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摘要：介绍了基于PLC控制的变频恒压供水自平衡系统在竖井铸造中的应用，阐述了系统调试生产中遇到的一些问题和改进方法，可供同类设备调试时借鉴。该控制系统紧密结合生产工艺，保证了控制精度和运行可靠性。
关键词：恒压供水;水锤现象;两泵抢水;气阻现象
0 引言
竖井铸造设备在熔铸铝行业的关键设备、铸造系统的好坏对铸棒品质起着决定性的作用。铸造冷却水系统如果波动不稳，将会影响铸棒的冷却效果，轻则在铸棒表面产生氢氧化铝[Al（OH）3]和三氧化二铝（Al2O3）氧化层，重则造成铸棒的粗晶和偏析层增大，从而导致铸造失败，所以保证冷却水流量的稳定性显得尤其重要。笔者就在铸造调试生产中遇到的恒压供水系统问题及其改进措施加以分析总结，以便对设备进行优化应用。
1 恒压供水系统硬件设计
（1）我公司使用的铸井冷却水系统选用2台450 m3/h，扬程30 m，最高供水压力0.4 MPa，卧式直连离心水泵并联组合，通过架空明装管道保证冷却水供应，泵房距铸造井管路距离约90 m，管装高度9 m。其控制系统选用的是西门子品牌S7-200 PLC控制的ABB510系列变频器与压力变送器共同构成的PID恒压控制自平衡系统，如图1所示。
（2）其工作原理是在铸造生产中，根据生产的模盘号和牌号不同，选用不同的工艺配方，对应不同的水流量。
1）在铸造小截面棒料时，仅开一台泵就能满足生产工艺对冷却水的要求，程序自动由变频器控制1#水泵进行恒压供水，系统根据设置的管道运行压力，经PID运算由PLC输出4～20 mA信号自动调节变频器输出频率。
2）当铸造大截面棒料用水量增加时，1#泵变频器会自动增大输出频率，若频率在0～50 Hz变化就能满足生产需求，则使用1#泵进行恒压供水。若1#泵频率已达50 Hz，但是仍不能满足使用需求，则将1#泵自动切换到工频运行，同时将变频器自动切换到2#泵，由2#泵补充进行恒压供水。
3）当需求流量降低时，由PLC进行PID运算输出4～20 mA信号来调节降低变频器运行频率，当变频器运行频率降低至切换值时，供水压力仍大于设定值，则PLC自动给1#泵停止发送信号，同时迅速提高2#泵运转频率，并进行恒压供水控制。
2 调试生产中遇到的问题
本工程设计中，从设计思想和目标上分析，恒压供水理论无论是在工艺需求，还是在节能环保方面都适合当下竖井铸造生产工艺，但随着恒压供水系统安装调试的深入，一系列的调试问题显现了出来，具体分析如下：
2.1 水泵出水流量较额定流量不足
当铸造系统设置流量330 m3/h（合5 500 L/min）时，单台泵出水流量只有250 m3/h，未达到单台泵设计要求，与设计流量450 m3/h相差较大，需启动2#泵同时供水方可满足工艺需求，造成较大的能耗浪费。如图2所示，阀门、过滤器造成漏气和水阻。
2.2 两泵抢水
当两台泵一台工频一台变频同时运行时，因两台泵出口设置单向阀，其开启动作受前后压差影响，工频泵上压快于变频泵，且转速高于变频泵，导致变频泵单向阀无法打开，进而造成水泵憋压，产生过热及气蚀问题。如图3所示，两泵出口单向阀相同，但两泵出水压力不同，造成抢水现象。
2.3 水锤现象
（1）当铸造进入预检查期，远程信号会启动水泵，但此时铸造系统进水阀并未打开，管道中已形成空气压力，水的急剧流动，冲击铸造系统管路和阀门，形成水锤和气锤现象，导致管路漏水。
（2）当系统停泵时，铸造冷却水进口阀门又未及时关闭，停泵集聚断流造成在泵出口单向阀附近形成水锤现象。经测量瞬时压力达到0.8 MPa，造成管路阀门、法兰间橡胶垫片爆出漏水。
2.4 气阻现象
我公司铸造冷却水管路为架空安装，架空高度9 m，管线长度约90 m，当冷却泵加压时，由于空气的密度比水小，空气集聚在管道中高点无法排出形成气阻，从而降低管道水流截面，导致铸造水流量不足和波动异常。
3 改进方案
3.1 水泵出水不足的处理方法
笔者调查了冷却水系统的配型和管路走向等因素，发现水泵进水端连接点较多，管道过滤器目数较细是造成水泵出水不足的主要原因。经团队研究，得出如下改进方案：
（1）取消进水端管道过滤器：
1）本身水池上塔循环系统已含过滤器，可有效阻止大颗粒杂质;
2）我公司冷却水池为全密封玻砖贴面水池，并定期清理;
