盧泉澄，唐 宇，楊其鴻

基于PLC控制的離心泵自吸裝置的設(shè)計(jì)

盧泉澄，唐 宇，楊其鴻

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

為了解決離心泵在自吸過程中存在的吸上真空度低、易產(chǎn)生氣蝕等問題，通過在離心泵外部搭建管路改變結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)了一種新型的離心泵自吸裝置。該裝置采用了S7-200 PLC作為控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)離心泵及管路中電動(dòng)閥門的協(xié)調(diào)控制，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性，極大地提高了離心泵在操作過程中的使用效率，有效地解決了離心泵每次啟動(dòng)前的灌泵問題，避免了因氣體混入泵內(nèi)產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象。

離心泵；自吸；灌泵；PLC控制

離心泵在農(nóng)業(yè)灌溉、化工生產(chǎn)、城市排水等行業(yè)中起著重要的作用，而大部分的離心泵需要在其運(yùn)行前進(jìn)行灌泵，即把泵和進(jìn)水管內(nèi)充滿水[1]。目前，離心泵灌泵的方法有很多種，最為常見的是自吸泵灌水法，而現(xiàn)在市面上的自吸泵種類較多，但其共同點(diǎn)都是在灌泵時(shí)氣液混合入泵[2]，在泵體內(nèi)部進(jìn)行氣液分離，長(zhǎng)此以往，泵必將產(chǎn)生氣蝕，進(jìn)而阻礙泵的自吸速度，降低泵的吸上真空高度。

本文針對(duì)研制的基于PLC智能控制的離心泵自吸裝置，解決了離心泵每次啟動(dòng)前的灌泵問題，避免了因氣體混入泵內(nèi)產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象，吸水管路的底部無需安裝底閥，減少了因底閥而產(chǎn)生的水阻[3]；同時(shí)該裝置采用了PLC控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)離心泵的遠(yuǎn)程/就地切換、啟?？刂啤⒐收蠄?bào)警、壓力信號(hào)采集等功能，操作簡(jiǎn)單，大大地減少了人力勞動(dòng)，提高了工作效率。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

離心泵自吸裝置主要由引水管路、出水管路、射流管路、氣水分離管路四部分組成。它采用的是離心泵體外部射流自吸引水結(jié)構(gòu)，通過增設(shè)管路構(gòu)成泵體外部循環(huán)，利用射流管路內(nèi)形成的高壓水流經(jīng)射流器抽真空引水[4]，吸入管路中的氣體在氣水分離管路進(jìn)行分離，最后通過引水管路完成引水自吸的過程，該裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心泵自吸裝置總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

離心泵自吸裝置運(yùn)行前，首先關(guān)閉入口管路和出口管路中的電動(dòng)閥門，使氣水分離管路中的止回閥處于開啟狀態(tài)；啟動(dòng)離心泵，當(dāng)出口處的壓力傳感器檢測(cè)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)打開射流閥和引水閥，高壓流體經(jīng)過射流器，在射流的作用下卷吸混合腔內(nèi)的氣體，在噴嘴處形成負(fù)壓，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的作用下從水箱完成引水操作[5]；同時(shí)混合流體流入氣水分離器，氣水分離器將氣體分離排出，回流的液體從止回閥排入到入水管路；當(dāng)液位開關(guān)檢測(cè)到液體通過時(shí)，系統(tǒng)打開入口閥和出口閥，同時(shí)關(guān)閉射流閥和引水閥，液體流出回流至水箱，從而完成自吸過程，離心泵正常運(yùn)行工作。

1.3 自吸裝置的設(shè)計(jì)

離心泵自吸裝置是在普通離心泵的原有出水管路中，搭建了射流管路和氣水分離管路，與引水管路構(gòu)成一循環(huán)回路，完成了產(chǎn)生真空—?dú)馑蛛x—引水自吸等一系列過程。在射流管路中增設(shè)了一射流器，它主要是由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓管三部分組成[6]，高壓流體通過噴嘴時(shí)，會(huì)與周圍的流體產(chǎn)生壓差，根據(jù)卷吸作用造成進(jìn)水管路真空，在大氣壓的作用下實(shí)現(xiàn)泵的循環(huán)自吸功能。實(shí)踐表明：流體速越快，真空度越高，抽吸力越強(qiáng)。

與射流管路底部相串聯(lián)的為氣水分離管路，在該管路中增設(shè)了一氣水分離器，它的功能是把射流管路中排出的氣水混合物進(jìn)行分離[4,7]，由于水和氣體的比重不同，可使得混合物中的氣體從分離器頂部的排氣孔排出，水通過分離器底部排水孔排出，通過止回閥流進(jìn)泵的入口，從而完成回流。

1.4 裝置的特點(diǎn)

