农村大型离心泵站自动控制系统设计

申 运

（湖南潇湘技师学院 湖南九嶷职业技术学院，湖南 永州 425000）

0 引言

农村泵站是保障农业生产的重要设施，其工作稳定性直接影响农业的产量。国内的农村泵站一般建设于80 年代，大部分都以手动控制的方式运行，部分泵站仍采用自耦降压启动柜来启动离心泵[1]。相关阀门也仅支持手动操作，对操作人员要求较高且操作过程较为消耗体力。农村灌溉用泵站整体自动化程度不高，更有一些泵站处于年久失修的状态并没有发挥泵站在农村灌溉抗旱方面的作用。由于泵站的操作人员多为当地的村民，对机械设备的操作流程不熟练、安全意识不足。操作不规范，容易造成设备损坏及引发事故。因此永州市水利局对辖区内的农村大型泵站进行了改造，从适应农村技术员操作角度搭建了自动控制系统对泵站内设备进行“一键启停”控制，实现泵站内设备标准化操作。从实现泵站设备远程控制与远程故障诊断的角度对泵站进行建设，以降低泵站管理难度，提升设备运行的稳定性与安全性。

1 国内外农村泵站控制研究现状

国内的农村泵站控制系统的运行现状一直处在较低的水平，普遍缺少自动化监控设施和基本的数字化、信息化手段，没有从简化操作、农业大数据互联、故障远程自诊断等方面开展研究。大部分泵站没有采取任何通信方式，也不具备远程控制的条件；有些泵站采用光纤专线的方式进行通信，通信稳定性、安全性可保障但建设成本高；还有少数泵站采用GPRS 数据通信方式，数据吞吐量有限，可靠性差，远程监控状态不稳定，通信延迟大，通信设备与通信模式均有待更新。

国外的泵站在运行、管理方面自动化程度较高的有美国、日本、荷兰等国[2]。就农村灌溉的泵站而言早已实现了自动化，一度朝智能化、无人值守化发展。在科学管水、科学节水方面早有相关的经验数据。但是国外泵站的自动化程度高，建造成本极高，适用于大型的水利工程项目，不适用于国内分散的农村泵站建设。

本研究主要从适应国内泵站控制与操作需求出发，进行泵站“一键式启动”控制方案的研究与实践，设计适合于农村人群操作的泵站控制系统，应用PLC技术对泵站设备进行自动控制，确立离心泵站自动控制流程。在引入主流的软启动控制技术在离心泵站中进行实践应用的同时，对农村离心泵站“灌引水”的方式进行测试，以获得离心泵站成功抽水的关键数据。

2 泵站控制系统的组成

按照水泵的类型分类泵站可以分为轴流泵站、离心泵站、潜水泵站[3]。如图1 所示离心泵站由离心泵、电动蝶阀、水环真空泵组成。离心泵负责将河道内的水输送至高处的灌渠对农作物进行灌溉。由电动蝶阀创造管道封闭环境，并负责对离心泵出口水量进行调整。因离心泵不具备自吸功能，需使用真空泵对蝶阀下端的管道进行抽真空。随着真空的抽取，管道与泵壳内填满了水，为离心泵的运行创造了条件。控制系统则负责按照设定的流程对泵站内的设备进行顺序控制。

图1 泵站控制系统的组成

3 离心泵站电气控制系统硬件设计

3.1 软启动

电动机启动的方式有全压启动、降压启动。全压启动时的启动转矩为正常转矩的1.2～2.0 倍，全压启动的电流是正常运行电流的4～7 倍。启动转矩大对机械部件的冲击也越大，启动电流越大将导致电机绕组发热严重绝缘性能受损。当变压器容量不能提供足够大的电流时，将导致电网电压急剧下降。而软启动是采用晶闸管调压控流技术，能够实现电机的平稳启动。尤其是在电机带负载进行突跳启动的场合，可实现良好的启动效果。在泵站设备领域可以应用软启动的软停车功能使电机逐渐降低转速停止，可避免水锤效应的产生。尤软启动的过电流、过载保护功能，能实现电机的短路保护和过载保护。

3.2 主电路设计

对离心泵站的主电路进行设计，如图2 所示。采用直接启动的方式对真空泵进行控制。因电动蝶阀为三相交流异步电机驱动，所以采用了正反转控制电路对其进行控制。采用了软启动器对离心泵电机进行降压启动。软启动采用二线制的方式进行控制，当中间继电器KA1 触点闭合则软启动运行，当KA1 线圈失电则软启动停止运行。软启动运行时先使用内部的晶闸管按照内置程序与启动曲线控制晶闸管调压输出。启动完毕后软启动的旁路输出点接通，控制KM4 旁路接触器接通电机则转为全压运行状态。

图2 离心泵站主电路

3.3 手动和自动控制电路设计

农村泵站通常位于较为偏僻的地区，所以手动控制模式设计为独立的控制模式。在自动控制系统故障的情况下仍可以使用现场就地控制柜按钮控制泵站内的设备。手动控制电路如图3 所示，手动模式时SA1-2 触点断开，SA1-1 触点接通。真空泵的启停受SB6 与SB7 控制，离心泵的启停受SB8 与SB9 控制，蝶阀的打开与关闭受SB11 与SB12 控制。蝶阀处于开到位时SQ2 断开，处于关到位时SQ3 触点断开。自动模式时SA1-1 断开，SA1-2 触点接通。自动模式下负载受KA6、KA7、KA9、KA10 控制。

