農村大型離心泵站自動控制系統設計

申 運

（湖南瀟湘技師學院 湖南九嶷職業技術學院，湖南 永州 425000）

0 引言

農村泵站是保障農業生產的重要設施，其工作穩定性直接影響農業的產量。國內的農村泵站一般建設于80 年代，大部分都以手動控制的方式運行，部分泵站仍采用自耦降壓啟動柜來啟動離心泵[1]。相關閥門也僅支持手動操作，對操作人員要求較高且操作過程較為消耗體力。農村灌溉用泵站整體自動化程度不高，更有一些泵站處于年久失修的狀態并沒有發揮泵站在農村灌溉抗旱方面的作用。由于泵站的操作人員多為當地的村民，對機械設備的操作流程不熟練、安全意識不足。操作不規范，容易造成設備損壞及引發事故。因此永州市水利局對轄區內的農村大型泵站進行了改造，從適應農村技術員操作角度搭建了自動控制系統對泵站內設備進行“一鍵啟停”控制，實現泵站內設備標準化操作。從實現泵站設備遠程控制與遠程故障診斷的角度對泵站進行建設，以降低泵站管理難度，提升設備運行的穩定性與安全性。

1 國內外農村泵站控制研究現狀

國內的農村泵站控制系統的運行現狀一直處在較低的水平，普遍缺少自動化監控設施和基本的數字化、信息化手段，沒有從簡化操作、農業大數據互聯、故障遠程自診斷等方面開展研究。大部分泵站沒有采取任何通信方式，也不具備遠程控制的條件；有些泵站采用光纖專線的方式進行通信，通信穩定性、安全性可保障但建設成本高；還有少數泵站采用GPRS 數據通信方式，數據吞吐量有限，可靠性差，遠程監控狀態不穩定，通信延遲大，通信設備與通信模式均有待更新。

國外的泵站在運行、管理方面自動化程度較高的有美國、日本、荷蘭等國[2]。就農村灌溉的泵站而言早已實現了自動化，一度朝智能化、無人值守化發展。在科學管水、科學節水方面早有相關的經驗數據。但是國外泵站的自動化程度高，建造成本極高，適用于大型的水利工程項目，不適用于國內分散的農村泵站建設。

本研究主要從適應國內泵站控制與操作需求出發，進行泵站“一鍵式啟動”控制方案的研究與實踐，設計適合于農村人群操作的泵站控制系統，應用PLC技術對泵站設備進行自動控制，確立離心泵站自動控制流程。在引入主流的軟啟動控制技術在離心泵站中進行實踐應用的同時，對農村離心泵站“灌引水”的方式進行測試，以獲得離心泵站成功抽水的關鍵數據。

2 泵站控制系統的組成

按照水泵的類型分類泵站可以分為軸流泵站、離心泵站、潛水泵站[3]。如圖1 所示離心泵站由離心泵、電動蝶閥、水環真空泵組成。離心泵負責將河道內的水輸送至高處的灌渠對農作物進行灌溉。由電動蝶閥創造管道封閉環境，并負責對離心泵出口水量進行調整。因離心泵不具備自吸功能，需使用真空泵對蝶閥下端的管道進行抽真空。隨著真空的抽取，管道與泵殼內填滿了水，為離心泵的運行創造了條件。控制系統則負責按照設定的流程對泵站內的設備進行順序控制。

圖1 泵站控制系統的組成

3 離心泵站電氣控制系統硬件設計

3.1 軟啟動

電動機啟動的方式有全壓啟動、降壓啟動。全壓啟動時的啟動轉矩為正常轉矩的1.2～2.0 倍，全壓啟動的電流是正常運行電流的4～7 倍。啟動轉矩大對機械部件的沖擊也越大，啟動電流越大將導致電機繞組發熱嚴重絕緣性能受損。當變壓器容量不能提供足夠大的電流時，將導致電網電壓急劇下降。而軟啟動是采用晶閘管調壓控流技術，能夠實現電機的平穩啟動。尤其是在電機帶負載進行突跳啟動的場合，可實現良好的啟動效果。在泵站設備領域可以應用軟啟動的軟停車功能使電機逐漸降低轉速停止，可避免水錘效應的產生。尤軟啟動的過電流、過載保護功能，能實現電機的短路保護和過載保護。

3.2 主電路設計

對離心泵站的主電路進行設計，如圖2 所示。采用直接啟動的方式對真空泵進行控制。因電動蝶閥為三相交流異步電機驅動，所以采用了正反轉控制電路對其進行控制。采用了軟啟動器對離心泵電機進行降壓啟動。軟啟動采用二線制的方式進行控制，當中間繼電器KA1 觸點閉合則軟啟動運行，當KA1 線圈失電則軟啟動停止運行。軟啟動運行時先使用內部的晶閘管按照內置程序與啟動曲線控制晶閘管調壓輸出。啟動完畢后軟啟動的旁路輸出點接通，控制KM4 旁路接觸器接通電機則轉為全壓運行狀態。

圖2 離心泵站主電路

3.3 手動和自動控制電路設計

農村泵站通常位于較為偏僻的地區，所以手動控制模式設計為獨立的控制模式。在自動控制系統故障的情況下仍可以使用現場就地控制柜按鈕控制泵站內的設備。手動控制電路如圖3 所示，手動模式時SA1-2 觸點斷開，SA1-1 觸點接通。真空泵的啟停受SB6 與SB7 控制，離心泵的啟停受SB8 與SB9 控制，蝶閥的打開與關閉受SB11 與SB12 控制。蝶閥處于開到位時SQ2 斷開，處于關到位時SQ3 觸點斷開。自動模式時SA1-1 斷開，SA1-2 觸點接通。自動模式下負載受KA6、KA7、KA9、KA10 控制。

