联轴器停在不同的位置，并且固定在所设定的位置。通过调试之后，既可以降低电机的负荷，也可以让不同泵之间的调节得到同步。同时也减少了变频控制，使系统更加节能、简单、可靠。
旋流井的提升泵的控制是采用透平泵+主泵的方式进行工作的。这是比较先进的泵从深水井抽水的策略。每个提升泵都是由两个独立的泵和其对应的出口阀组成。首先，由透平泵把管路空气排出，把水抽上来，当水达到透平泵水箱上的感应开关时，透平泵停机，同时，主泵启动，开始正常工作，把透平泵已经抽上到透平泵上的水接着抽送到沉淀池。由于透平泵抽送水到感应开关的过程比较长，需要给透平泵比较长的延迟时间，以免水没有达到感应开关而使透平泵报警以及主泵空转。
4.3监控系统设计
本系统采用的WINCC6.2实现水处理现场监控系统以及相关的报警系统。WINCC可以实现数据的采集、设备运行状态、参数调节、打印报表、趋势归档及各类信号报警等功能。整个水处理采用的“集中监视、分散控制”的经典监控系统。WINCC6.2通过工业以太网实现对现场分散数据的采集与记录。
监控界面一共由工艺画面、报警记录、趋势曲线三大部分组成。
工艺画面是按照水处理工艺的各个子系统进行编辑的，能够宏观精确的反映出整个水处理工艺的流程，使操作人员便于监控。同时，在工艺画面上也实现了对泵组和各个回流阀的起停控制，以及进行自动和手动的切换按钮。在此举浊环系统和过滤器系统工艺画面为例子。如图3为浊环系统工艺画面，如图4为过滤器系统工艺画面。
图3 浊环系统工艺监控画面
图4 过滤器系统工艺监控画面
报警记录监控对生产的安全具有重要的意义，为了便于现场人员的查错和对现场故障的及时反映，本监控系统既编辑了独立的报警记录画面，同时也将报警画面编辑在主画面中。在主画面的报警画面只能显示最近的三条报警，便于操作人员的观察，但是不具备查找报警的功能。如图5所示。
图5 主控画面中的报警记录画面
在独立的报警记录画面中，可以实现对报警的长期和短期的查找和记录，用于现场人员查找很久以前的报警情况。如图6所示。
图6 水处理系统报警记录画面
水处理的监控不仅是对各个吸水井、软水箱及排水槽的液位的监控，同时对各个供水泵管的流量、压力、温度以及水质也需要进行监控，并且要求有对其的数据归档和趋势曲线记录。为此，本系统根据现场工艺要求，编辑了各项参数的趋势归档，便于现场人员的查找以往记录。如图7所示。
图7 参数趋势曲线归档记录画面
5结束语
本水处理控制系统自动化程度高、节能、高效、稳定。同时，该水处理系统移植性很高，适合连铸及各冶金行业的供水系统的控制。实践证明了该系统稳定可靠大大方便了现场人员的操作和维护，同时，也降低了故障发生率，保证了水处理系统的正常运行，为连铸机的生产提供了稳定良好的水源条件。
作者简介
向综继（1985-）男 工程师，任职于鞍钢自动化公司炼钢事业部，研究方向为PLC和电气传动。
参考文献（略）
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