3）铸造系统本身自带自洁式反冲洗过滤器，可有效阻止泥沙和悬浮物。
（2）取消引水罐进水阀门，以排除漏气和阀阻。
改进后如图4所示。
以上改进完成后，单泵出水流量可达420 m3/h（合7 000 L/min），满足铸造工艺用水要求，避免能源浪费。
3.2 两泵抢水的处理方法
两泵抢水问题发生后，笔者通过现场调查，查阅文献资料发现，解决母管供水系统中两泵抢水问题也是困扰工程设备人员的一大难题，其解决方法是选用凝泵、给泵、凝补泵、定冷泵等调节方式。但笔者认为，对于特定的单一供水系统，降低变频泵单向阀的开启压力，即增加弹簧的舒张力可避免两泵抢水现象，并验证实施。
3.3 水锤的处理方法
笔者通过查阅资料，总结分析管路结构得出，我公司铸造水系统水锤现象是启泵和停泵瞬间水流的急剧流动造成的。其解决方法如下：
（1）当铸造结束停泵时，自动控制方面先关闭铸造冷却水阀再停泵，避免因水断流管道进气造成的反向水锤;
（2）当铸造开始启泵时，先微开铸造水阀门，使得管道中气体得以排空，避免水流急剧变化惯性推动造成的水锤;
（3）延长变频器的加速和减速时间，避免铸造初期和结束期水流的急剧变化。
3.4 气阻的处理方法
形成气阻的原因是空气在管路最高点形成集聚且无法排出，处理方法是在最高点设置排气孔，当水泵开启时自动打开排气孔排气。如图5所示，在管道最高點拐角处设置排气孔。
4 结语
机电安装调试是发现问题并解决问题的过程，完美的设计方案也可能因为安装、控制的不同，造成不同的结果。本次调试平衡解决了恒压供水和恒流量问题，解决了水锤、气阻、两泵抢水等未曾预见的问题，同时提高了水泵的工作效率，节约了能源。
[参考文献]
[1] 李吉文.竖井铸造机恒压供水控制系统改造[J].有色冶金节能，2003，20（2）：35-37.
[2] 王轶华.浅谈PLC控制的变频器在铝合金竖井铸造生产恒压供水系统的应用[J].企业技术开发，2014，33（27）：45-46.
[3] 周小红.水锤现象及防护措施[J].冶金动力，2016（7）：46-48.
[4] 徐永霞.长输管道扫水过程中气阻现象的的解决方法探讨[J].科教导刊（电子版），2014（4）：134.
收稿日期：2020-12-25
作者简介：王飞（1985—），男，江苏沭阳人，机械工程师，研究方向：机电维修与项目管理。
关键词：恒压供水;水锤现象;两泵抢水;气阻现象
0 引言
竖井铸造设备在熔铸铝行业的关键设备、铸造系统的好坏对铸棒品质起着决定性的作用。铸造冷却水系统如果波动不稳，将会影响铸棒的冷却效果，轻则在铸棒表面产生氢氧化铝[Al（OH）3]和三氧化二铝（Al2O3）氧化层，重则造成铸棒的粗晶和偏析层增大，从而导致铸造失败，所以保证冷却水流量的稳定性显得尤其重要。笔者就在铸造调试生产中遇到的恒压供水系统问题及其改进措施加以分析总结，以便对设备进行优化应用。
1 恒压供水系统硬件设计
（1）我公司使用的铸井冷却水系统选用2台450 m3/h，扬程30 m，最高供水压力0.4 MPa，卧式直连离心水泵并联组合，通过架空明装管道保证冷却水供应，泵房距铸造井管路距离约90 m，管装高度9 m。其控制系统选用的是西门子品牌S7-200 PLC控制的ABB510系列变频器与压力变送器共同构成的PID恒压控制自平衡系统，如图1所示。
（2）其工作原理是在铸造生产中，根据生产的模盘号和牌号不同，选用不同的工艺配方，对应不同的水流量。
1）在铸造小截面棒料时，仅开一台泵就能满足生产工艺对冷却水的要求，程序自动由变频器控制1#水泵进行恒压供水，系统根据设置的管道运行压力，经PID运算由PLC输出4～20 mA信号自动调节变频器输出频率。
2）当铸造大截面棒料用水量增加时，1#泵变频器会自动增大输出频率，若频率在0～50 Hz变化就能满足生产需求，则使用1#泵进行恒压供水。若1#泵频率已达50 Hz，但是仍不能满足使用需求，则将1#泵自动切换到工频运行，同时将变频器自动切换到2#泵，由2#泵补充进行恒压供水。
3）当需求流量降低时，由PLC进行PID运算输出4～20 mA信号来调节降低变频器运行频率，当变频器运行频率降低至切换值时，供水压力仍大于设定值，则PLC自动给1#泵停止发送信号，同时迅速提高2#泵运转频率，并进行恒压供水控制。
2 调试生产中遇到的问题