離心泵自吸裝置在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)如下：

(1)在普通離心泵的管路上加裝射流裝置

利用射流器卷吸作用造成進(jìn)水管路的真空狀態(tài)，繼而在大氣壓的作用下從水箱完成引水工作。

(2)在泵外部實(shí)現(xiàn)氣水分離功能

氣水分離裝置安裝在離心泵的泵體外部，這樣既可以充分分離氣體，又可以克服氣水混合物同時(shí)進(jìn)入泵體帶來的“吸上高度”低，解決了離心泵最容易產(chǎn)生的氣縛氣蝕問題。

(3)無底閥安裝降低水阻

底閥作為一個(gè)阻力元件，它會(huì)造成一定的水力損失影響泵的效率。在管路中采用無底閥的安裝結(jié)構(gòu)，自然會(huì)提高泵的自吸性能和效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型及控制方案

PLC作為該裝置的控制核心部分，所選用的PLC機(jī)型不僅要滿足系統(tǒng)需求及后期的軟件設(shè)計(jì)，還要考慮其性價(jià)比和維護(hù)擴(kuò)展的需要，綜合考慮后，選用西門子S7-200 PLC系列的AC220V供電、繼電器輸出的CPU 226 CN。

該裝置研究的是離心泵自吸過程中自動(dòng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)裝置上的I/O 點(diǎn)數(shù)的分析與統(tǒng)計(jì)，完成了PLC控制系統(tǒng)的硬件接線。由于采用的CPU 226 CN是一款緊湊型的PLC，它本身不具備模擬量采集功能，故需在CPU226 CN模塊上加入模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235，該擴(kuò)展模塊包括4路AI和1路AO[8]。該系統(tǒng)的控制方案框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制方案

2.2 設(shè)備的選型

離心泵自吸裝置硬件部分主要是由離心泵、電動(dòng)閥門、液位開關(guān)、壓力傳感器、斷路器、開關(guān)電源、PLC模塊、模擬量模塊、配電線纜及管路等組成，經(jīng)過調(diào)研分析后，確定了該裝置中所需設(shè)備的型號(hào)，統(tǒng)計(jì)后如表1所示。

2.3 I/O分配

I/O即系統(tǒng)的輸入/輸出端口。根據(jù)該裝置的操作原理及控制要求，對(duì)裝置上的I/O 的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)的DI信號(hào)共3個(gè)，DO信號(hào)共7個(gè)，1路AI信號(hào)[9]。整個(gè)系統(tǒng)的I/O分配表如表2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

根據(jù)控制方案的概述設(shè)計(jì)了本裝置的程序流程圖，如圖3所示。

表1 設(shè)備選型統(tǒng)計(jì)表

代號(hào)名稱主要參數(shù) P01離心泵DL2-130/1.5、揚(yáng)程94 m、流量5 m3/h EV01—05電動(dòng)閥門CWX15-N CR04（斷電復(fù)位）、AC220V供電 LLH液位開關(guān)DC24V供電、NPN型 PT01壓力傳感器兩線制4-20mA 、DC24V供電 QF斷路器額定電壓AC220V、脫扣等級(jí)10A UR開關(guān)電源S-250-24、輸出DC24V CPU226 CNPLC模塊24輸入/16輸出、可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊 EM235模擬量擴(kuò)展模塊4路AI、1路AO

表2 I/O分配表

類型位號(hào)名稱I/O 地址 數(shù)字量輸入LLH液位開關(guān)I 0.0 SB6系統(tǒng)運(yùn)行I 0.1 SB6故障處理I 0.2 數(shù)字量輸出EV01出口閥開/關(guān)Q 0.0 EV02入口閥開/關(guān)Q 0.1 EV03引水閥開/關(guān)Q 0.2 EV04射流閥開/關(guān)Q 0.3 EV05止回閥開/關(guān)Q 0.4 HL03液位報(bào)警Q 0.5 P01電機(jī)啟動(dòng)/停止Q 0.6 模擬量輸入PT01出口壓力傳感器AIW0

首先需要打開止回閥門，目的是保證水可以進(jìn)入水泵入口，因此才能使泵的出口壓力增加，之后壓力傳感器檢測(cè)壓力值是否達(dá)到了設(shè)定值。若未達(dá)到設(shè)定值，將延遲30 s停泵進(jìn)行故障處理；若達(dá)到了設(shè)定值將繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟，系統(tǒng)開啟射流閥和引水閥。液位開關(guān)檢測(cè)到液位是否通過，若未通過將延遲30 s停泵進(jìn)行故障處理；若檢測(cè)到液位通過時(shí)，系統(tǒng)開啟入口閥和出口閥，同時(shí)關(guān)閉止回閥、射流閥、引水閥，完成引水自吸過程。

