一種基于PLC控制的離心泵裝置設計

張苗，顧世明，何玲，朱發(fā)新，董良雄，周帥

（1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022；2.浙江農(nóng)林大學文法學院，浙江臨安 311300）

0 引言

離心泵主要應用于船舶消防、壓載、疏水、排水和衛(wèi)生等各種系統(tǒng)，也廣泛應用于石油、化工、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、電力等領域[1]。

在化工和石油的生產(chǎn)過程中，化工離心泵主要用于給介質(zhì)提供傳輸能量；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位更是毋庸置疑，是應用十分廣泛的流體輸送設備, 被廣泛用于農(nóng)業(yè)中的輸送水及灌溉之中；在冶金生產(chǎn)領域離心泵被用于輸送各種冶煉爐液體；在電力生產(chǎn)領域離心泵被用于輸送冷凝水、鍋爐水、循環(huán)水；在市政污水處理領域,可以輸送含有大顆粒物質(zhì)的液體,保證無堵塞輸送、柔性輸送和高黏度液體的輸送。在國防建設中，航空燃油泵是現(xiàn)代飛機發(fā)動機的重要部件，主要作用是輸送燃油或進行增壓。飛機襟翼、尾舵和起落架的調(diào)節(jié)、軍艦和坦克炮塔的轉動、潛艇的沉浮等都需要用到離心泵[2-7]。在船舶制造工業(yè)中，船用離心泵在船舶中應用較為廣泛, 在船舶機艙里有著相當數(shù)量的離心泵。船用離心泵作為船舶主要輔機設備。每艘遠洋輪上所用的泵通常在百臺以上，其類型也是多種多樣的。船舶機艙里使用離心泵的場合有壓載泵、艙底水泵、日用淡水泵、日用飲水泵、熱水循環(huán)泵、高溫淡水泵、低溫淡水泵、海水泵、消防泵、鍋爐給水泵、鍋爐循環(huán)水泵等[8-9]。

雖然離心泵應用很廣泛，但存在著啟動不能抽氣引水的問題，針對這一問題，常用的解決方法有兩種：一種是改變其結構，使離心泵在排出端具有氣水分離作用，以便在啟動時，能利用預先存留在泵內(nèi)的液體多次進出葉輪，將泵和吸入管內(nèi)的氣體擠壓出去；另一種方法是在離心泵上裝設噴射泵、旋流泵、水環(huán)泵等真空泵，在啟動時，直接利用真空泵將泵和吸入管內(nèi)的空氣抽走，形成局部真空，達到引水的目的。這些方法雖然解決了不能抽氣引水的問題，但是也存在著結構復雜、體積較大、效率較低等問題。

PLC是一種可編輯程序的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)可有效提升離心泵電力排灌站自動控制的有效性，因此將采用此技術對原有控制系統(tǒng)的不足加以改進[10]。

1 離心泵裝置設計要求分析

針對傳統(tǒng)離心泵裝置非全自動化，容易產(chǎn)生安全隱患，參考現(xiàn)有的PLC檢測控制系統(tǒng)進行設計要求分析。設計要求如下：

1）在技術方面。要求離心泵裝置抽氣引水技術先進或實用性強，運行穩(wěn)定性好，自動化程度較高。

2）在操作方面。要求離心泵裝置操作步驟少、簡單及安全，不需要經(jīng)過特殊培訓，就可進行操作。

3）在結構方面。要求離心泵裝置組成零部件少、結構簡單、互換性好，盡量選用通用部件，少用專用部件。

4）在經(jīng)濟成本方面。要求離心泵裝置初期建設成本或改造成本較低，易于維護。

2 離心泵裝置的設計

2.1 系統(tǒng)的工作原理

以離心泵裝置的設計要求為基礎，利用AutoCAD設計平臺設計出一種基于PLC控制的離心泵裝置。該裝置主要由離心泵、PLC 檢測控制系統(tǒng)、電動機、高位水箱等構成，其工作原理如圖1所示。

