液位保护技术在电镀设施安全方面的应用

吴敏强，韩 冬，毛金黎，李海鹏

（航天精工股份有限公司，天津 300300）

0 引言

电镀工艺中电镀槽体的槽液量对产品加工工艺有直接的影响，槽液的量及浓度在使用中会减少和降低，因此需对液体进行检测，根据精度的不同可使用模拟量检测方式和开关量检测方式。电镀槽中存在实时自动添加系统功能时，需要对槽液储存量进行精确测量，需配置模拟量传感器进行检测，比如红外、超声波或浮球位置传感器；对槽液浓度要求不高时，可采用开关量检测，主要是报警提示或保护，浮球式或电极式液位开关。

1 液位计

液位保护技术是通过检测元器件对槽内液体的液面进行感知传输给控制元器件，对液面进行状态报警或控制，保证设备设施的安全使用，有工艺要求和安全要求两方面。电镀槽内使用液位保护技术，一方面防止液体过少对产品加工质量影响，一方面防止加热元器件裸露干烧而发生损坏或安全事故。液位保护元器件主要有浮球式、电极式、超声波、红外线等，材料有塑料、不锈钢、钛合金等多种，主要根据使用的工况及保护的功能不同而不同。

1.1 浮球式液位计

浮球式液位计是利用液体浮力将液位计的空心球体或比液体比重小的物体漂浮于液体表面，随着液体表面上下变动的而上下运动，再通过机械机构或电磁感应将动作信号进行获取，而后传递给控制器进行控制或报警动作。

1.2 电极式液位计

电极式液位计是利用液体导电性能测量液体液位。主要是液位计两电极芯于具有导电性能的槽液进行接触而导通和分离而断开的原理，来获取实际液体的页面高度。

1.3 红外液位计

红外式液位计是利用光线的折射及反射原理，光线在两种不同介质的分界面将产生反射或折射现象，当被测液体处于高位时，被测液面与光电开关形成一种分界面。当被测液体处于低位时，空气与光电开关形成一种分界面，这两种分界面使光电开关内部光接受晶体所接收的反射光强度不同，及对应两种不同的开关状态[1]。

1.4 超声波液位计

超声波液位计是由超声波换能器发出超声波脉冲，经液体表面反射后被超声波接受器接受，通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号，并由声波的发射和接受之间的时间差来计算传感器到被测液体表面的距离。

2 液位保护原理及应用

液位保护原理是通过液位计将液面高度的变化转变为机械动作或电气信号，再通过控制机构或控制器对预定液面最低安全液面进行对比检测，低于最低安全液面时进行报警提示并进行槽液自动添加或停止其他加工动作，保证产品质量和防止安全生产事故。目前主要采用电气控制信号，可应用于报警和动作执行双重控制，具体原理如图1所示。

图1 液位保护原理图

2.1 液位计选择及应用

液位计是整个液位保护系统中的检测元器件，液位的变化或高度数量由其首先感知，因此液位保护系统可靠运行的首要保证器件，工作原理和可靠性的选择是重中之重。根据液体的腐蚀性、导电性、污浊性等而进行选择。具有腐蚀性的液体，可采用防腐材料的液位计进行检测，比如不锈钢、钛合金、氟塑料等液位计，或者可选择非接触式液位计，外红和超声波、声叉液位计等。具有导电性的液体可选用电极式，有电阻、电容、电感等各种类型。污浊性液体或液面具有泡沫等干扰因素，就要考虑选择的方式是否适用，带杆浮球式适用于液体洁净度较好工况，却不会影响加工机械，可固定安装，无杆式浮球，对液体洁净度无要求，但其为非固定式安装，可能会和机械搅拌机构缠绕发生事故。在超声波及红外等非接触式液位计对安装及槽内加工动作影响下，在槽内尺寸不足时可选择，超声波有侧面贴片式安装。

