大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統設計

王春鵬

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大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統設計

王春鵬

（廣東河海泵業機械有限公司）

針對傳統大型泵站水泵葉片角度調節的不足，提出一種大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統。首先，分析水泵葉片角度調節裝置的結構參數；然后，介紹水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統框圖，通過位移/角度監測器實現系統監測，采用PLC編寫系統控制功能模塊，實現水泵葉片軟件控制；最后，通過試運行驗證大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統可行性。運行結果表明：水泵葉片在?6o~ +6o最大調整狀態下，位移標尺指示為+30 mm，監測器位移120 mm，調整后角度顯示+6o，實際調整時間240 s，滿足監測與控制系統要求。

水泵葉片；角度調節裝置；系統監測；軟件控制

0 引言

泵站是防洪、排澇和抗旱減災的重要組成部分，因其具有投資少、成本低、工期短、見效快、對環境影響小、易于實現自動化等優勢，得到人們普遍關注和重視。水泵的工作效率與其葉片角度密切相關。在不同運行工況下，有且必有一個葉片角度，能使水泵獲得最優水能效率。因此，現有水泵尤其是大型水泵或機組，均配置了用于調節葉片角度的裝置，使水泵運行時能隨時在線調控葉片角度而獲取最優工作效率[1]。

傳統的水泵葉片角度調節裝置主要分為液壓式和機械式。液壓式調節裝置調節力大，但存在內泄漏可能導致保壓失效，致使調節穩定性較差；機械式調節裝置鎖機性能好，但其推力軸承長期帶載運轉，壽命較短，且易產生抬軸狀況，可能出現調節事故[2-3]。為此，很多專家學者開展了相關研究，并取得一定成果[3-5]。針對目前泵站大型水泵葉片，特別是機械式調節易抬軸現狀，本文采用齒差驅動的機械式控制方式，設計一種水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統，并在佛山某泵站應用，取得較好的角度調節效果。

1　水泵葉片角度調節裝置結構

水泵葉片角度調節裝置主要參數：總體尺寸（）850 mm×1150 mm；極限行程（max）120 mm；工作行程（）40 mm～80 mm；泵機轉速（）150 r/min；最大調節力（）40 T；調節速度（）12 mm/min～ 20 mm/min；調節角度范圍為?6°～+6°。

大型水泵葉片角度調節裝置結構圖如圖1所示，包括調節控制模塊和監測功能模塊。

1?驅動連接機構　2?調節螺旋組合件　3?傳動齒輪副 4?電磁離合器A/B　5?鎖位電磁閥C　6?上/下行程開關 7?指示標尺　8?角度/位移監測器　9?作動桿

調節控制模塊包括驅動連接機構、調節螺旋組合件、傳動齒輪副、電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C。大型水泵葉片角度調節裝置通過電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C配合，實現水泵葉片角度控制；通過角度/位移監測器實現水泵葉片的角度監測和控制；利用上/下行程開關實現限位保護，確保裝置在安全范圍內運行。

監測功能模塊包括上行程開關、下行程開關、指示標尺、角度/位移監測器以及作動桿。大型水泵葉片角度調節裝置通過作動桿連接調節螺旋組合件和監測部分，作動桿和調節螺旋組合件聯動同步，并將組合件的位移轉換成角度/位移測量所需的位移參數，同時帶動指針移動指示位移。監測功能模塊通過角度/位移監測器進行位移測量，并將信號反饋到控制系統，實現監測功能。

2　監測與控制系統實現

2.1 　硬件設計

大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統框圖如圖2所示。監測模塊主要監測泵站狀態、限位保護、系統狀態和角度/位移，并將采集數據輸入PLC進行處理；控制模塊包括電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C，PLC通過I/O端口分別控制葉片角度增大/減少和鎖位功能，通過人機交互設備進行參數設置與顯示，經RS485接口把數據傳送中控室進行控制指令操作。

圖2　 大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統框圖

其中，電磁離合器A和電磁離合器B具有互鎖功能，不能同時動作，否則會損壞裝置。鎖位電磁閥C實現鎖位功能（螺旋組合件鎖位），鎖位控制和電磁離合器控制一致，只有在脫鎖狀態下，電磁離合器A、電磁離合器B才可進行操作，調整完成后鎖位。上/下行程開關負責上/下限位保護。角度/位移監測器負責角度/位移的監測與顯示。大型水泵葉片角度調節裝置的動作功能表如表1所示。

表1 　動作功能表

注：“+”表示接通，“-”表示斷開

為準確監測數據，采用電子尺KTC-120mm-A1-C-D1-Z-LZ為位移傳感器，將位移轉換成角度顯示。該電子尺線性誤差精度高于±0.04% FS，分辨率低于0.01 mm，最大運行速度可達10 m/s，最大運行加速度為10 m/s，重復精度小于0.01 mm，滿足監測要求。

為更加準確計量，監測與控制系統設計校正功能。通過采集?6°和+6°位置對應的電子尺數值，確定監測位移和監測器輸出模擬量之間的對應關系，實現對水泵葉片位移的監測，從而達到系統基準校正的目的。

