基于PLC的螺杆泵监控系统研究.pdf

基 于 P L C 的 螺 杆 泵 监 控 系 统 研 究半 口邓鸿英 口柯愈龙 口张生昌 浙江T业大学 机械工程学院杭州3 1 0 0 1 4 摘 要 综合分析 了螺杆泵在 工业现场运行 中存在的问题 ， 提 出了解决策略。为 实现流量的 自动准确控制， 分析 了螺 杆泵流量转速 关系， 选择 了合适的控 制算法， 设 计了能够按照用户设 定流量运行的监控 系统 ．． 该 系统能够实时监控螺杆泵 轴承温度 、 机座振动 以及进 出17 压力等状 态参数 ， 同时还具有安全操作保 护功能 ， 提 高了螺杆泵的综合 性能 现 场试验 结 果表 明． 该 系统运行稳定可靠 ， 显 示直观 ， 操作方便 ， 节能效果显著。 关键词 螺杆 泵监控 系统人机界面P I C 中图分类号 T H 3 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 2 0 7 0 0 4 4 0 3 螺 杆 泵 属 一 种 容 积 式 转 子 泵 ．具 有 流 量 与 压 力 脉 动 小 、 白吸 能 力 强 、 能 输 送 高 黏 度 介 质 、 效 率 高 、 寿 命 长 等 优 点 ， 被 广 泛 应 用 于 各 工 业 生 产 部 门 “ ] 。 然 而 ． 目 前 国 内 对 螺 杆 泵 流 量 的 调 节 主 要 采 用 旁 路 回 注 法 ，不 但 劳 动 强 度 大 ， 而 且 浪 费 能 源 。 螺 杆 泵 的 流 量 计 量 仍 按 照 出 厂 试 验 性 能 曲 线 所 示 的 额 定 流 量 来 估 值 ．计 量 方 式 不 但 不 方 便 而 且 不 准 确 。螺 杆 泵 运 行 过 程 中 的 很 多 参 数 ． 如 轴 承 温 度 、 机 座 振 动 以 及 进 出 口压 力 等 都 是 反 映 螺 杆 泵 运 行 状 态 的 重 要 参 数 ， 实 现 这 些 参 数 的 实 时 监 测 ， 将 有 效 提 高 螺 杆 泵 的 工 作 可 靠 性 ， 而 目前 很 多 重 要 场 合 并 未 实 现 这 一 功 能 。螺 杆 泵 在 操 作 上 有 明 确 的 规 定 ， 人 工 执 行 这 些 操 作 时 效 率 低 ， 还 容 易 出 现 误 操 作 ， 引 起 螺 杆 泵 的 损 坏 ， 因 此 ， 开 发 自动 控 制 系 统 代 替 人 丁 操 作 很 有 必 要 。 电 机 作 为 螺 杆 泵 的 驱 动 设 备 ， 在 工 频 起 温州市科技局 重点科研项 目 编号 2 0 0 9 G 0 3 5 2 收稿 日期 2 0 1 2年 2月 *_ { ． 卜 *{ ． 一 一 { { }{ { 一*{ } 1 } } 斗}一*⋯ *_ { 十 一 { *{ ， } { } {} _* 一 音 - }{ 载 旋 转 时 。 两 个 码 盘 间 发 生 相 对 转 动 ， 并 通 过 光 电 开 关 进 行 测 量 。 光 电 开 关 将 测 量 所 得 脉 冲 信 号 输 入 到 F P GA 模 块 ， 并 在 F P GA模 块 中 对 脉 冲 信 号 实 现 量 化 ， 再 利 用 逻 辑 算 法 处 理 信 号 ．此 逻 辑 算 法 是 为 了 剔 除 实 验 过 程 中 由 于 光 电 开 关 发 生 温 度 漂 移 产 生 的 误 差 。 通 过 实 验 证 明 此 测 量 装 置 可 用 于 高 精 度 轴 系 扭 矩 测 量 ． 其 配 套 测 量 系 统 可 用 于 船 舶 轴 系 在 线 测 量 。 这 种 测 量 装 置 不 仅 适 用 于 在 线 监 测 船 舶 主 机 轴 系 扭 矩 ， 而 且 还 可 应 用 于 监 测 传 递 扭 矩 的 旋 转 机 械 工 作 状 态 ， 例 如 ， 发 电 机 系 统 和 风 力 发 电 机 的 轴 系 等 ， 它 是 一 种 非 接 触 式 监 测 大 范 围 、 高 速 率 、 大 功 率 机 械 系 统 的 新 方 法 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吕彩琴， 赵冬青． 