申 運(yùn)

（湖南瀟湘技師學(xué)院 湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000）

0 引言

農(nóng)村泵站是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)施，其工作穩(wěn)定性直接影響農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量。國(guó)內(nèi)的農(nóng)村泵站一般建設(shè)于80 年代，大部分都以手動(dòng)控制的方式運(yùn)行，部分泵站仍采用自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜來啟動(dòng)離心泵[1]。相關(guān)閥門也僅支持手動(dòng)操作，對(duì)操作人員要求較高且操作過程較為消耗體力。農(nóng)村灌溉用泵站整體自動(dòng)化程度不高，更有一些泵站處于年久失修的狀態(tài)并沒有發(fā)揮泵站在農(nóng)村灌溉抗旱方面的作用。由于泵站的操作人員多為當(dāng)?shù)氐拇迕?，?duì)機(jī)械設(shè)備的操作流程不熟練、安全意識(shí)不足。操作不規(guī)范，容易造成設(shè)備損壞及引發(fā)事故。因此永州市水利局對(duì)轄區(qū)內(nèi)的農(nóng)村大型泵站進(jìn)行了改造，從適應(yīng)農(nóng)村技術(shù)員操作角度搭建了自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)泵站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行“一鍵啟?！笨刂?，實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化操作。從實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程故障診斷的角度對(duì)泵站進(jìn)行建設(shè)，以降低泵站管理難度，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

1 國(guó)內(nèi)外農(nóng)村泵站控制研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的農(nóng)村泵站控制系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀一直處在較低的水平，普遍缺少自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施和基本的數(shù)字化、信息化手段，沒有從簡(jiǎn)化操作、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)互聯(lián)、故障遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制的條件；有些泵站采用光纖專線的方式進(jìn)行通信，通信穩(wěn)定性、安全性可保障但建設(shè)成本高；還有少數(shù)泵站采用GPRS 數(shù)據(jù)通信方式，數(shù)據(jù)吞吐量有限，可靠性差，遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)不穩(wěn)定，通信延遲大，通信設(shè)備與通信模式均有待更新。

國(guó)外的泵站在運(yùn)行、管理方面自動(dòng)化程度較高的有美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)[2]。就農(nóng)村灌溉的泵站而言早已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，一度朝智能化、無人值守化發(fā)展。在科學(xué)管水、科學(xué)節(jié)水方面早有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是國(guó)外泵站的自動(dòng)化程度高，建造成本極高，適用于大型的水利工程項(xiàng)目，不適用于國(guó)內(nèi)分散的農(nóng)村泵站建設(shè)。

本研究主要從適應(yīng)國(guó)內(nèi)泵站控制與操作需求出發(fā)，進(jìn)行泵站“一鍵式啟動(dòng)”控制方案的研究與實(shí)踐，設(shè)計(jì)適合于農(nóng)村人群操作的泵站控制系統(tǒng)，應(yīng)用PLC技術(shù)對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，確立離心泵站自動(dòng)控制流程。在引入主流的軟啟動(dòng)控制技術(shù)在離心泵站中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的同時(shí)，對(duì)農(nóng)村離心泵站“灌引水”的方式進(jìn)行測(cè)試，以獲得離心泵站成功抽水的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2 泵站控制系統(tǒng)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(dòng)蝶閥、水環(huán)真空泵組成。離心泵負(fù)責(zé)將河道內(nèi)的水輸送至高處的灌渠對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。由電動(dòng)蝶閥創(chuàng)造管道封閉環(huán)境，并負(fù)責(zé)對(duì)離心泵出口水量進(jìn)行調(diào)整。因離心泵不具備自吸功能，需使用真空泵對(duì)蝶閥下端的管道進(jìn)行抽真空。隨著真空的抽取，管道與泵殼內(nèi)填滿了水，為離心泵的運(yùn)行創(chuàng)造了條件。控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)按照設(shè)定的流程對(duì)泵站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行順序控制。

