基于PLC控制的离心泵自吸装置的设计

卢泉澄，唐 宇，杨其鸿

基于PLC控制的离心泵自吸装置的设计

卢泉澄，唐 宇，杨其鸿

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）

为了解决离心泵在自吸过程中存在的吸上真空度低、易产生气蚀等问题，通过在离心泵外部搭建管路改变结构的方法，设计了一种新型的离心泵自吸装置。该装置采用了S7-200 PLC作为控制系统，可实现对离心泵及管路中电动阀门的协调控制，具有良好的稳定性和可操作性，极大地提高了离心泵在操作过程中的使用效率，有效地解决了离心泵每次启动前的灌泵问题，避免了因气体混入泵内产生的气蚀现象。

离心泵；自吸；灌泵；PLC控制

离心泵在农业灌溉、化工生产、城市排水等行业中起着重要的作用，而大部分的离心泵需要在其运行前进行灌泵，即把泵和进水管内充满水[1]。目前，离心泵灌泵的方法有很多种，最为常见的是自吸泵灌水法，而现在市面上的自吸泵种类较多，但其共同点都是在灌泵时气液混合入泵[2]，在泵体内部进行气液分离，长此以往，泵必将产生气蚀，进而阻碍泵的自吸速度，降低泵的吸上真空高度。

本文针对研制的基于PLC智能控制的离心泵自吸装置，解决了离心泵每次启动前的灌泵问题，避免了因气体混入泵内产生的气蚀现象，吸水管路的底部无需安装底阀，减少了因底阀而产生的水阻[3]；同时该装置采用了PLC控制系统，可实现离心泵的远程/就地切换、启停控制、故障报警、压力信号采集等功能，操作简单，大大地减少了人力劳动，提高了工作效率。

1 总体设计

1.1 总体结构

离心泵自吸装置主要由引水管路、出水管路、射流管路、气水分离管路四部分组成。它采用的是离心泵体外部射流自吸引水结构，通过增设管路构成泵体外部循环，利用射流管路内形成的高压水流经射流器抽真空引水[4]，吸入管路中的气体在气水分离管路进行分离，最后通过引水管路完成引水自吸的过程，该装置的总体结构如图1所示。

图1 离心泵自吸装置总体结构图

1.2 工作原理

离心泵自吸装置运行前，首先关闭入口管路和出口管路中的电动阀门，使气水分离管路中的止回阀处于开启状态；启动离心泵，当出口处的压力传感器检测到设定值时，系统打开射流阀和引水阀，高压流体经过射流器，在射流的作用下卷吸混合腔内的气体，在喷嘴处形成负压，在标准大气压的作用下从水箱完成引水操作[5]；同时混合流体流入气水分离器，气水分离器将气体分离排出，回流的液体从止回阀排入到入水管路；当液位开关检测到液体通过时，系统打开入口阀和出口阀，同时关闭射流阀和引水阀，液体流出回流至水箱，从而完成自吸过程，离心泵正常运行工作。

1.3 自吸装置的设计

离心泵自吸装置是在普通离心泵的原有出水管路中，搭建了射流管路和气水分离管路，与引水管路构成一循环回路，完成了产生真空—气水分离—引水自吸等一系列过程。在射流管路中增设了一射流器，它主要是由喷嘴、吸入室、扩压管三部分组成[6]，高压流体通过喷嘴时，会与周围的流体产生压差，根据卷吸作用造成进水管路真空，在大气压的作用下实现泵的循环自吸功能。实践表明：流体速越快，真空度越高，抽吸力越强。

与射流管路底部相串联的为气水分离管路，在该管路中增设了一气水分离器，它的功能是把射流管路中排出的气水混合物进行分离[4,7]，由于水和气体的比重不同，可使得混合物中的气体从分离器顶部的排气孔排出，水通过分离器底部排水孔排出，通过止回阀流进泵的入口，从而完成回流。

1.4 装置的特点

离心泵自吸装置在结构上的特点如下：

(1)在普通离心泵的管路上加装射流装置

利用射流器卷吸作用造成进水管路的真空状态，继而在大气压的作用下从水箱完成引水工作。

(2)在泵外部实现气水分离功能

气水分离装置安装在离心泵的泵体外部，这样既可以充分分离气体，又可以克服气水混合物同时进入泵体带来的“吸上高度”低，解决了离心泵最容易产生的气缚气蚀问题。

(3)无底阀安装降低水阻

底阀作为一个阻力元件，它会造成一定的水力损失影响泵的效率。在管路中采用无底阀的安装结构，自然会提高泵的自吸性能和效率。

2 系统硬件设计

2.1 PLC选型及控制方案

PLC作为该装置的控制核心部分，所选用的PLC机型不仅要满足系统需求及后期的软件设计，还要考虑其性价比和维护扩展的需要，综合考虑后，选用西门子S7-200 PLC系列的AC220V供电、继电器输出的CPU 226 CN。