发动机转速与扭矩测量系统设计 [ J ] ． 机械 工程与 自动化 ， 2 0 0 9 6 1 4 2 1 4 4 ． 2 0 1 2 ／ 7 动 时 ， 起 动 电 流 和 力 矩 都 很 大 ， 不 仪 对 电 网造 成 影 响 ， 而 且 对 螺 杆 泵 和 电 机 的 冲 击 都 很 大 ，极 大 地 降 低 了 螺 杆 泵 和 电 机 的 使 用 寿 命 ． ． 基 于 以 上 现 状 。 本 文 旨 在 设 计 基 于 P L C 的 螺 杆 泵 监 控 系 统 ． 以 实 现 流 量 自动 的 调 节 和 显 示 ； 泵 进 出 口压 力 、 轴 承 温 度 、 机 座 振 动 状 况 等 T 作 参 数 的 实 时 监 控 ， 同 时 实 现 变 频 软 起 动 和 软 停 车 ， 还 具 有 启 动 、 运 转 、 停 车 的 安 全 操 作 控 制 功 能 ． 有 效 地 提 高 螺 杆 泵 的 综 合 性 能 。 1 流量控制分析 1 ． 1 流 量 控 制 原 理 与 叶 片 泵 下 降 很 快 的 扬 程 流 量 曲线 相 比 ， 螺 杆 泵 的 流 量 随 压 力 的 改 变 量 很 小 ， 这 就 使 螺 杆 泵 无 法 采 用 排 出 阀 门 调 节 流 量 ． 只能 采 用 旁 路 回注 法 或 改 变 转 速 法 。旁 路 回 注 法 简 单 经 济 ， 但 是 这 种 方 式 浪 费 能 源 ， 而 且 调 节 不 准 确 ， 无 法 获 得 实 时 流 量 值 。 基 于 此 ， 本 文 采 *** ～{ }*{．} *{ } l } }} { } { ． } *****{ l} * } { }** [ 2 ] 王岩 ， 储江伟． 扭矩测量方 法现状及 发展趋势 [ J ] ． 林 业机 械与木1 二 设备 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 1 1 4 1 8 ． [ 3 ] 朱启荣， 杨 国标． 基于电阻应变计 的扭矩测量 系统设计 [ J ] ． 实验技术与管理 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 5 8 5 9 ． f 4 ] 文西芹． 张永 忠， 刘成 文．基 于磁 弹性 效应 的磁 头型扭矩 传感器[ J ] ． 化工矿物与加工 ， 2 0 0 3 8 1 7 2 O ． 『 5 ] 黄震， 刘彬， 董全林． 基于激光 多普 勒技 术扭 振测量的研究 [ J ] ． 光学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 6 1 6 3 ． 『 6 1 邹春平 徐筱欣， 方开翔． 船舶 推进轴系扭振激光测试技 术 [ J ] ． 江苏船舶 ， 1 9 9 5 ， 1 4 4 3 7 4 0 ． 『 7 ] 李娜娜 吴伯农， 于鹏． 采 用光电方式测量转轴扭矩 的原理 研究 [ J ] ． 光机电信息 ， 2 0 0 8 1 0 4 5 5 0 ． [ 8 ] 单辉祖， 谢传锋． T程力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 00 4． 编 辑 凌 云 机械制造 5 0 卷 第 5 7 5 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 用 转 速 调 节 法 。 该 方 法 可 以 实 现 无 级 转 速 ， 因 而 流 量 调 节 比较 准 确 。 同 时 该 方 法 节 能 效 果 很 好 。 