基于PLC的多级离心泵的启停控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

离心泵是一种重要的能量转换装置，其吸入性能优良，现已广泛应用于各个领域。离心泵是储存和运输工程中的动力源，它控制简单，运转平稳，操作方便，便于维护，其在石油工业中拥有着非常重要的地位。但其使用效率问题却一直是泵设计人员十分关注的，因为离心泵是石油工业和化工工业主要的流体输送设备，离心泵的节能、安全与经济效益的提高，对节约能源和发展国民经济起着积极的推动作用，这也是本课题研究的背景所在。在现实中，大多数的离心泵在运行方面及实际生产中存在以下一些现象:(1)实际生活中，离心泵其实际工况常偏离其设计工况，使运行效率大大降低。(2)在大多数情况下，尤其是离心泵进出口压力经常改变的情况下，离心泵的运行效率都是比较低，造成了能源的大量浪费。(3)泵在启动后打开出口阀前，工作人员不能很好的评估泵内压力，这样对离心泵会有很大的损坏。

1.1 离心泵研究的发展历史和现状

1689年,法国物理学家巴涅完成了世界上第一台离心泵的设计。但是直到19世纪中叶，由于动力机械转速低、功率小，这种离心泵一直未能付诸实现。19世纪末期，小流量的活塞式泵远不能满足当时工业发展的需要，加上高转速的动力机械电动机和气涡轮的出现，才使得离心泵得到了广泛的应用。自二十世纪以来，离心泵以其结构简单，适用范围广，运转可靠，操作维修方便等优点广泛地应用到农田排灌、石油化工、动力工程、采矿和造船工业及航空航天等各部门^[2]。同时，离心泵又是一种耗能设施。据资料统计显示，我国建国以来建起的数万座泵站的用电量约占全国总用电量的15%-20%，耗电量巨大是可想而知的。然而绝大多数泵站因容量偏大，运行效率低，能源浪费也十分严重。装置效率普遍低于50%，远低于水利部颁布规定的55%。无用功率达泵站装机容量的30%-50%。试图通过新的水力模型或制造技术将效率从现有水平再提高1%也是非常困难的，但泵在运行时其效率下降10%以上却是常事^[6]。

1.2多级离心泵研究的目的和意义

2. 研究的基本内容与方案

1基本内容：硬件方面，对执行器，传感器，离心泵及PLC应用技术有一个认知，并根据要求及各模块功能完成系统硬件连接。

软件方面，熟知PLC编程方法，并根据要求完成编程。然后根据系统所要实现功能的要求完成调试。

最后软硬件相结合完成多级离心泵PLC控制系统设计。

2目标：对PLC及离心泵的应用技术有一个全面的认知且熟知其机能，对各执行器和压力变送器通晓其原理，并对其应用有一定了解和正确选型，其中所选压力变送器的参数如表1所示，在完成对各部分熟知的情况下将多级离心泵PLC启停控制系统设计出来，并使其能完成预期的任务。

表1.

测量范围	0-25MPa	输出形式	4-20mADC
测量精度	±0.5％F·S	测量介质	原油、水、天燃气
电气连接	接线端子	过程接口	M20×1.5外螺纹
外部零件材料	304/316L不锈钢	供电方式	DC24VDC(12V～32V)
介质温度	－20～85℃	负载能力	≤600Ω
过载压力	2倍量程	防护等级	IP65
工作环境	湿度5%RH～95%温度-20℃～ 60℃

3技术方案：针对以上任务及设计要求，和通过对各技术及器件的认知，我设计出以下两个方案：

方案一

图1. 基于PLC的离心泵启停控制系统方案一

如图1所示，利用我们实际生活中对离心泵的操作经验，在原有控制系统的基础上，增加一台DVP系列的PLC完成自动化工作。利用PLC中的时钟功能，首先利用PLC起动离心泵，然后PLC设定特定的时间，当达到时限时，打开出口阀。观察压力变送器的示值，直至压力达到预定值，通过变频器调节泵，达到恒压供水。同时PLC还实时监测缓冲罐中的水，防止水位过低时离心泵空转，和水位过高时溢出造成浪费。第二次按照同样的流程进行工作。以此达到离心泵启停控制系统设计的目的。

