大型泵站拍门缓冲装置控制系统设计开发

孙文博，李辛沫，陈军，杨开好，耿爱农

（1.五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529020；2. 广东尚沃流体机械有限公司，广东 佛山 528200）

0 引言

所有泵站均需配置拍门截流闭锁装置，以防止机组停机时发生回水倒流导致电动机逆转而造成损坏。显然，在水压和自重作用下，拍门闭合时会产生很大的撞击力，由此极易对拍门乃至泵站设施造成破坏[1-3]。因此，布局在泵站出水端处的拍门都需配备缓冲装置。现有的拍门缓冲技术及手段很多，对于小的泵站采用纯粹的机械式缓冲即可获得好的综合效果，既能满足缓解拍门撞击需求，又能兼顾节约成本。但对于大型泵站来说，保护电动机安全和保证正常生产是第一位的，故几乎都是采用机电液一体化联合控制的方式来施行拍门缓冲。

本文对某承担向香港供水任务的大型泵站的拍门截流闭锁装置进行设计，研发出50 kN三倍率液压启闭式拍门装置及其拍门缓冲系统，采用包括主液压油缸末端行程缓冲原理及结构、液压集成系统各阀组逻辑节流调控策略等，有效满足了客户提出的分段缓冲、限时缓冲及分速缓冲的拍门缓冲要求。而且设计了基于PLC管理的电气系统来控制上述拍门启闭及缓冲系统，简化了变速缓冲控制流程，借助PLC[4-5]使拍门的操控变得更加可靠，也便于今后按需变更缓冲策略，为实现人机交互及智能化管控提供了一个坚实基础。

1 拍门启闭及缓冲液压系统

拍门启闭及其缓冲装置的液压系统如图1所示。电气系统通过软启装置启动电动机4，电动机带动油泵5，液压油经过滤网2被泵入液压系统，液压系统中液压油的压力显示在液压表6中，液压系统中液压油1的压力可以通过溢流阀8调整。油液的流向由液压元件控制，而液压元件中的换向阀和插装阀则由PLC控制，进而可控制装置的运行，并带动拍门完成不同的动作。由PLC控制的液压系统具有明显的优越性[6-7]，既可增强液压系统的稳定性，又可延长液压设备的使用寿命。

图1 拍门液压控制回路

泵站机组运行的同时，缓冲装置相应地做出控制拍门的开启、关闭、保持等动作，此时对应液压系统中液压元件的运行状态如表1所示。

表1 液压元件动作表

2 PLC控制系统

2.1 PLC控制系统框图

对PLC控制的液压拍门缓冲装置进行分析及模块化后，可得到图2所示的系统框图。

图2 PLC控制系统框架

2.2 输入和输出地址分配

通过对图2中PLC控制系统框图的分析可以发现，PLC控制系统的主要硬件是PLC和行程开关。根据拍门启闭的控制要求可知，该PLC至少具备24个输入点、9个输出点，输入、输出口的具体功能分配如表2所示。

表2 拍门液压控制系统的I/O分配

2.3 硬件接线图

PLC选用西门子公司的S7-200SMART，其中CPU型号为SR40。根据上述目标泵站对拍门控制系统的具体控制要求、负载情况及输入输出分配特性，可以得到PLC外部硬件接线图，如图3所示。

图3 控制系统硬件接线图

2.4 控制流程

为了便于编写PLC控制程序，根据拍门缓冲装置的运行状况，可绘制出图4所示的控制流程图。根据该控制流程图，用STEP 7-MicroWIN SMART软件编写拍门缓冲装置液压控制系统的梯形图。为了使控制程序能够结构化，可以将拍门液压控制系统分成多个符合工艺控制规律的子功能块——上电自检、现地启停油泵、现地启门、现地闭门、远程联锁等，分别进行编写，控制系统结构化以后，在编辑、调试、修改等方面都会变得更加方便，然后由主程序调用子程序来控制拍门缓冲装置。

图4 PLC控制流程图

3 结语

本文根据某大型泵站拍门装置对闭门缓冲控制的要求，以PLC作为控制核心器件，设计开发了一套自动控制系统，该控制系统能够按照拍门缓冲的要求，操控拍门液压系统做出相应的逻辑运行动作，包括手动、有线连锁、上位机通过PLC控制等3种控制方式，对拍门的闭合能够很好地施以预设计划的缓冲，包括分段、分时和分速的缓冲策略。此外，所配置的触摸屏还可以将缓冲装置的运行可视化，并能够方便地修改控制系统参数，以适应不同规格的拍门缓冲操控。泵站的上位机也可通过该控制系统监控缓冲装置的运行状态。现场实机使用表明，该拍门缓冲液压控制系统运行稳定可靠，满足了客户提出的安全启闭及分段、分时变速闭门缓冲的需求，说明该设计是成功的。