一種基于PLC控制的離心泵裝置設計

張苗，顧世明，何玲，朱發新，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、排水和衛生等各種系統，也廣泛應用于石油、化工、農業、礦業、電力等領域[1]。

在化工和石油的生產過程中，化工離心泵主要用于給介質提供傳輸能量；在農業生產中的地位更是毋庸置疑，是應用十分廣泛的流體輸送設備, 被廣泛用于農業中的輸送水及灌溉之中；在冶金生產領域離心泵被用于輸送各種冶煉爐液體；在電力生產領域離心泵被用于輸送冷凝水、鍋爐水、循環水；在市政污水處理領域,可以輸送含有大顆粒物質的液體,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，航空燃油泵是現代飛機發動機的重要部件，主要作用是輸送燃油或進行增壓。飛機襟翼、尾舵和起落架的調節、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的液體多次進出葉輪，將泵和吸入管內的氣體擠壓出去；另一種方法是在離心泵上裝設噴射泵、旋流泵、水環泵等真空泵，在啟動時，直接利用真空泵將泵和吸入管內的空氣抽走，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字運算操作電子系統，通過此系統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的不足加以改進[10]。

1 離心泵裝置設計要求分析

針對傳統離心泵裝置非全自動化，容易產生安全隱患，參考現有的PLC檢測控制系統進行設計要求分析。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、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2是否能正常運行。打開排水調節閥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，經過過濾網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2，電動機1也隨之關閉，待離心泵停止運轉后，關閉排水調節閥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2關閉第二電動閥15，高位水箱4補水完成。

2.2 系統的主要組成零部件

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。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，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持續。

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。PLC檢測控制系統結構原理如圖3所示。

圖3 PLC檢測控制系統結構原理圖

該PLC檢測控制系統通過可編程控制器實現，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。通過水位限位器SQ5和水位傳感器KM13檢測到的數據轉換為相關數字輸入信號到PLC系統的中央處理單元（CPU），CPU根據編好的程序，將相關的數字信號傳輸到各個電動閥控制其狀態。

該裝置的關鍵技術在于實現全自動化操作，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為相應電量信號的儀器。裝置初始狀態處于常開，當液位上升時，環形磁鐵20向上移動，磁簧開關21受到磁場作用，開關處于接通狀態，然后將感受到的水位信號傳送到控制器，當PLC檢測控制系統接收到電信號，將會給電動閥發出“開”和“關”的指令。同時，該裝置的工作前提是泵殼內必須充滿水，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檢測控制系統實現抽氣引水自動控制。PLC檢測控制系統作為中央處理系統，通過液體檢測裝置將信號輸入到PLC系統當中，因PLC檢測控制系統與閥門相結合，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。

該裝置的抽氣引水技術實用性強，運行穩定性好，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、剛度等參數也都符合要求。檢測液體的零部件選型可根據液體性質來決定。

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，PLC系統中的中央處理單元接收到輸入模塊的數字信號，處理后將相應的數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，電動機停止工作。5）高位水箱補水，PLC檢測控制系統通過液位情況控制第二電動閥的啟閉狀態，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、易于操作的優點。因此該裝置具備操作可行性。

3.4 經濟可行性分析

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成本低。因此該裝置具備經濟可行性。

4 結論

1）本文主要針對現有離心泵裝置的問題和不足，查閱了相關規范文件和文獻，從技術、結構、操作及經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、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，能否運用到現實生產當中，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。