2.2　軟件設計

系統軟件采用西門子PLC梯形圖進行編程，大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統主控流程圖如圖3所示。主控流程包括開機自檢和停機復位功能、限位安全保護功能及角度監測功能。

水泵葉片角度調節通過葉片角度減小/增大調節子程序完成。當水泵葉片角度需要調節時，系統根據輸入的調節角度進行判斷。若增大角度，則調用增大角度子程序，否則調用減小角度子程序，直到角度調節合適為止。調節過程如觸及上、下行程開關，則中斷調節，停機檢查。

當水泵葉片角度合適時，電磁離合器A和電磁離合器B斷開，鎖位電磁閥C吸合，并根據監測與控制要求，判斷系統是否停機。

圖3　 監測與控制系統主控流程圖

減小葉片角度子流程圖如圖4所示。減小葉片角度，需電磁離合器A斷開、電磁離合器B吸合、鎖位電磁閥C斷開，直到角度調節到位時，電磁離合器A和電磁離合器B斷開，鎖位電磁閥C吸合。

圖4 　減小葉片角度子流程圖

2.3 　監控系統實現

大型水泵葉片角度調節裝置控制與監測系統主界面如圖5所示，主要包括監測模塊和控制模塊。

圖5 　大型水泵葉片角度調節裝置控制與監測系統主界面

監測模塊包括系統狀態和水泵葉片角度調節監控2部分。系統狀態監控包括水泵電機運行狀態和故障、解鎖動作、上調動作、下調動作以及遠程控制監控。水泵葉片角度調節監控可實時顯示水泵葉片角度；同時通過以太網卡和RS-485接口實時將調節情況及運行狀態傳至中控室監控系統，實時反映裝置調整角度狀況，并接受中控室監控系統的遠程控制。

控制模塊包括手動控制和自動控制。手動控制模塊可通過設置參數進行初始參數設定，包括上限參數、下限參數和調角時間。自動控制通過自動調節按鈕，自動調節葉片角度。自動調整過程中，如果出現調整時間超過設置時間，系統停止運行并報警，要求檢查，以確保水泵裝置運行正常。系統運行參數設置界面如圖6所示。

3　系統運行與數據分析

為驗證大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統的可行性，在佛山某泵站試運行。水泵型號為2900ZLQ32-5，泵電機型號為TL2600-40/3250(TH)，轉速150 r/min。設置不同初始條件，觀察水泵葉片角度調整監測與控制過程，得到的數據如表2所示。

圖6　系統運行參數設置界面

由表2可以看出：水泵葉片在?6°~ +6°（最大調節范圍內）狀態下，位移標尺指示為+30 mm，監測器位移為60 mm。角度調整后為+6o，實際調整時間為240 s。在240 s監控內結果顯示正常，滿足系統監測與控制要求。

表2 　水泵葉片角度監測與控制數據表

4　結語

本文設計大型水泵葉片角度調節裝置監測與控制系統，主要內容包括：

1）通過角度/位移傳感器，采集監測數據，通過電磁離合器和鎖位電磁閥配合，實現系統精確控制；

2）設計一種水泵葉片角度調節控制與監測系統，實時監測和控制系統運行情況。結果表明：監測效果性能好，可滿足客戶監測與控制要求。

[1] 葉淵杰,陳堅,徐艷茹.我國大泵葉片調節機構應用與研究綜述[J].中國農村水利水電,2009,9(8):153-156.

[2] 仇寶云,劉超.泵站水泵葉片調節方式概論[J].水泵技術, 1997(4):29-33.

[3] 陳堅,徐艷茹,黃金明.機械式全調節水泵抬機及其原因分析[J].武漢大學學報(工學版),2010,43(3):310-314

[4] Kusayama Yoshio, Furukawa Kazu. Blade Opening Angle Controlling Apparatus for Movable Blade Type Circulating Water Pump: JP57033935[P].1983-9-9.

[5] 楊開好,耿愛農,李辛沫,等.基于齒差驅動的水泵葉片角度在役調節裝置:CN201710467629[P]. 2017-11-10.

Design of Monitoring and Control System of Angle Adjustable Device for Large Water Pump Blade

Wang Chunpeng

(Guangdong Hehai Pumping Machinery Co., Ltd.)

A monitoring and control system for the angle adjustment of large pump blades in traditional pumping stations is proposed. Firstly, the structural parameters of the pump blade regulator are analyzed. Then, it introduces the frame diagram of the monitoring and control system of the angle adjustment device for pump blades, realizes the system monitoring by the displacement/angle monitor, and uses PLC to write the system control function module to achieve the software control of pump blades. Finally, it verifies the operation of the large pump blade angle regulating system. The operating results showed that the pump blades were satisfied with monitoring and control requirements at the maximum adjustment state of ?6°~ +6°, which the displacement ruler indicates that the detector displacement is +30 mm, the angle of adjustment is +6o, and the actual adjustment time is 240 s.

Pump Blades; Angle Regulatory Devices; Systematic Monitoring; Software Control

王春鵬，男，1974年生，本科，工程師，主要研究方向：機電工程技術、測控技術。E-mail: 610318861@qq.com