一种基于PLC控制的离心泵装置设计

张苗，顾世明，何玲，朱发新，董良雄，周帅

（1.浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022；2.浙江农林大学文法学院，浙江临安 311300）

0 引言

离心泵主要应用于船舶消防、压载、疏水、排水和卫生等各种系统，也广泛应用于石油、化工、农业、矿业、电力等领域[1]。

在化工和石油的生产过程中，化工离心泵主要用于给介质提供传输能量；在农业生产中的地位更是毋庸置疑，是应用十分广泛的流体输送设备, 被广泛用于农业中的输送水及灌溉之中；在冶金生产领域离心泵被用于输送各种冶炼炉液体；在电力生产领域离心泵被用于输送冷凝水、锅炉水、循环水；在市政污水处理领域,可以输送含有大颗粒物质的液体,保证无堵塞输送、柔性输送和高黏度液体的输送。在国防建设中，航空燃油泵是现代飞机发动机的重要部件，主要作用是输送燃油或进行增压。飞机襟翼、尾舵和起落架的调节、军舰和坦克炮塔的转动、潜艇的沉浮等都需要用到离心泵[2-7]。在船舶制造工业中，船用离心泵在船舶中应用较为广泛, 在船舶机舱里有着相当数量的离心泵。船用离心泵作为船舶主要辅机设备。每艘远洋轮上所用的泵通常在百台以上，其类型也是多种多样的。船舶机舱里使用离心泵的场合有压载泵、舱底水泵、日用淡水泵、日用饮水泵、热水循环泵、高温淡水泵、低温淡水泵、海水泵、消防泵、锅炉给水泵、锅炉循环水泵等[8-9]。

虽然离心泵应用很广泛，但存在着启动不能抽气引水的问题，针对这一问题，常用的解决方法有两种：一种是改变其结构，使离心泵在排出端具有气水分离作用，以便在启动时，能利用预先存留在泵内的液体多次进出叶轮，将泵和吸入管内的气体挤压出去；另一种方法是在离心泵上装设喷射泵、旋流泵、水环泵等真空泵，在启动时，直接利用真空泵将泵和吸入管内的空气抽走，形成局部真空，达到引水的目的。这些方法虽然解决了不能抽气引水的问题，但是也存在着结构复杂、体积较大、效率较低等问题。

PLC是一种可编辑程序的数字运算操作电子系统，通过此系统可有效提升离心泵电力排灌站自动控制的有效性，因此将采用此技术对原有控制系统的不足加以改进[10]。

1 离心泵装置设计要求分析

针对传统离心泵装置非全自动化，容易产生安全隐患，参考现有的PLC检测控制系统进行设计要求分析。设计要求如下：

1）在技术方面。要求离心泵装置抽气引水技术先进或实用性强，运行稳定性好，自动化程度较高。

2）在操作方面。要求离心泵装置操作步骤少、简单及安全，不需要经过特殊培训，就可进行操作。

3）在结构方面。要求离心泵装置组成零部件少、结构简单、互换性好，尽量选用通用部件，少用专用部件。

4）在经济成本方面。要求离心泵装置初期建设成本或改造成本较低，易于维护。

2 离心泵装置的设计

2.1 系统的工作原理

以离心泵装置的设计要求为基础，利用AutoCAD设计平台设计出一种基于PLC控制的离心泵装置。该装置主要由离心泵、PLC 检测控制系统、电动机、高位水箱等构成，其工作原理如图1所示。

图1 一种基于PLC控制的离心泵装置工作原理图

一种基于PLC控制的离心泵装置工作原理如下：

1）启动前准备。用手转动离心泵的泵轴9，检查转动是否灵活，有无卡阻。检查离心泵装置与基体的连接是否紧固，有无松动。检查离心泵装置的润滑装置是否良好，保证润滑液液位在适当位置。检查电动机供电情况是否正常。检查离心泵轴封11泄漏情况，泄漏量是否符合要求；检查高位水箱4中的水位，补水或放水确保水位在适当液位。检查PLC检测控制系统2是否能正常运行。打开排水调节阀14，确保排出管能正常排水。瞬间合上电动机1的电源，检查离心泵的转向是否正确。

2）排气引水。启动PLC检测控制系统2，打开高位水箱4的第一电动阀3，形成自上而下的向离心泵注水的水流，直至水流充满整个泵腔内和吸入管，泵当中的空气被水压缩从排水管16中排出。当PLC检测控制系统2的水位传感器13检测到排水管16有水排出时，输出控制信号，关闭第一电动阀3，打开第二电动阀15，完成离心泵装置的抽气引水。

3）正常工作。合上电动机1的电源，离心泵通过滚动轴承10带动叶轮12转动开始工作，经过过滤网7将水吸上来，并通过排出管16将水排向所需要的地方。

在离心泵装置工作期间，密切关注离心泵装置的吸排压力和流量、轴封11的泄漏是否正常，密切关注滚动轴承10的温度，避免其温度过高，造成轴承卡阻引起离心泵装置故障。

4）离心泵停车。当输送水工作完成后，关闭PLC检测控制系统2，电动机1也随之关闭，待离心泵停止运转后，关闭排水调节阀14。如停车时间过久，可以考虑放尽高位水箱4及各管路中的水，避免腐蚀或结冰膨胀等问题。