该装置研究的是离心泵自吸过程中自动和手动控制系统的设计，通过对装置上的I/O 点数的分析与统计，完成了PLC控制系统的硬件接线。由于采用的CPU 226 CN是一款紧凑型的PLC，它本身不具备模拟量采集功能，故需在CPU226 CN模块上加入模拟量输入/输出扩展模块EM235，该扩展模块包括4路AI和1路AO[8]。该系统的控制方案框图如图2所示。

图2 系统控制方案

2.2 设备的选型

离心泵自吸装置硬件部分主要是由离心泵、电动阀门、液位开关、压力传感器、断路器、开关电源、PLC模块、模拟量模块、配电线缆及管路等组成，经过调研分析后，确定了该装置中所需设备的型号，统计后如表1所示。

2.3 I/O分配

I/O即系统的输入/输出端口。根据该装置的操作原理及控制要求，对装置上的I/O 的点数进行了统计，统计出现场的DI信号共3个，DO信号共7个，1路AI信号[9]。整个系统的I/O分配表如表2所示。

3 系统软件设计

3.1 程序流程图

根据控制方案的概述设计了本装置的程序流程图，如图3所示。

表1 设备选型统计表

代号名称主要参数 P01离心泵DL2-130/1.5、扬程94 m、流量5 m3/h EV01—05电动阀门CWX15-N CR04（断电复位）、AC220V供电 LLH液位开关DC24V供电、NPN型 PT01压力传感器两线制4-20mA 、DC24V供电 QF断路器额定电压AC220V、脱扣等级10A UR开关电源S-250-24、输出DC24V CPU226 CNPLC模块24输入/16输出、可连接7个扩展模块 EM235模拟量扩展模块4路AI、1路AO

表2 I/O分配表

类型位号名称I/O 地址 数字量输入LLH液位开关I 0.0 SB6系统运行I 0.1 SB6故障处理I 0.2 数字量输出EV01出口阀开/关Q 0.0 EV02入口阀开/关Q 0.1 EV03引水阀开/关Q 0.2 EV04射流阀开/关Q 0.3 EV05止回阀开/关Q 0.4 HL03液位报警Q 0.5 P01电机启动/停止Q 0.6 模拟量输入PT01出口压力传感器AIW0

首先需要打开止回阀门，目的是保证水可以进入水泵入口，因此才能使泵的出口压力增加，之后压力传感器检测压力值是否达到了设定值。若未达到设定值，将延迟30 s停泵进行故障处理；若达到了设定值将继续执行后续步骤，系统开启射流阀和引水阀。液位开关检测到液位是否通过，若未通过将延迟30 s停泵进行故障处理；若检测到液位通过时，系统开启入口阀和出口阀，同时关闭止回阀、射流阀、引水阀，完成引水自吸过程。

3.2 梯形图设计

本次设计采用STEP7-MicroWIN软件编程，STEP7-MicroWIN是针对西门子S7-200 系列PLC设计开发的编程软件[10-11]。它的功能十分强大，操作也较为方便。根据手/自动控制的方式选择，编写相应的程序流程。首先在STEP7-MicroWIN中创建S7-200的站点，并在机架内对CPU模块、电源模块、模拟量模块等进行硬件组态。然后采用模块化的方式编写梯形图程序指令[12]，包含了主程序OB1和相应的功能子程序FC。子程序FC的调用如图4所示。

在OB1中共调用了5个FC子程序，分别包含了模拟量采集、动作顺序步、故障处理、系统初始化和故障报警。

图3 程序流程

图4 程序梯形图

4 实验效果

离心泵自吸装置的设计是以一实验装置台上的离心泵为依托，利用原实验装置台上的配套测试软件完成了离心泵性能曲线测试。通过测试证明了该方案在自吸引水过程中是切实可行的。当系统检测到泵的出口压力达到程序设定值时，能够按照PLC程序进行顺序控制，稳定地完成了离心泵的引水自吸工作，离心泵的性能曲线及相关数据如图5所示。而且当系统检测到泵的出口压力异常或超出设定时，PLC触发故障报警功能，并停止泵的运行，有效地减低了事故的发生。

5 结语

本文研制的离心泵自吸装置是在普通离心泵的管路上加装射流器和气水分离器改建而成，并采用了PLC控制系统，实现了离心泵的自吸过程控制，省去了每次启动泵前的灌泵环节，有效地避免了离心泵在实验过程中气蚀现象的产生，减小了对叶轮的气腐蚀作用，提高了装置的使用寿命。同时在离心泵的进口管路处无需安装底阀，大大提高了泵的效率和自吸性能。该装置优化了泵的结构，使泵的体积变小，操作也较为方便，具有广泛的推广应用前景。

图5 离心泵性能曲线

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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

卢泉澄(2001-)，男，辽宁新民人，本科生。

唐 宇(1986-)，男，辽宁锦州人，实验师，硕士。

责任编辑：陈 明