根据不同控制功能的需要，选择的电信号也不同。只是对最低液位报警，考虑生产成本，只需选择输出开关量的液位计即可，有电极式、浮球式干簧管、红外等液位开关。如果对液体减少量进行检测并控制槽内浓度，或带有自动槽液配置系统，应选择带有变送器的液位传感器，浮球式、红外式、超声波、压力、声叉等液位计[2]。

2.2 液位保护应用

液位保护应用主要是通过检测槽内液体液面的变化，自动执行报警提示、自动添加槽液、停止搅拌、停止加热、停止过滤及产品加工等功能。由于电镀工艺是批量生产工序，且过程职业危害较重，目前多数生产设备设施为自动化生产线，要求可靠性比较高。

本文主要以安全生产方面功能做主要介绍。检测传感器选择完成后，要达到自动控制，目前多数为可编程控制器控制。开关量信号或（4～20）mV模拟量信号传递给可编程控制器，对输入信号进行比较计算，得出液位满足或不满足结论。满足结论可不输出相应动作，或对液位状态和具体高度进行显示，不满足液位要输出报警信号，并停止加工及停止加热等动作，安全生产考虑主要是停止加热，防止干烧引起火灾事故，因为目前蒸汽加热建设投资大，多数为电加热管加热方式，火灾危险性增大。

要想保证液位保护系统的可靠运行，只保证液位计的硬件可靠性是不够的，还要保证可编程控制器接收的信号的准确性、控制器的可靠性及执行元器件的安全可靠性，最终达到液位保护功能的完成。前面已对液位计进行了论述，安全生产控制主要是液位达到最低安全液位时必须准确，而如何保证信号的准确性，主要是排除干扰因素。因为加工过程中要进行搅拌或过滤等动作，液位是波浪起伏的，波动频率随搅拌频率或槽体尺寸不同而有差异，一般为（1～3）s。其他电器干扰多为毫秒级信号，持续时间很短，因此在信号处理时对其进行滤波处理，硬件滤波或软件滤波都可达到目的，一般使用可编程控制器内部时间继电器进行迟滞处理，排除干扰信号，确保信号的准确性[3]。

可编程控制器的可靠性都比较高，目前主流产品都能满足工厂工况的要求，但也有地域性差异的影响不可忽略，南方潮湿北方干燥，雨季和非雨季，电磁场干扰等，解决以上问题主要是电器柜防护或主动干燥处理，一般加强室内和电器柜通风或加干燥剂进行处理。执行元器件对于电气加热管系统主要采用固态继电器或接触器作为动作控制输出元器件，主电路带空气开关。要保证主电路的安全可靠，主要是防止漏电伤人、短路火灾事故和干烧火灾事故，前两种事故主要通过选择带漏电保护功能的漏电保护器来防止，防干烧主要是考虑控制元器件的关断能力。由于负载为电气加热管，经常会腐蚀击穿短路，造成固态继电器过流击穿失效，接触器触点过流烧蚀无法断开，执行元器件无法断开后如没有及时发现，可能造成干烧后引起火灾安全事故。为防止干烧可进行冗余设计，但是成本较高，主要设计为对执行电气元器件进行功能失效检测报警，检测固态继电器或接触器输出信号和PLC输出信号是否一致，不一致则为误动作，进行报警提示，并选择带电磁脱扣线圈的主要空气开关作为主加热电路控制器，通过报警信号将加热主电路电源切断，防止事故发生[4，5]。

3 结束语

通过分析，要想保证液位保护系统的可靠运行，需根据工艺方式、液体性能、使用环境等因素综合考核选择元器件和保护系统设计，保证其正常使用，防止安全事故发生，达到本质安全水平。

[1]AQ 5202—2008，电镀生产安全操作规程[S].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]王建华.电气工程师手册（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]童敏明，唐守锋，董海波.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2017.

[4]钮英建.电气安全工程[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[5]王洪奎.电镀企业的安全生产与事故防范[J].电镀与精饰，2010（9）：35-38.