圖1 一種基于PLC控制的離心泵裝置工作原理圖

一種基于PLC控制的離心泵裝置工作原理如下：

1）啟動前準備。用手轉動離心泵的泵軸9，檢查轉動是否靈活，有無卡阻。檢查離心泵裝置與基體的連接是否緊固，有無松動。檢查離心泵裝置的潤滑裝置是否良好，保證潤滑液液位在適當位置。檢查電動機供電情況是否正常。檢查離心泵軸封11泄漏情況，泄漏量是否符合要求；檢查高位水箱4中的水位，補水或放水確保水位在適當液位。檢查PLC檢測控制系統(tǒng)2是否能正常運行。打開排水調(diào)節(jié)閥14，確保排出管能正常排水。瞬間合上電動機1的電源，檢查離心泵的轉向是否正確。

2）排氣引水。啟動PLC檢測控制系統(tǒng)2，打開高位水箱4的第一電動閥3，形成自上而下的向離心泵注水的水流，直至水流充滿整個泵腔內(nèi)和吸入管，泵當中的空氣被水壓縮從排水管16中排出。當PLC檢測控制系統(tǒng)2的水位傳感器13檢測到排水管16有水排出時，輸出控制信號，關閉第一電動閥3，打開第二電動閥15，完成離心泵裝置的抽氣引水。

3）正常工作。合上電動機1的電源，離心泵通過滾動軸承10帶動葉輪12轉動開始工作，經(jīng)過過濾網(wǎng)7將水吸上來，并通過排出管16將水排向所需要的地方。

在離心泵裝置工作期間，密切關注離心泵裝置的吸排壓力和流量、軸封11的泄漏是否正常，密切關注滾動軸承10的溫度，避免其溫度過高，造成軸承卡阻引起離心泵裝置故障。

4）離心泵停車。當輸送水工作完成后，關閉PLC檢測控制系統(tǒng)2，電動機1也隨之關閉，待離心泵停止運轉后，關閉排水調(diào)節(jié)閥14。如停車時間過久，可以考慮放盡高位水箱4及各管路中的水，避免腐蝕或結冰膨脹等問題。

5）高位水箱補水。離心泵裝置正常工作中，因第二電動閥15未關閉，離心泵所排出的水會有一部分進入高位水箱4，當高位水箱4內(nèi)的水位限位器5檢測到水位達到一定位量，PLC檢測控制系統(tǒng)2關閉第二電動閥15，高位水箱4補水完成。

2.2 系統(tǒng)的主要組成零部件

1）高位水箱。高位水箱包括貯水池、透氣管、水位限位器、配水管網(wǎng)。高位水箱結構如圖2所示。

圖2 高位水箱結構示意圖

貯水池17主要用于貯水（油）。進水管18用于輸送水箱當中的水。透氣管6用于將水箱內(nèi)的水蒸氣及有害氣體排出，補充新鮮空氣，以減輕金屬的腐蝕，延長使用壽命。水位限位器5用于檢測水位限定的高度，同時輸入信號到PLC檢測控制系統(tǒng)，輸出信號控制閥門關閉，通過排水管16將水輸送到貯水池17，從而滿足水箱當中的水循環(huán)持續(xù)。

設計該裝置的主要目的是針對離心泵的排氣充水，達到解決無自吸能力的問題。

2）PLC檢測控制系統(tǒng)。PLC檢測控制系統(tǒng)結構原理如圖3所示。

圖3 PLC檢測控制系統(tǒng)結構原理圖

該PLC檢測控制系統(tǒng)通過可編程控制器實現(xiàn)，對應輸入模塊包括按鈕SB、水位限位器SQ5、水位傳感器KM13，而對應的輸出模塊則包括第一電動閥KM1、第二電動閥KM2及電動機M的開關狀態(tài)。通過水位限位器SQ5和水位傳感器KM13檢測到的數(shù)據(jù)轉換為相關數(shù)字輸入信號到PLC系統(tǒng)的中央處理單元（CPU），CPU根據(jù)編好的程序，將相關的數(shù)字信號傳輸?shù)礁鱾€電動閥控制其狀態(tài)。