3.2 梯形圖設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用STEP7-MicroWIN軟件編程，STEP7-MicroWIN是針對(duì)西門子S7-200 系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的編程軟件[10-11]。它的功能十分強(qiáng)大，操作也較為方便。根據(jù)手/自動(dòng)控制的方式選擇，編寫相應(yīng)的程序流程。首先在STEP7-MicroWIN中創(chuàng)建S7-200的站點(diǎn)，并在機(jī)架內(nèi)對(duì)CPU模塊、電源模塊、模擬量模塊等進(jìn)行硬件組態(tài)。然后采用模塊化的方式編寫梯形圖程序指令[12]，包含了主程序OB1和相應(yīng)的功能子程序FC。子程序FC的調(diào)用如圖4所示。

在OB1中共調(diào)用了5個(gè)FC子程序，分別包含了模擬量采集、動(dòng)作順序步、故障處理、系統(tǒng)初始化和故障報(bào)警。

圖3 程序流程

圖4 程序梯形圖

4 實(shí)驗(yàn)效果

離心泵自吸裝置的設(shè)計(jì)是以一實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)上的離心泵為依托，利用原實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)上的配套測(cè)試軟件完成了離心泵性能曲線測(cè)試。通過測(cè)試證明了該方案在自吸引水過程中是切實(shí)可行的。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到泵的出口壓力達(dá)到程序設(shè)定值時(shí)，能夠按照PLC程序進(jìn)行順序控制，穩(wěn)定地完成了離心泵的引水自吸工作，離心泵的性能曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示。而且當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到泵的出口壓力異?；虺鲈O(shè)定時(shí)，PLC觸發(fā)故障報(bào)警功能，并停止泵的運(yùn)行，有效地減低了事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

本文研制的離心泵自吸裝置是在普通離心泵的管路上加裝射流器和氣水分離器改建而成，并采用了PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離心泵的自吸過程控制，省去了每次啟動(dòng)泵前的灌泵環(huán)節(jié)，有效地避免了離心泵在實(shí)驗(yàn)過程中氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，減小了對(duì)葉輪的氣腐蝕作用，提高了裝置的使用壽命。同時(shí)在離心泵的進(jìn)口管路處無需安裝底閥，大大提高了泵的效率和自吸性能。該裝置優(yōu)化了泵的結(jié)構(gòu)，使泵的體積變小，操作也較為方便，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

圖5 離心泵性能曲線

[1] 康勇, 張建偉, 李桂水. 過程流體機(jī)械[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 陳玉婷. 淺談自吸泵的分類及選用[J]. 廣東化工, 2017, 44(18): 154-156.

[3] 周貴平. 射流式自吸離心泵的研究[D]. 江蘇: 江蘇大學(xué), 2006.

[4] 王維軍, 唐宇, 馬鴻, 等. 射流式自吸離心泵的設(shè)計(jì)與研究[J]. 裝備制造技術(shù), 2017(5): 32-34.

[5] 儀修堂, 蘭才有, 竇以松, 等. 內(nèi)混式自吸離心泵射流自吸裝置的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2006, 37(11): 1384-1388.

[6] Tang Y Z, Liu Z L, Li Y X, et al. Mixing process of two streams within a steam ejector from the perspectives of mass, momentum and energy transfer[J]. Applied Thermal Engineering, 2020(12): 1-13.

[7] 劉建瑞, 施衛(wèi)東, 孔繁余, 等. 射流式自吸離心泵的設(shè)計(jì)[J]. 水泵技術(shù), 2005(2): 14-17.

[8] 王秀麗. 智能斜井皮帶機(jī)給煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力學(xué)報(bào), 2017, 27(3): 230-232.

[9] 劉懷印. 盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

[10] 王曉東. 懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都: 電子科技大學(xué), 2013.

[11] 于治福, 李旭鳴, 商德勇, 等. 基于PLC的煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械, 2010, 31(1): 24-25.

[12] 梁鍵強(qiáng). 基站收發(fā)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2008.

Design of Self-priming Device of Centrifugal Pump Based on PLC Control

LU Quan-cheng, TANG Yu, YANG Qi-hong

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In order to solve the problems of low vacuum and easy cavitation in self-priming process of centrifugal pump, a new self-priming device of centrifugal pump was designed by setting up pipes outside the centrifugal pump to change the structure. The device adopts S7-200 PLC as the control system, which can realize the centrifugal pump and piping in the coordinated control of electric valve. It has a good stability and maneuverability, greatly improves the efficiency of centrifugal pump in the process of operation, effectively solves the problem of irrigation before each start of the centrifugal pump, and avoids the phenomenon of cavitation caused by gas mixing into the pump.

centrifugal pump; self-priming; irrigation pump; PLC control

10.15916/j.issn1674-3261.2022.01.009

TH311

A

1674-3261(2022)01-0047-04

2021-03-09

盧泉澄(2001-)，男，遼寧新民人，本科生。

唐 宇(1986-)，男，遼寧錦州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士。

責(zé)任編輯：陳 明