基于PLC的離心泵自動化監控系統故障判定與響應策略

張強 陳肖 傅小明 張開勇

(1.江蘇財經職業技術學院 江蘇淮安 223001; 2.江蘇嵐江科技有限公司 江蘇南京 210000)

隨著控制理論、自動化技術以及傳感檢測技術的發展，現代離心泵泵站系統的運行模式已由原始的人工監測、手動操作逐步向集中控制、自動控制轉變。在離心泵機組運行過程中，自動控制系統能夠實時監測泵組運行參數，控制泵組運行狀態，提高其運行效率。但由于離心泵控制系統結構的復雜性、工作環境的特殊性，以及控制方式的多樣性，自動控制系統在運行過程中常會出現故障而影響系統的安全穩定，因此，在自動控制系統的基礎上，依靠數據信息、邏輯控制程序，開發完善的監控報警體系，及時發現安全問題、快速做出響應，是科技發展的重要研究課題之一。

1 離心泵運行與監控系統

1.1 離心泵的運行系統

離心泵的運行系統主要由離心泵泵體、電機、進出水管路、閥門、灌泵機組、電源柜等構成，啟泵流程如下：首先，開啟灌泵機組；其次，在離心泵進入滿水狀態后，關閉灌泵機組同時開啟離心泵電機；最后，打開出水口閘閥，完成啟泵。其中，灌泵機組為由水環真空泵、球閥、真空管路等組成的真空泵系統，主要功能為使離心泵內形成負壓，帶動水體充滿泵體。關泵時為避免出現水錘現象，不能直接關閉離心泵電機，應在其開啟狀態下首先切斷出水通道，即關閉閘閥，最后關閉水泵電機，完成關泵[1]。

1.2 離心泵自動化監控系統

離心泵自動化監控系統主要由可編程邏輯控制器（PLC）、電動閥門、傳感器、綜合配電柜等組成，主要功能是對離心泵、電機、水閘、閥控設備、傳感設備、泵組輔助設備、供電設備等關鍵組成部分的數據進行獲取、傳輸、顯示，并能通過控制信號與邏輯指令實現對泵站設備的遠程控制、自動化運行[2]。

2 故障類型剖析

離心泵組故障一般包括兩個方面：一方面是由于離心泵的工作環境條件不正常，另一方面是系統自身連續工作過程偏離控制區間導致失控，復雜的結構也決定了其共有故障具有隨機性和多層次性等特點[3]。按照故障在泵組系統中出現的位置，可以將故障類型總結如下。

2.1 閥門故障

閥門故障主要表現在閥門的運行狀態與其對應的控制邏輯不一致。電動閥門的控制信號由PLC 發出，而執行過程為閥門電機和機械結構。電動閥門設備在長期運行過程中常出現的故障為關閉不嚴、漏水、開度不全。在長期運行下，閥門閥芯密封面磨損嚴重導致閥門閥桿與閥座位置發生變化使密封圈失去密封作用[4]。電動閥門的傳動機構也有因為止推軸承與手柄齒輪之間間隙過大、止推軸承下邊固定螺母松動導致傳動機構轉動時閥門無法正常開關到起止點的情況發生，此外，閥瓣下部的彈簧如若受力過大而失去彈性或斷裂也會使閥門失控。

2.2 離心泵機組故障

在輸送水過程中，閘閥開啟時間過早時，管路水壓較高，易導致泵負荷過大，甚至發生水錘現象沖擊泵體。在長期運行中，泵體密封環、油封容易磨損漏氣，導致上水困難，流量降低，離心泵在小流量工況下運行時，常出現失速、二次流、進出口回流等復雜流動。尤其是到達某閾值時，因進口角度大，葉片吸力側流動分離增大，形成堵塞葉輪流道的旋渦，葉輪進入失速狀態，嚴重影響泵組效率[5]。而且，在泵體工作過程中，河水裹挾泥沙等硬顆粒介質易對水泵的葉輪沖擊磨損，水流與泵壁空隙較大，易發生汽蝕現象[6]。此外，水泵軸彎曲或不同心，會使水泵振動，由于軸向推力增大，使軸承承受的軸向負荷加大，導致軸承發熱甚至損壞，此外軸承內潤滑油不達標也會引起軸承難轉、軸承發熱[7-8]。泵站存在高壓大功率電機設備的頻繁啟停，這會產生電壓浪涌對電路造成沖擊，電源質量不高，導致電機控制模塊受到干擾，嚴重時會有擊穿燒損現象。電機線子絕緣防護層如因老化或者外力損壞，電機控制模塊與驅動模塊就易發生短路，造成控制模塊燒損。離心泵在啟動時，瞬時電流會很大，但數秒之后便會維持在一定水平，如果運行時電流過小，電機干燒，如果電流過大，則會對線路造成損害[9]。

2.3 管路故障

管路故障主要分為管路泄漏和管路堵塞兩種，管路在長期送水中，會因高壓沖刷、水汽腐蝕等原因而導致吸入管道線路出現泄漏，泄漏影響離心泵工作效率，嚴重時還會導致斷流、回流，損壞泵體。主輸送水的出入水口管路管徑較大受堵塞影響較小，但帶底閥或過濾裝置的進水口較易受水流中異物影響，射流管路一般采取直接接入上水管道的方式，且管徑狹小，此間堵塞現象時有發生，導致灌泵延時甚至無法正常完成灌泵，影響泵組運行。

2.4 灌泵機組故障

離心泵必須在充滿水的狀態下才能正常啟動，否則水泵葉輪空轉，無法吸水，嚴重影響水泵的使用壽命，而灌泵機組就是用于對離心泵開泵前灌注水的設備，目前最常用灌泵方式為降低離心泵內壓強，使泵內和泵外大氣形成壓差，水因壓差從進水口處吸入。灌泵機組故障類型有很多，但最終都會影響灌泵的效果，包括灌泵時間過長、灌泵不滿，最終影響離心泵啟泵[10]。