圖1 泵站控制系統(tǒng)的組成

3 離心泵站電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 軟啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的方式有全壓?jiǎn)?dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)。全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為正常轉(zhuǎn)矩的1.2～2.0 倍，全壓?jiǎn)?dòng)的電流是正常運(yùn)行電流的4～7 倍。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大對(duì)機(jī)械部件的沖擊也越大，啟動(dòng)電流越大將導(dǎo)致電機(jī)繞組發(fā)熱嚴(yán)重絕緣性能受損。當(dāng)變壓器容量不能提供足夠大的電流時(shí)，將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓急劇下降。而軟啟動(dòng)是采用晶閘管調(diào)壓控流技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。尤其是在電機(jī)帶負(fù)載進(jìn)行突跳啟動(dòng)的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)良好的啟動(dòng)效果。在泵站設(shè)備領(lǐng)域可以應(yīng)用軟啟動(dòng)的軟停車功能使電機(jī)逐漸降低轉(zhuǎn)速停止，可避免水錘效應(yīng)的產(chǎn)生。尤軟啟動(dòng)的過電流、過載保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的短路保護(hù)和過載保護(hù)。

3.2 主電路設(shè)計(jì)

對(duì)離心泵站的主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2 所示。采用直接啟動(dòng)的方式對(duì)真空泵進(jìn)行控制。因電動(dòng)蝶閥為三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以采用了正反轉(zhuǎn)控制電路對(duì)其進(jìn)行控制。采用了軟啟動(dòng)器對(duì)離心泵電機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)。軟啟動(dòng)采用二線制的方式進(jìn)行控制，當(dāng)中間繼電器KA1 觸點(diǎn)閉合則軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)KA1 線圈失電則軟啟動(dòng)停止運(yùn)行。軟啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)先使用內(nèi)部的晶閘管按照內(nèi)置程序與啟動(dòng)曲線控制晶閘管調(diào)壓輸出。啟動(dòng)完畢后軟啟動(dòng)的旁路輸出點(diǎn)接通，控制KM4 旁路接觸器接通電機(jī)則轉(zhuǎn)為全壓運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 離心泵站主電路

3.3 手動(dòng)和自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

農(nóng)村泵站通常位于較為偏僻的地區(qū)，所以手動(dòng)控制模式設(shè)計(jì)為獨(dú)立的控制模式。在自動(dòng)控制系統(tǒng)故障的情況下仍可以使用現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜按鈕控制泵站內(nèi)的設(shè)備。手動(dòng)控制電路如圖3 所示，手動(dòng)模式時(shí)SA1-2 觸點(diǎn)斷開，SA1-1 觸點(diǎn)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(guān)閉受SB11 與SB12 控制。蝶閥處于開到位時(shí)SQ2 斷開，處于關(guān)到位時(shí)SQ3 觸點(diǎn)斷開。自動(dòng)模式時(shí)SA1-1 斷開，SA1-2 觸點(diǎn)接通。自動(dòng)模式下負(fù)載受KA6、KA7、KA9、KA10 控制。

圖3 離心泵站手動(dòng)控制電路

3.4 PLC 接線圖設(shè)計(jì)

基于農(nóng)村的使用環(huán)境與設(shè)備后續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制的需求，選用了S7200Smart-CR20 型的PLC 為自動(dòng)控制器件。S7200Smart 系列PLC 支持工業(yè)以太網(wǎng)通信，其工作穩(wěn)定可靠。應(yīng)用PLC 對(duì)蝶閥開到位、關(guān)到位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)蝶閥的開關(guān)控制。對(duì)真空泵與電動(dòng)蝶閥的過載信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下蝶閥開關(guān)指示、與電機(jī)的過載保護(hù)。根據(jù)農(nóng)村使用環(huán)境與特點(diǎn)，選用了電接點(diǎn)式真空表對(duì)管道真空度進(jìn)行檢測(cè)。輸出部分使用中間繼電器對(duì)各信號(hào)進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC輸出點(diǎn)的保護(hù)。如圖4 所示。