图3 离心泵站手动控制电路

3.4 PLC 接线图设计

基于农村的使用环境与设备后续网络控制的需求，选用了S7200Smart-CR20 型的PLC 为自动控制器件。S7200Smart 系列PLC 支持工业以太网通信，其工作稳定可靠。应用PLC 对蝶阀开到位、关到位信号进行检测，实现蝶阀的开关控制。对真空泵与电动蝶阀的过载信号进行检测实现自动模式下蝶阀开关指示、与电机的过载保护。根据农村使用环境与特点，选用了电接点式真空表对管道真空度进行检测。输出部分使用中间继电器对各信号进行隔离，实现对PLC输出点的保护。如图4 所示。

图4 PLC 接线电路

4 系统软件设计

4.1 离心泵站自动控制流程

对离心泵站的控制操作方式进行调研，获取了泵站的控制流程。如图5 所示，按下启动按钮后系统执行启动程序：先控制蝶阀关闭，当蝶阀关闭到位后则启动真空泵对管道进行真空抽取。随着真空值的逐渐变小，河道中的水在大气压的作用下逐渐将蝶阀下端的泵体与管道填充满。通常液位高于离心泵泵壳的三分之二即可达到启动条件。通过对真空度进行检测，当达到设定真空值后软启动器运行控制离心泵启动。离心泵启动完毕后控制蝶阀开启，蝶阀开到位后需停止真空泵并关闭真空阀。此时离心泵将水从河道输送至灌渠。当按下停止按钮系统执行停止程序：PLC 控制蝶阀执行关闭程序，当蝶阀关闭至75%时再关闭离心泵可降低系统发生水锤效应的影响[4]。

图5 离心泵站控制流程

4.2 人机界面设计

使用了触摸屏对大型离心泵站的设备进行就地触控式操作，并将泵站内需要检测的运行与到位信号予以显示。工艺流程界面如图6 所示，按下触摸屏上的自动运行按钮，可以实现大型离心泵站的一键启动。当按下屏幕上的系统停止按钮可以实现系统的自动停机控制及设备的“软操作”，提升了设备操作的安全性[5]。

图6 人机界面

5 系统测试

5.1 测试方法

对泵站自动控制系统进行测试，其基础条件为：选择量程为-0.1～0 MPa 的电接点真空压力表为真空检测开关。真空泵与离心泵的转子转动灵活，各管道连接牢固且不漏气。泵站供电电压正常，电源相序正确。电动蝶阀处于关闭状态为真空的抽取建立必要条件。通过对电接点真空表的数值进行读取，并记录离心泵抽水成功与否的情况。确立系统抽取真空的调整范围及真空泵退出工作的时机，如图7 所示。

图7 系统抽真空测试

5.2 系统成功抽水条件测试

通过实验的方法对大型泵站的电接点真空表进行调整，实现自动抽水控制。通常系统真空度较高时，水环式真空泵会发出较为沉闷的声音。结合泵站操作人员的操作经验，真空泵发出较为沉闷的声音时观测到真空压力表的读数。如表1 所示，将电接点真空表调整至-0.06～-0.07 MPa 之间，达到设定压力后可以开启离心泵。确立了真空泵推出运行的条件为：蝶阀开到位后再停止真空泵，此时启动离心泵能自行建立真空实现正常抽水。受真空泵功率及管道密封性能影响，系统抽取真空的数值很难再小于-0.07 MPa。

表1 系统成功抽水条件测试情况

5.3 影响离心泵抽水失败的原因分析

对NJR2-D 型软启动参数进行设置，将软启动F13 参数设置为3，同时支持端子与通信控制。经过测试影响离心泵抽水失败的原因有：管道漏气、管道突出部分有空气存留区域、离心泵两端轴承的止水垫圈损坏等[6]。在泵站抽水前需要保证管道不漏气、离心泵轴承两端止水垫圈完好。管道安装时尽量避免突出部分存留空气，若不能避免则需要将真空抽吸管道连接至突出部分。让引水填满管道，减少管道中的空气余量提升启动成功率。

6 结语

应用PLC 技术对离心泵站内的蝶阀、真空泵、离心泵等设备进行了标准化控制，并实现了一键启停控制。在手动、自动模式下均可对泵站设备进行操控，实现了泵站设备操作的灵活性。尤其是独立于自动系统存在的手动控制模式，极大地提升了泵站操作的灵活性。可通过工业以太网接口对泵站开展远程控制，为泵站数字化控制提供网络基础条件。在PLC 与触摸屏自动控制的基础上开展泵站故障远程诊断与维修研究，将提升泵站故障自愈能力。通过实验获得了离心泵站成功启动的经验数据，可为后续的农村离心泵站设计提供参考。控制方案经济、可靠，适合于在农村大型泵站改造与控制系统设计中进行推广与应用。