为 准 确 根 据 转 速 调 节 流 量 ． 需 要 得 到 螺 杆 泵 的 流 量 与 转 速 关 系 函数 。 本 文 以 G8 5 1型 单 螺 杆 泵 为 研 究 对 象 ，理 论 上 ， 单 螺 杆 泵 的 流 量 9具 有 以 下 关 系 式 ’ Q 9 6 0 e Rt n r l 1 式 中 e为 偏 心 距 ， m； R 为 螺 杆 断 面 圆 半 径 ， r n； 为 螺 距 ， m； n为 转 速 ， r ／ rai n； 7 为 泵 的 容 积 效 率 ，其 值 一 般 取 0 ． 6 5 加 ． 8 5 ， 泵 的 全 压 力 低 、 输 送 介 质 黏 度 大 、 值 大 时 ， 叼 取 大 值 。可 知 ， 单 螺 杆 泵 的 容 积 效 率 与 泵 的 压 力 有 关 ， 不 是 恒 定 的 ， 在 低 压 时 ， 容 积 效 率 高 ； 高 压 时 容 积 效 率 低 。 在 额 定 压 力 下 。 容 积 效 率 也 不 是 完 全 固 定 的 ， 与 螺 杆 泵 的 工 况 存 在 很 大 关 系 。 另 外 ， 在 相 同 的 压 力 下 ， 单 螺 杆 泵 的 容 积 效 率 随 转 速 的 提 高 而 升 高 。 所 以 单 螺 杆 泵 流 量 与 转 速 不 是 完 全 的线 性 关 系 ，需 要 采 取 合 适 的 方 式 描 述 它 们 之 间 的关 系 函 数 ，这 是 本 系 统 实 现 流 量 自动 控 制 的 前 提 。 1 ． 2 流 量 与 转 速 数 学模 型 分 析 为 描 述 单 螺 杆 泵 流 量 与 转 速 关 系 ．首 先 需 要 得 到 单 螺 杆 泵 流 量 与 转 速 对 应 数 据 ， 采 用 试 验 的 方 法 ． 在 一 个 较 大 的 流 量 调 节 范 围 内 测 试 数 据 。表 1是 G8 5 一l型 单 螺 杆 泵 的 测 试 数 据 。 表 1 流量转速关 系数据 转速／ r rai n 流量／ m h 转速／ r mi n 流量／ m。 h 1 2 9 7．5 2 5 8 2 4 1 4 5 8 ．0 2 9 0 2 7 ． 5 1 61 1 0．5 3 2 2 3 0 ． 5 l 8l l 3 3 62 3 4 2 0 4 1 6 4 08 3 9 2 3 0 2 0 4 5 0 4 3 对 以上 1 2组 数 据 进 行 拟 合 ． 得 到 的 流 量 转 速 关 系 函 数 为 Q O ． 1 1 4 6 n - 7 ． 2 2 6 3 2 从 图 1可 看 出 ，拟 合 出 的直 线 不 可 能 经 过 每 一 个 实 测 点 ， 按 此 线 性 函数 编 写 的 程 序 算 法 ， 将 会 导 致 在 中 机械制造5 0 卷 第5 7 5 期 间 的 一 段 流 量 区 间 内存 在 着 较 大 误 差 的现 象 。 经 计 算 ， 在 转 速 为 2 5 8 r ／ mi n时 ， 按 此 算 法 得 到 的 流 量 将 是 2 2 ． 4 m3 ／ h， 与 实 测 流 量 存 在 的误 差 率 为 6 ． 7 ％ 。 为 提 高 流 量 的 控 制 精 度 ，对 测 试 数 据 采 用 分 段 拟 合 的 方 式 。 将 以 上 数 据 按 流 量 范 围 分 为 3组 ． 第 一 组 流 量 范 围 是 7 ～ 1 5 ma ／ h， 经 拟 合 得 到 的 函数 关 系 式 为 Q O ． 1 1 1 2 一 7 ． 3 7 2 6 3 第 二 组 流 量 范 围 是 1 5 ～ 2 8 m3 ／ h，经 拟 合 得 到 的 函 数 关 系 式 为 Q O ． 1 3 4 1 n 一 1 1 ． 0 5 1 4 第 三 组 流 量 范 围 是 2 8 ～ 4 5 mT h。经 拟 合 得 到 的 函 数 关 系 式 为 q 0 ． 