大型泵站拍門緩沖裝置控制系統設計開發

孫文博，李辛沫，陳軍，楊開好，耿愛農

（1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020；2. 廣東尚沃流體機械有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

所有泵站均需配置拍門截流閉鎖裝置，以防止機組停機時發生回水倒流導致電動機逆轉而造成損壞。顯然，在水壓和自重作用下，拍門閉合時會產生很大的撞擊力，由此極易對拍門乃至泵站設施造成破壞[1-3]。因此，布局在泵站出水端處的拍門都需配備緩沖裝置。現有的拍門緩沖技術及手段很多，對于小的泵站采用純粹的機械式緩沖即可獲得好的綜合效果，既能滿足緩解拍門撞擊需求，又能兼顧節約成本。但對于大型泵站來說，保護電動機安全和保證正常生產是第一位的，故幾乎都是采用機電液一體化聯合控制的方式來施行拍門緩沖。

本文對某承擔向香港供水任務的大型泵站的拍門截流閉鎖裝置進行設計，研發出50 kN三倍率液壓啟閉式拍門裝置及其拍門緩沖系統，采用包括主液壓油缸末端行程緩沖原理及結構、液壓集成系統各閥組邏輯節流調控策略等，有效滿足了客戶提出的分段緩沖、限時緩沖及分速緩沖的拍門緩沖要求。而且設計了基于PLC管理的電氣系統來控制上述拍門啟閉及緩沖系統，簡化了變速緩沖控制流程，借助PLC[4-5]使拍門的操控變得更加可靠，也便于今后按需變更緩沖策略，為實現人機交互及智能化管控提供了一個堅實基礎。

1 拍門啟閉及緩沖液壓系統

拍門啟閉及其緩沖裝置的液壓系統如圖1所示。電氣系統通過軟啟裝置啟動電動機4，電動機帶動油泵5，液壓油經過濾網2被泵入液壓系統，液壓系統中液壓油的壓力顯示在液壓表6中，液壓系統中液壓油1的壓力可以通過溢流閥8調整。油液的流向由液壓元件控制，而液壓元件中的換向閥和插裝閥則由PLC控制，進而可控制裝置的運行，并帶動拍門完成不同的動作。由PLC控制的液壓系統具有明顯的優越性[6-7]，既可增強液壓系統的穩定性，又可延長液壓設備的使用壽命。

圖1 拍門液壓控制回路

泵站機組運行的同時，緩沖裝置相應地做出控制拍門的開啟、關閉、保持等動作，此時對應液壓系統中液壓元件的運行狀態如表1所示。

表1 液壓元件動作表

2 PLC控制系統

2.1 PLC控制系統框圖

對PLC控制的液壓拍門緩沖裝置進行分析及模塊化后，可得到圖2所示的系統框圖。

圖2 PLC控制系統框架

2.2 輸入和輸出地址分配

通過對圖2中PLC控制系統框圖的分析可以發現，PLC控制系統的主要硬件是PLC和行程開關。根據拍門啟閉的控制要求可知，該PLC至少具備24個輸入點、9個輸出點，輸入、輸出口的具體功能分配如表2所示。

表2 拍門液壓控制系統的I/O分配

2.3 硬件接線圖

PLC選用西門子公司的S7-200SMART，其中CPU型號為SR40。根據上述目標泵站對拍門控制系統的具體控制要求、負載情況及輸入輸出分配特性，可以得到PLC外部硬件接線圖，如圖3所示。

圖3 控制系統硬件接線圖

2.4 控制流程

為了便于編寫PLC控制程序，根據拍門緩沖裝置的運行狀況，可繪制出圖4所示的控制流程圖。根據該控制流程圖，用STEP 7-MicroWIN SMART軟件編寫拍門緩沖裝置液壓控制系統的梯形圖。為了使控制程序能夠結構化，可以將拍門液壓控制系統分成多個符合工藝控制規律的子功能塊——上電自檢、現地啟停油泵、現地啟門、現地閉門、遠程聯鎖等，分別進行編寫，控制系統結構化以后，在編輯、調試、修改等方面都會變得更加方便，然后由主程序調用子程序來控制拍門緩沖裝置。

圖4 PLC控制流程圖

3 結語

本文根據某大型泵站拍門裝置對閉門緩沖控制的要求，以PLC作為控制核心器件，設計開發了一套自動控制系統，該控制系統能夠按照拍門緩沖的要求，操控拍門液壓系統做出相應的邏輯運行動作，包括手動、有線連鎖、上位機通過PLC控制等3種控制方式，對拍門的閉合能夠很好地施以預設計劃的緩沖，包括分段、分時和分速的緩沖策略。此外，所配置的觸摸屏還可以將緩沖裝置的運行可視化，并能夠方便地修改控制系統參數，以適應不同規格的拍門緩沖操控。泵站的上位機也可通過該控制系統監控緩沖裝置的運行狀態。現場實機使用表明，該拍門緩沖液壓控制系統運行穩定可靠，滿足了客戶提出的安全啟閉及分段、分時變速閉門緩沖的需求，說明該設計是成功的。