王春鵬

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大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王春鵬

（廣東河海泵業(yè)機(jī)械有限公司）

針對(duì)傳統(tǒng)大型泵站水泵葉片角度調(diào)節(jié)的不足，提出一種大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)。首先，分析水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)；然后，介紹水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)框圖，通過位移/角度監(jiān)測器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測，采用PLC編寫系統(tǒng)控制功能模塊，實(shí)現(xiàn)水泵葉片軟件控制；最后，通過試運(yùn)行驗(yàn)證大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)可行性。運(yùn)行結(jié)果表明：水泵葉片在?6o~ +6o最大調(diào)整狀態(tài)下，位移標(biāo)尺指示為+30 mm，監(jiān)測器位移120 mm，調(diào)整后角度顯示+6o，實(shí)際調(diào)整時(shí)間240 s，滿足監(jiān)測與控制系統(tǒng)要求。

水泵葉片；角度調(diào)節(jié)裝置；系統(tǒng)監(jiān)測；軟件控制

0 引言

泵站是防洪、排澇和抗旱減災(zāi)的重要組成部分，因其具有投資少、成本低、工期短、見效快、對(duì)環(huán)境影響小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢，得到人們普遍關(guān)注和重視。水泵的工作效率與其葉片角度密切相關(guān)。在不同運(yùn)行工況下，有且必有一個(gè)葉片角度，能使水泵獲得最優(yōu)水能效率。因此，現(xiàn)有水泵尤其是大型水泵或機(jī)組，均配置了用于調(diào)節(jié)葉片角度的裝置，使水泵運(yùn)行時(shí)能隨時(shí)在線調(diào)控葉片角度而獲取最優(yōu)工作效率[1]。

傳統(tǒng)的水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置主要分為液壓式和機(jī)械式。液壓式調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)力大，但存在內(nèi)泄漏可能導(dǎo)致保壓失效，致使調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較差；機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置鎖機(jī)性能好，但其推力軸承長期帶載運(yùn)轉(zhuǎn)，壽命較短，且易產(chǎn)生抬軸狀況，可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)事故[2-3]。為此，很多專家學(xué)者開展了相關(guān)研究，并取得一定成果[3-5]。針對(duì)目前泵站大型水泵葉片，特別是機(jī)械式調(diào)節(jié)易抬軸現(xiàn)狀，本文采用齒差驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式控制方式，設(shè)計(jì)一種水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)，并在佛山某泵站應(yīng)用，取得較好的角度調(diào)節(jié)效果。

1　水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)

水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置主要參數(shù)：總體尺寸（）850 mm×1150 mm；極限行程（max）120 mm；工作行程（）40 mm～80 mm；泵機(jī)轉(zhuǎn)速（）150 r/min；最大調(diào)節(jié)力（）40 T；調(diào)節(jié)速度（）12 mm/min～ 20 mm/min；調(diào)節(jié)角度范圍為?6°～+6°。

大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括調(diào)節(jié)控制模塊和監(jiān)測功能模塊。

1?驅(qū)動(dòng)連接機(jī)構(gòu)　2?調(diào)節(jié)螺旋組合件　3?傳動(dòng)齒輪副 4?電磁離合器A/B　5?鎖位電磁閥C　6?上/下行程開關(guān) 7?指示標(biāo)尺　8?角度/位移監(jiān)測器　9?作動(dòng)桿

調(diào)節(jié)控制模塊包括驅(qū)動(dòng)連接機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)螺旋組合件、傳動(dòng)齒輪副、電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C。大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置通過電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C配合，實(shí)現(xiàn)水泵葉片角度控制；通過角度/位移監(jiān)測器實(shí)現(xiàn)水泵葉片的角度監(jiān)測和控制；利用上/下行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)，確保裝置在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

監(jiān)測功能模塊包括上行程開關(guān)、下行程開關(guān)、指示標(biāo)尺、角度/位移監(jiān)測器以及作動(dòng)桿。大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置通過作動(dòng)桿連接調(diào)節(jié)螺旋組合件和監(jiān)測部分，作動(dòng)桿和調(diào)節(jié)螺旋組合件聯(lián)動(dòng)同步，并將組合件的位移轉(zhuǎn)換成角度/位移測量所需的位移參數(shù)，同時(shí)帶動(dòng)指針移動(dòng)指示位移。監(jiān)測功能模塊通過角度/位移監(jiān)測器進(jìn)行位移測量，并將信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。