0 9 8 9 ～ 1 ． 5 1 4 5 5 同 样 ， 以 2 5 8 r ／ rai n为 例 ， 它 对 应 的 流 量 范 围 应 该 是 第 二 组 ， 以 式 4 计 算 得 到 的 流 量 为 2 3 ． 5 m3 ／ h， 与 实 测 流 量 存 在 的 误 差 率 仅 为 2 ． 1 ％ 。 从 以上 分 析 可 知 ， 采 用 分 段 拟 合 的 方 式 ， 使 误 差 率 大 大 降低 ， 将 有 效 提 高 流 量 的 控 制 精 度 。 2系统功能分析 2． 1流 量 控 制 功 能 本 系 统 开 发 了 总 流 量 和 瞬 时 流 量 输 送 功 能 ， 当 用 户 设 定 了 螺 杆 泵 的 运 行 流 量 后 ，系 统 根 据 流 量 转 速 关 系 函 数 计 算 出 工 作 转 速 ，再 通 过 变 频 器 控 制 减 速 电 机 的转 速 ， 从 而 实 现 了流 量 的 自动 调 节 。 同 时 根 据 系 统 的 工 作 时 间 ， 计 算 累 计 输 送 的 流 量 并 显 示 。 2 ． 2状 态 监 控 功 能 对 轴 承 温 度 、机 座 振 动 以及 进 出 口压 力 等 状 态 参 数 的 监 控 ， 对 于 提 高 螺 杆 泵 的 工 作 可 靠 性 非 常 重 要 。 本 系 统 采 用 P L C 的 模 拟 量 模 块 采 集 各 路 状 态 参 数 ， 通 过 设 置 合 适 的 阈 值 来 评 估 螺 杆 泵 的 工 作 状 态 ，其 判 断 准 则 是 若 某 一 个 或 多 个 特 征 参 数 超 过 阈 值 时 ． 则 认 为 螺 杆 泵 系 统 异 常 ， 需 要 及 时 报 警 停 机 ， 保 护 系 统 的安 全 。 2 ． 3软 起 动 和 软 停 车 功 能 鉴 于 工 频 起 动 的 缺 陷 ，本 系 统 充 分 利 用 变 频 器 的 软 起 动 和 软 停 车 功 能 。 在 程 序 中 需 要 设 定 一 个 最 佳 启 动 频 率 ， 然 后 再 升 速 至 工 作 频 率 。 这 里 需 要 选 择 合 适 的 频 率 加 速 方 式 和 加 速 时 间 ，使 频 率 与 电 机 的 实 际 转 速 相 适 应 ， 以 防 发 生 过 电 流 ； 电 动 机 在 减 速 运 行 期 间 ， 变 频 器 处 于 再 生 发 电 制 动 状 态 ． 同 样 需 要 设 定 减 速 方 式 和 减 速 时 间 以 防 止 直 流 回路 电压 过 高 。 2． 4安 全 操 作 功 能 为 了防止 误操 作 ，本系 统将 采用 电磁 阀等 自动 装 置 代 替 人 工 操 作 。起 动 时 ， 系 统 控 制 吸排 电 磁 阀 全 开 ， 防 止 过 载 或 空 吸 。 为 减 小 电 机 的 起 动 负 荷 ． 在 起 动 时 系 统 将 自动 打 开 装 置 管 路 上 的旁 路 回 注 阀 。 2 0 1 ， 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 监控 系统软硬 件设计 3 ． 1硬 件 选 择 1 可 编 程 控 制 器 。选 用 西 门 子 的 S 7 2 0 0系 列 P L C， 该 系 列 P L C 具 有 结 构 紧 凑 、 功 能 强 大 、 可 靠 性 高 等 特 点 ， 广 泛 地 应 用 于 工 业 自动 化 领 域 ， 同 时 选 用 配 套 的模 拟 量 输 入 和 输 出 模 块 ，用 于 实 现 模 拟 量 的 采 集 和 输 出 。 2 变 频 器 。 选 用 西 门 子 公 司 的 通 用 变 频 器 MM4 4 0， 该 变 频 器 具 有 效 率 高 、 控 制 精 度 高 特 点 ， 同 时 控 制 方 式 多 样 化 。 本 系 统 采 用 模 拟 量 控 制 的方 式 来 改 变 变 频 器 输 出 频 率 。 