3 解決策略

對以上故障中的表象進行分析，可以概括如下：（1）閥門故障故障主要表現為電控閥門無法正常開關到位；（2）離心泵機組故障主要表現為軸溫高、電流、電壓參數異常；（3）管路故障主要表現為輸送流量較正常值偏小；（4）灌泵機組故障主要表現為離心泵內負壓值與出水口處壓力值不達標。因此設計保護策略應包括以上內容。

3.1 閥門故障監測

閥控設備的啟停是由異步電機帶動的，逐步到達開關點的漸進過程，當閥門出現機械問題時會有兩種表現：難以關緊；無法完全打開，而這兩種情況反饋到球閥信號端為到位信號遲遲不能發出。以常州新能DN25球閥為例，根據對運行正常的DN25球閥測試，所用球閥完成開啟或關閉時間約為12 s，因此，設置程序在監測到開關信號后開始計時，并在完整動作時限上設置一個短暫延時以避免誤判：預留2 s 左右的延時，在14 s后若仍未接收到位信號時，視為故障，并觸發報警。圖1為基于西門子系列PLC的球閥開故障監測梯形圖。閘閥、水泵電機分合閘的保護程序設置也可遵循該設計思想，需要注意的是，一般閘閥的啟停時間在50 s 左右，而電機分合閘完成時間在3 s 內，不同型號設備完成時間不一致需進行測試。此外，在球閥開關切換時，還需要防止過于頻繁地開關損壞閥體，需要根據電網中沖擊電流持續時間設置執行開關操作間隔至少為2 s（在執行操作后延時2 s響應）。

圖1 球閥故障監測程序

3.2 離心泵機組故障監測

離心泵機組故障判定所需依據的監測參數主要包括水泵電機電流、電壓值、水泵和電機的轉軸溫度。電機運行過程中電流值基本穩定，當運行處于故障狀態時，其值會偏大或偏小，為確定目前泵組處于正常運行狀態，需要針對電機電流設定上下限。以MD450-60泵為例，其額定功率可達800 kW，額定電流一般在80 A左右，考慮運行伊始的沖擊現象與工況的復雜性，啟泵后應設置延時，并通過MOVE 指令設置電流的合理區間70～90 A，在電流超出該區間時報警，并在長時間超出區間時執行關泵操作，記錄在故障報表中。

根據標準《閥門受壓鑄鋼件磁粉探傷檢驗》（JB/T 6439-92）的第 4.3.3條，離心泵軸承溫度最高不能超過80 ℃，因此設置溫度閾值時可以按照在使用中所允許的最高溫度值設置，即80 ℃；在監測軸溫超過該值時立刻報警提示，連續超溫較長時間時，執行停泵操作。

水位設限一般采用設置高低水位線的方式，在水位較高時，報警提示目前的水情，在水位監測值持續達到高位值一段時間后，升級報警狀態，并記錄到運行檔案，考慮到水位因素作為參控量時會涉及多泵的聯合工作，因此控制策略還需要結合功耗、工況等進一步分析與制定。

3.3 管路故障監測

管路故障監測由管路內水體流量反饋。在水泵進入穩定運行狀態之后，由流量計監測管路水流速度，在該流量達不到預設值時，管路上水慢，則可以判定水泵沒有正常運行或管路存在問題，需要檢修，立即報警并執行停泵操作。流量故障監測程序見圖2，在水泵停泵后，管路應無流量，監測存在流量值時，可以判定水泵管路泄漏，報警檢修。

圖2 流量故障監測程序

3.4 灌泵機組故障監測

灌泵機組出現故障時，離心泵不能灌滿，水口真空值不達標，需要設定真空閾值、灌泵時間限制。真空值在灌泵過程中并非單調增減，會因管路抖動和泵內水體震蕩而會出現震蕩變化，但是震蕩區間較小，可以采取在達到閾值后延時方法避免離心泵早啟。程序設計為：在啟動灌泵流程后開始計時并監測離心泵內真空值，真空值達到設定值后，進行短暫延時，啟動離心泵并關閉灌泵機組，記錄灌泵時間；如果真空值在設定灌泵時間內無法達到設定值時，報警提示灌泵失敗，關閉灌泵機組。灌泵的完成狀態會直接影響離心泵的啟動狀態，因此還需要在灌泵結束、離心泵啟動時監測出水口的正壓值，在出水閘關閉狀態，啟泵后2～5 s時，正壓值能夠達到設定壓力值，則正常開閘，如沒有達到，則視為故障，吸上水壓過小，引水未注滿，不能開啟閘閥，報警并停泵。

離心泵自動化控制系統綜合應用了傳感器、PLC等技術，具有較為復雜的電氣接線和機械結構，其故障監測功能應在具有如上所述的自動監測并響應能力基礎上，進一步結合采集到的數據和人工經驗，建立故障信息專家庫，從故障類別、故障原因、處理方式及結果反饋等環節對故障進行定義，使系統能夠通過對采集的數據分析后進行歸類，識別故障原因與處理措施[11]。

4 結語

離心泵系統故障頻發是業內普遍存在的問題，對故障出現的原因與特點進行分析總結，在以PLC 為控制單元的自動化控制系統中，根據電動閥門反饋、電機軸溫度、泵內壓強、管內流量、電參量等監測數值，設置閥門、離心泵機組、管路、灌泵機組故障監測策略，在實際運行中此策略能夠及時發現故障問題，有效避免因突發故障導致的事故，為泵站自動化系統運行、智能化控制等方向的研究與開發提供保障，同時，也為建設現代化泵站體系提供寶貴經驗。