2　監(jiān)測與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 　硬件設(shè)計(jì)

大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。監(jiān)測模塊主要監(jiān)測泵站狀態(tài)、限位保護(hù)、系統(tǒng)狀態(tài)和角度/位移，并將采集數(shù)據(jù)輸入PLC進(jìn)行處理；控制模塊包括電磁離合器A、電磁離合器B和鎖位電磁閥C，PLC通過I/O端口分別控制葉片角度增大/減少和鎖位功能，通過人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與顯示，經(jīng)RS485接口把數(shù)據(jù)傳送中控室進(jìn)行控制指令操作。

圖2　 大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)框圖

其中，電磁離合器A和電磁離合器B具有互鎖功能，不能同時(shí)動(dòng)作，否則會(huì)損壞裝置。鎖位電磁閥C實(shí)現(xiàn)鎖位功能（螺旋組合件鎖位），鎖位控制和電磁離合器控制一致，只有在脫鎖狀態(tài)下，電磁離合器A、電磁離合器B才可進(jìn)行操作，調(diào)整完成后鎖位。上/下行程開關(guān)負(fù)責(zé)上/下限位保護(hù)。角度/位移監(jiān)測器負(fù)責(zé)角度/位移的監(jiān)測與顯示。大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置的動(dòng)作功能表如表1所示。

表1 　動(dòng)作功能表

注：“+”表示接通，“-”表示斷開

為準(zhǔn)確監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用電子尺KTC-120mm-A1-C-D1-Z-LZ為位移傳感器，將位移轉(zhuǎn)換成角度顯示。該電子尺線性誤差精度高于±0.04% FS，分辨率低于0.01 mm，最大運(yùn)行速度可達(dá)10 m/s，最大運(yùn)行加速度為10 m/s，重復(fù)精度小于0.01 mm，滿足監(jiān)測要求。

為更加準(zhǔn)確計(jì)量，監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正功能。通過采集?6°和+6°位置對(duì)應(yīng)的電子尺數(shù)值，確定監(jiān)測位移和監(jiān)測器輸出模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵葉片位移的監(jiān)測，從而達(dá)到系統(tǒng)基準(zhǔn)校正的目的。

2.2　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用西門子PLC梯形圖進(jìn)行編程，大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)主控流程圖如圖3所示。主控流程包括開機(jī)自檢和停機(jī)復(fù)位功能、限位安全保護(hù)功能及角度監(jiān)測功能。

水泵葉片角度調(diào)節(jié)通過葉片角度減小/增大調(diào)節(jié)子程序完成。當(dāng)水泵葉片角度需要調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)輸入的調(diào)節(jié)角度進(jìn)行判斷。若增大角度，則調(diào)用增大角度子程序，否則調(diào)用減小角度子程序，直到角度調(diào)節(jié)合適為止。調(diào)節(jié)過程如觸及上、下行程開關(guān)，則中斷調(diào)節(jié)，停機(jī)檢查。

當(dāng)水泵葉片角度合適時(shí)，電磁離合器A和電磁離合器B斷開，鎖位電磁閥C吸合，并根據(jù)監(jiān)測與控制要求，判斷系統(tǒng)是否停機(jī)。

圖3　 監(jiān)測與控制系統(tǒng)主控流程圖

減小葉片角度子流程圖如圖4所示。減小葉片角度，需電磁離合器A斷開、電磁離合器B吸合、鎖位電磁閥C斷開，直到角度調(diào)節(jié)到位時(shí)，電磁離合器A和電磁離合器B斷開，鎖位電磁閥C吸合。

圖4 　減小葉片角度子流程圖

2.3 　監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置控制與監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖5所示，主要包括監(jiān)測模塊和控制模塊。

圖5 　大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置控制與監(jiān)測系統(tǒng)主界面

