大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统设计

王春鹏



大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统设计

王春鹏

（广东河海泵业机械有限公司）

针对传统大型泵站水泵叶片角度调节的不足，提出一种大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统。首先，分析水泵叶片角度调节装置的结构参数；然后，介绍水泵叶片角度调节装置监测与控制系统框图，通过位移/角度监测器实现系统监测，采用PLC编写系统控制功能模块，实现水泵叶片软件控制；最后，通过试运行验证大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统可行性。运行结果表明：水泵叶片在−6º~ +6º最大调整状态下，位移标尺指示为+30 mm，监测器位移120 mm，调整后角度显示+6º，实际调整时间240 s，满足监测与控制系统要求。

水泵叶片；角度调节装置；系统监测；软件控制

0 引言

泵站是防洪、排涝和抗旱减灾的重要组成部分，因其具有投资少、成本低、工期短、见效快、对环境影响小、易于实现自动化等优势，得到人们普遍关注和重视。水泵的工作效率与其叶片角度密切相关。在不同运行工况下，有且必有一个叶片角度，能使水泵获得最优水能效率。因此，现有水泵尤其是大型水泵或机组，均配置了用于调节叶片角度的装置，使水泵运行时能随时在线调控叶片角度而获取最优工作效率[1]。

传统的水泵叶片角度调节装置主要分为液压式和机械式。液压式调节装置调节力大，但存在内泄漏可能导致保压失效，致使调节稳定性较差；机械式调节装置锁机性能好，但其推力轴承长期带载运转，寿命较短，且易产生抬轴状况，可能出现调节事故[2-3]。为此，很多专家学者开展了相关研究，并取得一定成果[3-5]。针对目前泵站大型水泵叶片，特别是机械式调节易抬轴现状，本文采用齿差驱动的机械式控制方式，设计一种水泵叶片角度调节装置监测与控制系统，并在佛山某泵站应用，取得较好的角度调节效果。

1　水泵叶片角度调节装置结构

水泵叶片角度调节装置主要参数：总体尺寸（）850 mm×1150 mm；极限行程（max）120 mm；工作行程（）40 mm～80 mm；泵机转速（）150 r/min；最大调节力（）40 T；调节速度（）12 mm/min～ 20 mm/min；调节角度范围为−6°～+6°。

大型水泵叶片角度调节装置结构图如图1所示，包括调节控制模块和监测功能模块。

1−驱动连接机构　2−调节螺旋组合件　3−传动齿轮副 4−电磁离合器A/B　5−锁位电磁阀C　6−上/下行程开关 7−指示标尺　8−角度/位移监测器　9−作动杆

调节控制模块包括驱动连接机构、调节螺旋组合件、传动齿轮副、电磁离合器A、电磁离合器B和锁位电磁阀C。大型水泵叶片角度调节装置通过电磁离合器A、电磁离合器B和锁位电磁阀C配合，实现水泵叶片角度控制；通过角度/位移监测器实现水泵叶片的角度监测和控制；利用上/下行程开关实现限位保护，确保装置在安全范围内运行。

监测功能模块包括上行程开关、下行程开关、指示标尺、角度/位移监测器以及作动杆。大型水泵叶片角度调节装置通过作动杆连接调节螺旋组合件和监测部分，作动杆和调节螺旋组合件联动同步，并将组合件的位移转换成角度/位移测量所需的位移参数，同时带动指针移动指示位移。监测功能模块通过角度/位移监测器进行位移测量，并将信号反馈到控制系统，实现监测功能。

2　监测与控制系统实现

2.1 　硬件设计

大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统框图如图2所示。监测模块主要监测泵站状态、限位保护、系统状态和角度/位移，并将采集数据输入PLC进行处理；控制模块包括电磁离合器A、电磁离合器B和锁位电磁阀C，PLC通过I/O端口分别控制叶片角度增大/减少和锁位功能，通过人机交互设备进行参数设置与显示，经RS485接口把数据传送中控室进行控制指令操作。

图2　 大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统框图

其中，电磁离合器A和电磁离合器B具有互锁功能，不能同时动作，否则会损坏装置。锁位电磁阀C实现锁位功能（螺旋组合件锁位），锁位控制和电磁离合器控制一致，只有在脱锁状态下，电磁离合器A、电磁离合器B才可进行操作，调整完成后锁位。上/下行程开关负责上/下限位保护。角度/位移监测器负责角度/位移的监测与显示。大型水泵叶片角度调节装置的动作功能表如表1所示。