5）高位水箱补水。离心泵装置正常工作中，因第二电动阀15未关闭，离心泵所排出的水会有一部分进入高位水箱4，当高位水箱4内的水位限位器5检测到水位达到一定位量，PLC检测控制系统2关闭第二电动阀15，高位水箱4补水完成。

2.2 系统的主要组成零部件

1）高位水箱。高位水箱包括贮水池、透气管、水位限位器、配水管网。高位水箱结构如图2所示。

图2 高位水箱结构示意图

贮水池17主要用于贮水（油）。进水管18用于输送水箱当中的水。透气管6用于将水箱内的水蒸气及有害气体排出，补充新鲜空气，以减轻金属的腐蚀，延长使用寿命。水位限位器5用于检测水位限定的高度，同时输入信号到PLC检测控制系统，输出信号控制阀门关闭，通过排水管16将水输送到贮水池17，从而满足水箱当中的水循环持续。

设计该装置的主要目的是针对离心泵的排气充水，达到解决无自吸能力的问题。

2）PLC检测控制系统。PLC检测控制系统结构原理如图3所示。

图3 PLC检测控制系统结构原理图

该PLC检测控制系统通过可编程控制器实现，对应输入模块包括按钮SB、水位限位器SQ5、水位传感器KM13，而对应的输出模块则包括第一电动阀KM1、第二电动阀KM2及电动机M的开关状态。通过水位限位器SQ5和水位传感器KM13检测到的数据转换为相关数字输入信号到PLC系统的中央处理单元（CPU），CPU根据编好的程序，将相关的数字信号传输到各个电动阀控制其状态。

该装置的关键技术在于实现全自动化操作，一体化控制。

3）水位传感器。水位传感器包括浮球、磁簧开关、环形磁铁。水位传感器结构如图4所示。

图4 水位传感器结构示意图

水位传感器是指能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器。装置初始状态处于常开，当液位上升时，环形磁铁20向上移动，磁簧开关21受到磁场作用，开关处于接通状态，然后将感受到的水位信号传送到控制器，当PLC检测控制系统接收到电信号，将会给电动阀发出“开”和“关”的指令。同时，该装置的工作前提是泵壳内必须充满水，达到离心泵正常工作的目的。

3 离心泵装置的可行性分析

3.1 技术可行性分析

该装置是通过高位水箱产生的较高压力达到排气引水的目的，同时利用PLC检测控制系统实现抽气引水自动控制。PLC检测控制系统作为中央处理系统，通过液体检测装置将信号输入到PLC系统当中，因PLC检测控制系统与阀门相结合，再由PLC输出信号控制各个阀门的启闭，既能解决没有自吸能力的问题，又能满足高位水箱的水循环。

该装置的抽气引水技术实用性强，运行稳定性好，自动化程度较高，因此该装置的技术是可行的。

3.2 结构可行性分析

该装置以离心泵为基础，在此基础上增加高位水箱、PLC检测控制系统等零部件，组成零部件较少。其他零部件均为通用件，可在市场上直接选用。该设备或部件的强度、刚度等参数也都符合要求。检测液体的零部件选型可根据液体性质来决定。

该装置结构简单、互换性好，因此该装置的结构具有可行性。

3.3 操作可行性性分析

该装置的工作步骤：1）启动前准备，检查各个零部件是否处于正常情况。2）排气引水，启动PLC检测控制系统，PLC系统中的中央处理单元接收到输入模块的数字信号，处理后将相应的数字信号输送到输出模块，完成离心泵装置的抽气引水。3）正常工作，合上电动机电源，离心泵利用叶轮旋转使水产生离心力从而开始抽水工作。4）离心泵停车，关闭PLC检测控制系统，电动机停止工作。5）高位水箱补水，PLC检测控制系统通过液位情况控制第二电动阀的启闭状态，自动补充高位水箱的水位。

从装置的工作过程分析，该装置具有操作步骤少、简单安全、易于操作的优点。因此该装置具备操作可行性。

3.4 经济可行性分析

该装置初期建设成本和改造成本较低，使用寿命长，日常使用和维护保养成本低。因此该装置具备经济可行性。

4 结论

1）本文主要针对现有离心泵装置的问题和不足，查阅了相关规范文件和文献，从技术、结构、操作及经济成本方面总结出一种新型离心泵装置的设计要求。

2）利用AutoCAD 设计平台设计出一种基于PLC控制的离心泵装置。该装置主要由离心泵、PLC检测控制系统、电动机、高位水箱等构成，并介绍了其工作原理和主要组成零部件。

3）从技术、结构、操作、经济等方面论述了该装置的可行性。该装置技术实用性好、结构简单、操作方便，初期建造或改造和维护保养成本较低，结果表明该装置可行性好。

4）本文的研究属于前期的理论研究，能否运用到现实生产当中，还有待进一步深入探索。 对于后期的研究，可以从三维实体建模及有限元分析、台架试验、实船运用等方面进一步研究。