監(jiān)測模塊包括系統(tǒng)狀態(tài)和水泵葉片角度調(diào)節(jié)監(jiān)控2部分。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控包括水泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障、解鎖動(dòng)作、上調(diào)動(dòng)作、下調(diào)動(dòng)作以及遠(yuǎn)程控制監(jiān)控。水泵葉片角度調(diào)節(jié)監(jiān)控可實(shí)時(shí)顯示水泵葉片角度；同時(shí)通過以太網(wǎng)卡和RS-485接口實(shí)時(shí)將調(diào)節(jié)情況及運(yùn)行狀態(tài)傳至中控室監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反映裝置調(diào)整角度狀況，并接受中控室監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

控制模塊包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制模塊可通過設(shè)置參數(shù)進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)定，包括上限參數(shù)、下限參數(shù)和調(diào)角時(shí)間。自動(dòng)控制通過自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度。自動(dòng)調(diào)整過程中，如果出現(xiàn)調(diào)整時(shí)間超過設(shè)置時(shí)間，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警，要求檢查，以確保水泵裝置運(yùn)行正常。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

3　系統(tǒng)運(yùn)行與數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)的可行性，在佛山某泵站試運(yùn)行。水泵型號(hào)為2900ZLQ32-5，泵電機(jī)型號(hào)為TL2600-40/3250(TH)，轉(zhuǎn)速150 r/min。設(shè)置不同初始條件，觀察水泵葉片角度調(diào)整監(jiān)測與控制過程，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6　系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置界面

由表2可以看出：水泵葉片在?6°~ +6°（最大調(diào)節(jié)范圍內(nèi)）狀態(tài)下，位移標(biāo)尺指示為+30 mm，監(jiān)測器位移為60 mm。角度調(diào)整后為+6o，實(shí)際調(diào)整時(shí)間為240 s。在240 s監(jiān)控內(nèi)結(jié)果顯示正常，滿足系統(tǒng)監(jiān)測與控制要求。

表2 　水泵葉片角度監(jiān)測與控制數(shù)據(jù)表

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)大型水泵葉片角度調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測與控制系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括：

1）通過角度/位移傳感器，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過電磁離合器和鎖位電磁閥配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確控制；

2）設(shè)計(jì)一種水泵葉片角度調(diào)節(jié)控制與監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)運(yùn)行情況。結(jié)果表明：監(jiān)測效果性能好，可滿足客戶監(jiān)測與控制要求。

[1] 葉淵杰,陳堅(jiān),徐艷茹.我國大泵葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)用與研究綜述[J].中國農(nóng)村水利水電,2009,9(8):153-156.

[2] 仇寶云,劉超.泵站水泵葉片調(diào)節(jié)方式概論[J].水泵技術(shù), 1997(4):29-33.

[3] 陳堅(jiān),徐艷茹,黃金明.機(jī)械式全調(diào)節(jié)水泵抬機(jī)及其原因分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,43(3):310-314

[4] Kusayama Yoshio, Furukawa Kazu. Blade Opening Angle Controlling Apparatus for Movable Blade Type Circulating Water Pump: JP57033935[P].1983-9-9.

[5] 楊開好,耿愛農(nóng),李辛沫,等.基于齒差驅(qū)動(dòng)的水泵葉片角度在役調(diào)節(jié)裝置:CN201710467629[P]. 2017-11-10.

Design of Monitoring and Control System of Angle Adjustable Device for Large Water Pump Blade

Wang Chunpeng

(Guangdong Hehai Pumping Machinery Co., Ltd.)

A monitoring and control system for the angle adjustment of large pump blades in traditional pumping stations is proposed. Firstly, the structural parameters of the pump blade regulator are analyzed. Then, it introduces the frame diagram of the monitoring and control system of the angle adjustment device for pump blades, realizes the system monitoring by the displacement/angle monitor, and uses PLC to write the system control function module to achieve the software control of pump blades. Finally, it verifies the operation of the large pump blade angle regulating system. The operating results showed that the pump blades were satisfied with monitoring and control requirements at the maximum adjustment state of ?6°~ +6°, which the displacement ruler indicates that the detector displacement is +30 mm, the angle of adjustment is +6o, and the actual adjustment time is 240 s.

Pump Blades; Angle Regulatory Devices; Systematic Monitoring; Software Control

王春鵬，男，1974年生，本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電工程技術(shù)、測控技術(shù)。E-mail: 610318861@qq.com