3 人 机 界 面 。 选 用 西 门 子 公 司 生 产 的 触 摸 屏 S MART 一 7 0 0， 该 触 摸 屏 性 价 比很 高 ， 结 合 组 态 软 件 ， 很 容 易 实 现 生 产 过 程 监 控 。 3． 2硬 件 设 计 硬 件 系 统 结 构 如 图 2所 示 ，通 过 传 感 器 获 取 螺 杆 泵 的 状 态 参 数 ， 送 入 可 编 程 控 制 器 进 行 数 据 处 理 ， 触 摸 屏 实 时 显 示 各 参 数 ， 同 时 接 受 指 令 完 成 流 量 控 制 。 报 警 装 置 在 待 测 参 数 超 过 设 定 值 时 及 时 报 警 ．从 而 保 护 装 置 的 安 全 。 电 磁 阀 能 减 少 因 误 操 作 导 致 的 高 故 障 率 ， 提 高螺 杆泵 的 可靠性 。 3 ． 3软 件 设 计 本 系 统 开 发 使 用 的 编 程 软 件 是 西 门 子 公 司 的 S T E P 7 Mi c r o ／ Wi n V4 ． 0。 编 程 语 言 使 用 梯 形 图 。 系 统 的 主 程 序 流 程 如 图 3所 示 ． 主 要 由初 始 化 程 序 、 数 据 采 集 程 序 、 流 量 计 算 与 显 示 程 序 等 组 成 。 3 ． 4人 机 界 面 设 计 人 机 界 面 采 用 西 门 子 的 Wj n C C fl e x i b l e组 态 软 件 进 行 设 计 ， 该 软 件 基 于 W i n d o ws操 作 系 统 ， 广 泛 应 用 于 过 程 通 信 和 过 程 可 视 化 。整 个 系 统 的人 机 界 面 主 要 分 为 主 控 界 面 和 监 控 界 面 ， 系 统 状 态 参 数 监 控 界 面 如 图 4所 示 。 4结论 该 监 控 系 统 已在 某 工 业 现 场 投 入 使 用 ，运 行 稳 定 } 2 0 1 2 ／ 7 l 开始 ] _ 一 ／ 系统初始化 上 状态参数采集 标度变换 1 k 一 、 V 流量控制程序 一 、 束 ● - _ ▲图 } 主 i f L 图 I 8 i 自 l艇 I j I OO0 O．OO 000． O l 1 ． l g _ O O O 0 O O 0 ． O O 0 ． O 0 { O ． O O O O 0 0 O l 嚣 -H■■自■■■■__■■ ～ 一 _ l l _ 目 O ． 0 O 0 O O O ． O O I 嘲 黼鼎螭嘲穗嘲蝴 l 一 一 一 一 ▲ 图 4 } 玎 可 靠 ， 操 作 简 单 方 便 ， 参 数 显 示 准 确 直 观 ， 节 能 效 果 显 著 ， 达 到 了预 期 的设 计 目标 。 参 考 文 献 林 洪义． 回转式容积泵理论 与设计 [ M] ． 北京 兵器工业 出 版社 ． 1 9 9 5 ． 丁斗章． 变 频调速技术 与系统应用 [ M] ． 北 京 机械 工业 出 版社。 2 0 0 5 ． 刘 华波． 西 门子 S 7 2 o 0 P L C编程 及应用 案例精选 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版社。 2 o O 5 ． 何希 杰， 劳 学苏 ． 螺杆 泵 现状 与发 展趋 势 [ J ] ． 水泵 技 术 ， 2 0 0 7 5 1 5 ． 徐军， 赵雪飞， 张飞剑， 等． 嵌入 式螺杆泵工况 监测系统 [ J ] ． 控制工程 2 o 1 0 ， 1 7 4 5 5 7 5 6 0 ． 周勇， 靳海鹏 马海骄． 变频器在地面驱动 螺杆 泵中 的应用 [ J ] ． 石油学报， 2 0 0 3 ， 2 4 6 9 4 9 7 ． 编 辑 小 前 杌械制造5 o 卷 第5 7 5期 l一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m