本工程设计中，从设计思想和目标上分析，恒压供水理论无论是在工艺需求，还是在节能环保方面都适合当下竖井铸造生产工艺，但随着恒压供水系统安装调试的深入，一系列的调试问题显现了出来，具体分析如下：
2.1 水泵出水流量较额定流量不足
当铸造系统设置流量330 m3/h（合5 500 L/min）时，单台泵出水流量只有250 m3/h，未达到单台泵设计要求，与设计流量450 m3/h相差较大，需启动2#泵同时供水方可满足工艺需求，造成较大的能耗浪费。如图2所示，阀门、过滤器造成漏气和水阻。
2.2 两泵抢水
当两台泵一台工频一台变频同时运行时，因两台泵出口设置单向阀，其开启动作受前后压差影响，工频泵上压快于变频泵，且转速高于变频泵，导致变频泵单向阀无法打开，进而造成水泵憋压，产生过热及气蚀问题。如图3所示，两泵出口单向阀相同，但两泵出水压力不同，造成抢水现象。
2.3 水锤现象
（1）当铸造进入预检查期，远程信号会启动水泵，但此时铸造系统进水阀并未打开，管道中已形成空气压力，水的急剧流动，冲击铸造系统管路和阀门，形成水锤和气锤现象，导致管路漏水。
（2）当系统停泵时，铸造冷却水进口阀门又未及时关闭，停泵集聚断流造成在泵出口单向阀附近形成水锤现象。经测量瞬时压力达到0.8 MPa，造成管路阀门、法兰间橡胶垫片爆出漏水。
2.4 气阻现象
我公司铸造冷却水管路为架空安装，架空高度9 m，管线长度约90 m，当冷却泵加压时，由于空气的密度比水小，空气集聚在管道中高点无法排出形成气阻，从而降低管道水流截面，导致铸造水流量不足和波动异常。
3 改进方案
3.1 水泵出水不足的处理方法
笔者调查了冷却水系统的配型和管路走向等因素，发现水泵进水端连接点较多，管道过滤器目数较细是造成水泵出水不足的主要原因。经团队研究，得出如下改进方案：
（1）取消进水端管道过滤器：
1）本身水池上塔循环系统已含过滤器，可有效阻止大颗粒杂质;
2）我公司冷却水池为全密封玻砖贴面水池，并定期清理;
3）铸造系统本身自带自洁式反冲洗过滤器，可有效阻止泥沙和悬浮物。
（2）取消引水罐进水阀门，以排除漏气和阀阻。
改进后如图4所示。
以上改进完成后，单泵出水流量可达420 m3/h（合7 000 L/min），满足铸造工艺用水要求，避免能源浪费。
3.2 两泵抢水的处理方法
两泵抢水问题发生后，笔者通过现场调查，查阅文献资料发现，解决母管供水系统中两泵抢水问题也是困扰工程设备人员的一大难题，其解决方法是选用凝泵、给泵、凝补泵、定冷泵等调节方式。但笔者认为，对于特定的单一供水系统，降低变频泵单向阀的开启压力，即增加弹簧的舒张力可避免两泵抢水现象，并验证实施。
3.3 水锤的处理方法
笔者通过查阅资料，总结分析管路结构得出，我公司铸造水系统水锤现象是启泵和停泵瞬间水流的急剧流动造成的。其解决方法如下：
（1）当铸造结束停泵时，自动控制方面先关闭铸造冷却水阀再停泵，避免因水断流管道进气造成的反向水锤;
（2）当铸造开始启泵时，先微开铸造水阀门，使得管道中气体得以排空，避免水流急剧变化惯性推动造成的水锤;
（3）延长变频器的加速和减速时间，避免铸造初期和结束期水流的急剧变化。
3.4 气阻的处理方法
形成气阻的原因是空气在管路最高点形成集聚且无法排出，处理方法是在最高点设置排气孔，当水泵开启时自动打开排气孔排气。如图5所示，在管道最高點拐角处设置排气孔。
4 结语
机电安装调试是发现问题并解决问题的过程，完美的设计方案也可能因为安装、控制的不同，造成不同的结果。本次调试平衡解决了恒压供水和恒流量问题，解决了水锤、气阻、两泵抢水等未曾预见的问题，同时提高了水泵的工作效率，节约了能源。
[参考文献]
[1] 李吉文.竖井铸造机恒压供水控制系统改造[J].有色冶金节能，2003，20（2）：35-37.
[2] 王轶华.浅谈PLC控制的变频器在铝合金竖井铸造生产恒压供水系统的应用[J].企业技术开发，2014，33（27）：45-46.
[3] 周小红.水锤现象及防护措施[J].冶金动力，2016（7）：46-48.
[4] 徐永霞.长输管道扫水过程中气阻现象的的解决方法探讨[J].科教导刊（电子版），2014（4）：134.
收稿日期：2020-12-25
作者简介：王飞（1985—），男，江苏沭阳人，机械工程师，研究方向：机电维修与项目管理。