該裝置的關鍵技術在于實現(xiàn)全自動化操作，一體化控制。

3）水位傳感器。水位傳感器包括浮球、磁簧開關、環(huán)形磁鐵。水位傳感器結構如圖4所示。

圖4 水位傳感器結構示意圖

水位傳感器是指能將被測點水位參量實時地轉變?yōu)橄鄳娏啃盘柕膬x器。裝置初始狀態(tài)處于常開，當液位上升時，環(huán)形磁鐵20向上移動，磁簧開關21受到磁場作用，開關處于接通狀態(tài)，然后將感受到的水位信號傳送到控制器，當PLC檢測控制系統(tǒng)接收到電信號，將會給電動閥發(fā)出“開”和“關”的指令。同時，該裝置的工作前提是泵殼內(nèi)必須充滿水，達到離心泵正常工作的目的。

3 離心泵裝置的可行性分析

3.1 技術可行性分析

該裝置是通過高位水箱產(chǎn)生的較高壓力達到排氣引水的目的，同時利用PLC檢測控制系統(tǒng)實現(xiàn)抽氣引水自動控制。PLC檢測控制系統(tǒng)作為中央處理系統(tǒng)，通過液體檢測裝置將信號輸入到PLC系統(tǒng)當中，因PLC檢測控制系統(tǒng)與閥門相結合，再由PLC輸出信號控制各個閥門的啟閉，既能解決沒有自吸能力的問題，又能滿足高位水箱的水循環(huán)。

該裝置的抽氣引水技術實用性強，運行穩(wěn)定性好，自動化程度較高，因此該裝置的技術是可行的。

3.2 結構可行性分析

該裝置以離心泵為基礎，在此基礎上增加高位水箱、PLC檢測控制系統(tǒng)等零部件，組成零部件較少。其他零部件均為通用件，可在市場上直接選用。該設備或部件的強度、剛度等參數(shù)也都符合要求。檢測液體的零部件選型可根據(jù)液體性質(zhì)來決定。

該裝置結構簡單、互換性好，因此該裝置的結構具有可行性。

3.3 操作可行性性分析

該裝置的工作步驟：1）啟動前準備，檢查各個零部件是否處于正常情況。2）排氣引水，啟動PLC檢測控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)中的中央處理單元接收到輸入模塊的數(shù)字信號，處理后將相應的數(shù)字信號輸送到輸出模塊，完成離心泵裝置的抽氣引水。3）正常工作，合上電動機電源，離心泵利用葉輪旋轉使水產(chǎn)生離心力從而開始抽水工作。4）離心泵停車，關閉PLC檢測控制系統(tǒng)，電動機停止工作。5）高位水箱補水，PLC檢測控制系統(tǒng)通過液位情況控制第二電動閥的啟閉狀態(tài)，自動補充高位水箱的水位。

從裝置的工作過程分析，該裝置具有操作步驟少、簡單安全、易于操作的優(yōu)點。因此該裝置具備操作可行性。

3.4 經(jīng)濟可行性分析

該裝置初期建設成本和改造成本較低，使用壽命長，日常使用和維護保養(yǎng)成本低。因此該裝置具備經(jīng)濟可行性。

4 結論

1）本文主要針對現(xiàn)有離心泵裝置的問題和不足，查閱了相關規(guī)范文件和文獻，從技術、結構、操作及經(jīng)濟成本方面總結出一種新型離心泵裝置的設計要求。

2）利用AutoCAD 設計平臺設計出一種基于PLC控制的離心泵裝置。該裝置主要由離心泵、PLC檢測控制系統(tǒng)、電動機、高位水箱等構成，并介紹了其工作原理和主要組成零部件。

3）從技術、結構、操作、經(jīng)濟等方面論述了該裝置的可行性。該裝置技術實用性好、結構簡單、操作方便，初期建造或改造和維護保養(yǎng)成本較低，結果表明該裝置可行性好。

4）本文的研究屬于前期的理論研究，能否運用到現(xiàn)實生產(chǎn)當中，還有待進一步深入探索。 對于后期的研究，可以從三維實體建模及有限元分析、臺架試驗、實船運用等方面進一步研究。