圖4 PLC 接線電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 離心泵站自動(dòng)控制流程

對(duì)離心泵站的控制操作方式進(jìn)行調(diào)研，獲取了泵站的控制流程。如圖5 所示，按下啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)執(zhí)行啟動(dòng)程序：先控制蝶閥關(guān)閉，當(dāng)?shù)y關(guān)閉到位后則啟動(dòng)真空泵對(duì)管道進(jìn)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(dá)到啟動(dòng)條件。通過對(duì)真空度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定真空值后軟啟動(dòng)器運(yùn)行控制離心泵啟動(dòng)。離心泵啟動(dòng)完畢后控制蝶閥開啟，蝶閥開到位后需停止真空泵并關(guān)閉真空閥。此時(shí)離心泵將水從河道輸送至灌渠。當(dāng)按下停止按鈕系統(tǒng)執(zhí)行停止程序：PLC 控制蝶閥執(zhí)行關(guān)閉程序，當(dāng)?shù)y關(guān)閉至75%時(shí)再關(guān)閉離心泵可降低系統(tǒng)發(fā)生水錘效應(yīng)的影響[4]。

圖5 離心泵站控制流程

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用了觸摸屏對(duì)大型離心泵站的設(shè)備進(jìn)行就地觸控式操作，并將泵站內(nèi)需要檢測(cè)的運(yùn)行與到位信號(hào)予以顯示。工藝流程界面如圖6 所示，按下觸摸屏上的自動(dòng)運(yùn)行按鈕，可以實(shí)現(xiàn)大型離心泵站的一鍵啟動(dòng)。當(dāng)按下屏幕上的系統(tǒng)停止按鈕可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)停機(jī)控制及設(shè)備的“軟操作”，提升了設(shè)備操作的安全性[5]。

圖6 人機(jī)界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 測(cè)試方法

對(duì)泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其基礎(chǔ)條件為：選擇量程為-0.1～0 MPa 的電接點(diǎn)真空壓力表為真空檢測(cè)開關(guān)。真空泵與離心泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)為真空的抽取建立必要條件。通過對(duì)電接點(diǎn)真空表的數(shù)值進(jìn)行讀取，并記錄離心泵抽水成功與否的情況。確立系統(tǒng)抽取真空的調(diào)整范圍及真空泵退出工作的時(shí)機(jī)，如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)抽真空測(cè)試

5.2 系統(tǒng)成功抽水條件測(cè)試

通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)大型泵站的電接點(diǎn)真空表進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽水控制。通常系統(tǒng)真空度較高時(shí)，水環(huán)式真空泵會(huì)發(fā)出較為沉悶的聲音。結(jié)合泵站操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，真空泵發(fā)出較為沉悶的聲音時(shí)觀測(cè)到真空壓力表的讀數(shù)。如表1 所示，將電接點(diǎn)真空表調(diào)整至-0.06～-0.07 MPa 之間，達(dá)到設(shè)定壓力后可以開啟離心泵。確立了真空泵推出運(yùn)行的條件為：蝶閥開到位后再停止真空泵，此時(shí)啟動(dòng)離心泵能自行建立真空實(shí)現(xiàn)正常抽水。受真空泵功率及管道密封性能影響，系統(tǒng)抽取真空的數(shù)值很難再小于-0.07 MPa。

表1 系統(tǒng)成功抽水條件測(cè)試情況

5.3 影響離心泵抽水失敗的原因分析

對(duì)NJR2-D 型軟啟動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將軟啟動(dòng)F13 參數(shù)設(shè)置為3，同時(shí)支持端子與通信控制。經(jīng)過測(cè)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(qū)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(shí)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(dòng)成功率。

6 結(jié)語

應(yīng)用PLC 技術(shù)對(duì)離心泵站內(nèi)的蝶閥、真空泵、離心泵等設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化控制，并實(shí)現(xiàn)了一鍵啟?？刂?。在手動(dòng)、自動(dòng)模式下均可對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)了泵站設(shè)備操作的靈活性。尤其是獨(dú)立于自動(dòng)系統(tǒng)存在的手動(dòng)控制模式，極大地提升了泵站操作的靈活性。可通過工業(yè)以太網(wǎng)接口對(duì)泵站開展遠(yuǎn)程控制，為泵站數(shù)字化控制提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件。在PLC 與觸摸屏自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上開展泵站故障遠(yuǎn)程診斷與維修研究，將提升泵站故障自愈能力。通過實(shí)驗(yàn)獲得了離心泵站成功啟動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為后續(xù)的農(nóng)村離心泵站設(shè)計(jì)提供參考。控制方案經(jīng)濟(jì)、可靠，適合于在農(nóng)村大型泵站改造與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣與應(yīng)用。