设计方案一的优缺点：是完全按照生活经验去进行设计。具有控制流程简单，节约经济，容易被操作人员理解和接受的优点。但存在以下几点不足：

该系统不能应对突发性工作，可靠性比较低。

（2）不能实现对缓冲罐中水位实时的监控，无法监测出口阀在打开前离心泵中水压的高低问题，当水压过低时，对泵的需求较大，可能得不到想要的结果，同时也会损坏泵；当水压过高时，对泵体及叶轮冲击较大，易损坏泵。

方案二

图2.基于PLC的离心泵启停控制系统方案二

如图2所示，本方案借助特有的出口阀及缓冲罐提出了设计方案，缓冲罐主要是对所输送的液体有一个缓冲和对泵输送液体的作用，而出口阀在离心泵启动停止前都需要关闭，因为开泵的过程中，电机在启动的那一瞬间，如果泵的出口开，出口流量很大，泵电机的电流是最大的，此时很容易引起电动机及线路过载而烧毁，因此，先开泵，后开阀，可以降低电机的启动电流，减少启动对管网的冲击；停泵的过程中，若先断电，一旦出口单向阀不起作用的话，就会造成泵的倒转，高压液体经出口阀急速回流，叶轮反转，而叶轮一旦反转，叶轮被帽就容易脱落，被帽脱落叶轮同样也会脱落。还造成泵的轴和密封在相反的两向扭矩作用下发生损坏，这在离心泵的操作中是不允许的。该方案中首先关闭出口阀，PLC启动泵，观察压力变送器的示值，当达到预定压力时，缓慢打开出口阀，在这过程中，当压力过于保护压力时，PLC停止离心泵运转 ，再观察压力变送器，直至压力达到预定值，然后通过变频器调节电机，达到恒压供水。同时泵在整个工作过程中，当缓冲罐中的液位低于极限值时，也将关闭离心泵^[15]。

设计方案二的优缺点：（1）本设计可以根据缓冲罐中的液位是否低于极限点及出口阀在打开前泵中的压力是否过于保护压力来控制离心泵的停止，这样可以很好的保护离心泵。（2）充分利用传统设备、节约投资。该系统只需在传统的设备基础上新增加压力变送器和一台可编程控制器，实现了对缓冲罐中的水的实时监控和对离心泵的保护，并充分利用了控制系统中的控制设备。（3）程序比较简单，容易实现，提高了系统运行的稳定性和可靠性。操作简单，降低了工作人员劳动强度。运行维护方便，节约了维护费用。

方案一与方案二比较，虽然也具有控制简单、投资少，检修维护方便等优点，但它不能做到实时监控，使系统的可靠性比较低。同时方案二还具有节能、能够实时监控、可靠性高和减少操作人员劳动强度等优点。其比较符合设计要求，故在此处选择第二套方案。

4技术路线及措施：

图3.技术路线图

技术路线：如图所示，首先根据离心泵的特点，主要为其内部压力特性的要求选择合适的压力变送器，考虑其内部压力特性的不稳定性可以选择量程较大的压力变送器，然后根据离心泵的压力特性选择合适的出口阀，根据管路所要达到的压力要求选择合适的压力变送器。根据负载查找合适的变频器，使变频器的额定电流大于泵电机的额定电流，考虑其稳定性可以选择功率比电动机略大的变频器。最后设计PLC控制系统的硬件，包括PLC选型、I/O的选配、其他元器件的选择。设计PLC控制系统的软件，包括PLC控制梯形图和指令语句表。

研究方法：观察法：对所用的仪器及设备进行实物观察及到现场进行实地观察；文献研究法:利用手上现有的工具如图书馆、互联网查阅相关书籍、文献和资料；实证研究法：利用PLC对控制程序进行仿真。积极与导师同学沟通，与导师探讨自己的想法。

3. 研究计划与安排

1．熟悉离心泵流量、压力特性，完成开题报告（3月13号）；

2．外文文献翻译一篇(不少于5000字）(3月20号)；

3．控制系统各传感器、执行器选型，完成系统硬件设计（4月10号）；

4．控制系统软件编程、调试（5月15号）；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]郑洪波，黄兆波，李文，侯银芳，杨雨，郑永春.基于plc、变频器gsm自动化供水系统的方案设计[j].西南给排水,2011,04:42-45.

[2]陈乃祥，吴玉林. 离心泵[m].北京:机械工业出版社，2003.

[3]郑亚红.图解plc梯形图[m].沈阳:辽宁科学技术出版社，2013.