表1 　动作功能表

注：“+”表示接通，“-”表示断开

为准确监测数据，采用电子尺KTC-120mm-A1-C-D1-Z-LZ为位移传感器，将位移转换成角度显示。该电子尺线性误差精度高于±0.04% FS，分辨率低于0.01 mm，最大运行速度可达10 m/s，最大运行加速度为10 m/s，重复精度小于0.01 mm，满足监测要求。

为更加准确计量，监测与控制系统设计校正功能。通过采集−6°和+6°位置对应的电子尺数值，确定监测位移和监测器输出模拟量之间的对应关系，实现对水泵叶片位移的监测，从而达到系统基准校正的目的。

2.2　软件设计

系统软件采用西门子PLC梯形图进行编程，大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统主控流程图如图3所示。主控流程包括开机自检和停机复位功能、限位安全保护功能及角度监测功能。

水泵叶片角度调节通过叶片角度减小/增大调节子程序完成。当水泵叶片角度需要调节时，系统根据输入的调节角度进行判断。若增大角度，则调用增大角度子程序，否则调用减小角度子程序，直到角度调节合适为止。调节过程如触及上、下行程开关，则中断调节，停机检查。

当水泵叶片角度合适时，电磁离合器A和电磁离合器B断开，锁位电磁阀C吸合，并根据监测与控制要求，判断系统是否停机。

图3　 监测与控制系统主控流程图

减小叶片角度子流程图如图4所示。减小叶片角度，需电磁离合器A断开、电磁离合器B吸合、锁位电磁阀C断开，直到角度调节到位时，电磁离合器A和电磁离合器B断开，锁位电磁阀C吸合。

图4 　减小叶片角度子流程图

2.3 　监控系统实现

大型水泵叶片角度调节装置控制与监测系统主界面如图5所示，主要包括监测模块和控制模块。

图5 　大型水泵叶片角度调节装置控制与监测系统主界面

监测模块包括系统状态和水泵叶片角度调节监控2部分。系统状态监控包括水泵电机运行状态和故障、解锁动作、上调动作、下调动作以及远程控制监控。水泵叶片角度调节监控可实时显示水泵叶片角度；同时通过以太网卡和RS-485接口实时将调节情况及运行状态传至中控室监控系统，实时反映装置调整角度状况，并接受中控室监控系统的远程控制。

控制模块包括手动控制和自动控制。手动控制模块可通过设置参数进行初始参数设定，包括上限参数、下限参数和调角时间。自动控制通过自动调节按钮，自动调节叶片角度。自动调整过程中，如果出现调整时间超过设置时间，系统停止运行并报警，要求检查，以确保水泵装置运行正常。系统运行参数设置界面如图6所示。

3　系统运行与数据分析

为验证大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统的可行性，在佛山某泵站试运行。水泵型号为2900ZLQ32-5，泵电机型号为TL2600-40/3250(TH)，转速150 r/min。设置不同初始条件，观察水泵叶片角度调整监测与控制过程，得到的数据如表2所示。

图6　系统运行参数设置界面

由表2可以看出：水泵叶片在−6°~ +6°（最大调节范围内）状态下，位移标尺指示为+30 mm，监测器位移为60 mm。角度调整后为+6º，实际调整时间为240 s。在240 s监控内结果显示正常，满足系统监测与控制要求。

表2 　水泵叶片角度监测与控制数据表

4　结语

本文设计大型水泵叶片角度调节装置监测与控制系统，主要内容包括：

1）通过角度/位移传感器，采集监测数据，通过电磁离合器和锁位电磁阀配合，实现系统精确控制；

2）设计一种水泵叶片角度调节控制与监测系统，实时监测和控制系统运行情况。结果表明：监测效果性能好，可满足客户监测与控制要求。

[1] 叶渊杰,陈坚,徐艳茹.我国大泵叶片调节机构应用与研究综述[J].中国农村水利水电,2009,9(8):153-156.

[2] 仇宝云,刘超.泵站水泵叶片调节方式概论[J].水泵技术, 1997(4):29-33.

[3] 陈坚,徐艳茹,黄金明.机械式全调节水泵抬机及其原因分析[J].武汉大学学报(工学版),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] 杨开好,耿爱农,李辛沫,等.基于齿差驱动的水泵叶片角度在役调节装置: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

王春鹏，男，1974年生，本科，工程师，主要研究方向：机电工程技术、测控技术。E-mail: 610318861@qq.com