圖3 離心泵站手動控制電路

3.4 PLC 接線圖設計

基于農村的使用環境與設備后續網絡控制的需求，選用了S7200Smart-CR20 型的PLC 為自動控制器件。S7200Smart 系列PLC 支持工業以太網通信，其工作穩定可靠。應用PLC 對蝶閥開到位、關到位信號進行檢測，實現蝶閥的開關控制。對真空泵與電動蝶閥的過載信號進行檢測實現自動模式下蝶閥開關指示、與電機的過載保護。根據農村使用環境與特點，選用了電接點式真空表對管道真空度進行檢測。輸出部分使用中間繼電器對各信號進行隔離，實現對PLC輸出點的保護。如圖4 所示。

圖4 PLC 接線電路

4 系統軟件設計

4.1 離心泵站自動控制流程

對離心泵站的控制操作方式進行調研，獲取了泵站的控制流程。如圖5 所示，按下啟動按鈕后系統執行啟動程序：先控制蝶閥關閉，當蝶閥關閉到位后則啟動真空泵對管道進行真空抽取。隨著真空值的逐漸變小，河道中的水在大氣壓的作用下逐漸將蝶閥下端的泵體與管道填充滿。通常液位高于離心泵泵殼的三分之二即可達到啟動條件。通過對真空度進行檢測，當達到設定真空值后軟啟動器運行控制離心泵啟動。離心泵啟動完畢后控制蝶閥開啟，蝶閥開到位后需停止真空泵并關閉真空閥。此時離心泵將水從河道輸送至灌渠。當按下停止按鈕系統執行停止程序：PLC 控制蝶閥執行關閉程序，當蝶閥關閉至75%時再關閉離心泵可降低系統發生水錘效應的影響[4]。

圖5 離心泵站控制流程

4.2 人機界面設計

使用了觸摸屏對大型離心泵站的設備進行就地觸控式操作，并將泵站內需要檢測的運行與到位信號予以顯示。工藝流程界面如圖6 所示，按下觸摸屏上的自動運行按鈕，可以實現大型離心泵站的一鍵啟動。當按下屏幕上的系統停止按鈕可以實現系統的自動停機控制及設備的“軟操作”，提升了設備操作的安全性[5]。

圖6 人機界面

5 系統測試

5.1 測試方法

對泵站自動控制系統進行測試，其基礎條件為：選擇量程為-0.1～0 MPa 的電接點真空壓力表為真空檢測開關。真空泵與離心泵的轉子轉動靈活，各管道連接牢固且不漏氣。泵站供電電壓正常，電源相序正確。電動蝶閥處于關閉狀態為真空的抽取建立必要條件。通過對電接點真空表的數值進行讀取，并記錄離心泵抽水成功與否的情況。確立系統抽取真空的調整范圍及真空泵退出工作的時機，如圖7 所示。

圖7 系統抽真空測試

5.2 系統成功抽水條件測試

通過實驗的方法對大型泵站的電接點真空表進行調整，實現自動抽水控制。通常系統真空度較高時，水環式真空泵會發出較為沉悶的聲音。結合泵站操作人員的操作經驗，真空泵發出較為沉悶的聲音時觀測到真空壓力表的讀數。如表1 所示，將電接點真空表調整至-0.06～-0.07 MPa 之間，達到設定壓力后可以開啟離心泵。確立了真空泵推出運行的條件為：蝶閥開到位后再停止真空泵，此時啟動離心泵能自行建立真空實現正常抽水。受真空泵功率及管道密封性能影響，系統抽取真空的數值很難再小于-0.07 MPa。

表1 系統成功抽水條件測試情況

5.3 影響離心泵抽水失敗的原因分析

對NJR2-D 型軟啟動參數進行設置，將軟啟動F13 參數設置為3，同時支持端子與通信控制。經過測試影響離心泵抽水失敗的原因有：管道漏氣、管道突出部分有空氣存留區域、離心泵兩端軸承的止水墊圈損壞等[6]。在泵站抽水前需要保證管道不漏氣、離心泵軸承兩端止水墊圈完好。管道安裝時盡量避免突出部分存留空氣，若不能避免則需要將真空抽吸管道連接至突出部分。讓引水填滿管道，減少管道中的空氣余量提升啟動成功率。

6 結語

應用PLC 技術對離心泵站內的蝶閥、真空泵、離心泵等設備進行了標準化控制，并實現了一鍵啟停控制。在手動、自動模式下均可對泵站設備進行操控，實現了泵站設備操作的靈活性。尤其是獨立于自動系統存在的手動控制模式，極大地提升了泵站操作的靈活性。可通過工業以太網接口對泵站開展遠程控制，為泵站數字化控制提供網絡基礎條件。在PLC 與觸摸屏自動控制的基礎上開展泵站故障遠程診斷與維修研究，將提升泵站故障自愈能力。通過實驗獲得了離心泵站成功啟動的經驗數據，可為后續的農村離心泵站設計提供參考。控制方案經濟、可靠，適合于在農村大型泵站改造與控制系統設計中進行推廣與應用。