軟起動(dòng)控制裝置在串聯(lián)泵機(jī)組控制中的應(yīng)用

□李光輝 劉 波 周小波 蔣輝霞 陳亞丁

/1四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院 2合江縣農(nóng)機(jī)局

農(nóng)用提灌站軟起動(dòng)控制裝置作為一種交流電動(dòng)機(jī)的起?？刂蒲b置，具有起動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高的特點(diǎn)，在水泵機(jī)組的控制中發(fā)揮了重要的作用。本文結(jié)合合江縣銅釬灣提灌站改造實(shí)際案例介紹了軟起動(dòng)控制裝置在串聯(lián)泵機(jī)組控制中的應(yīng)用。

1 引言

銅釬灣提灌站位于四川省瀘州市合江縣望龍鎮(zhèn)，由于建站時(shí)間較早，機(jī)組老化失修，閥門(mén)、管路等銹蝕嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全隱患，急需對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。2012年2月，四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院機(jī)電灌溉研究所對(duì)該站進(jìn)行了實(shí)地查勘，優(yōu)化了改造方案，并全程參與了該站改造的技術(shù)指導(dǎo)，全部改造工作于2012年6月順利完成。由于該站在長(zhǎng)江邊取水，水位變幅大、揚(yáng)程高、管線(xiàn)長(zhǎng)，采用了水泵串、并聯(lián)技術(shù)，為了順利完成機(jī)組控制和狀態(tài)切換，控制系統(tǒng)采用了PLC與晶閘管軟起動(dòng)控制裝置相結(jié)合的方案。該站改造后，于2012年7月順利投入使用，在有效改善項(xiàng)目區(qū)生產(chǎn)生活用水條件的同時(shí)，通過(guò)項(xiàng)目的直接和間接帶動(dòng)作用，產(chǎn)生了顯著的效益。

2 方案優(yōu)化及技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2.1 方案優(yōu)化

原改造方案采用纜車(chē)式取水，沿用原水泵機(jī)組型號(hào)，僅對(duì)其進(jìn)行設(shè)備更新。

進(jìn)行實(shí)地查勘后，發(fā)現(xiàn)該站在長(zhǎng)江邊取水，水位變幅大、揚(yáng)程高、管線(xiàn)長(zhǎng)，確定水泵系統(tǒng)采用串、并聯(lián)技術(shù)，采用一級(jí)潛水泵與二級(jí)主泵串聯(lián)、兩組泵并聯(lián)安裝的方式，并采用潛水泵集成裝置的專(zhuān)利技術(shù)，避免水位變化對(duì)泵安裝高度產(chǎn)生影響，造成水泵吸不上水或者是被水淹沒(méi)，能防止水泵被人為破壞，且防淤效果良好。

控制系統(tǒng)采用PLC與晶閘管軟起動(dòng)控制裝置相結(jié)合的方案?？刂葡到y(tǒng)以PLC為智能控制單元，可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高控制系統(tǒng)可靠性，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制；軟起動(dòng)控制裝置采用一拖二的控制方式，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)軟起動(dòng)控制裝置逐步起動(dòng)兩臺(tái)水泵機(jī)組的功能，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，對(duì)電力變壓器及供電電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，工作過(guò)程可靠。

2.2 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

該提灌站灌區(qū)控制旱地面積約666.67hm2，設(shè)計(jì)取水位海拔201m，泵房海拔220m，出水口海拔347m，凈揚(yáng)程146m，管線(xiàn)長(zhǎng)度600m。原改造方案：安裝機(jī)電設(shè)備3臺(tái)套，裝機(jī)功率396kW，兩用一備，額定流量2×155m3/h，額定揚(yáng)程180m；優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改造方案：采用潛水泵與地面泵串聯(lián)、兩組泵并聯(lián)安裝的方式，安裝機(jī)電設(shè)備4臺(tái)套，裝機(jī)功率194kW，額定流量2×188m3/h，額定揚(yáng)程178m；改造方案技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

3 軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)

根據(jù)控制功能，進(jìn)行電氣原理（接線(xiàn)）圖設(shè)計(jì)，構(gòu)建軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以PLC為智能控制單元，采用一拖二的軟起動(dòng)控制技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)置“手動(dòng)∕定時(shí)”兩種工作模式，手動(dòng)模式下，用戶(hù)通過(guò)按鈕進(jìn)行起動(dòng)、停止操作；定時(shí)模式下，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的工作時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行起動(dòng)、停止操作。

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3.1 硬件系統(tǒng)主要架構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要包括：軟起動(dòng)控制器、PLC主機(jī)、流量開(kāi)關(guān)等。軟起動(dòng)控制器選用NJR75（一拖二），它用于一級(jí)潛水泵、二級(jí)主泵機(jī)組的起?？刂?。PLC主機(jī)選用DVP-24ES，接收起動(dòng)∕停止指令，執(zhí)行起動(dòng)∕停止動(dòng)作。液位控制器選用61F-G，用于檢測(cè)水位狀況，作為一級(jí)潛水泵、二級(jí)主泵起停的判斷條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行缺水保護(hù)。流量開(kāi)關(guān)選用VHS10，用于檢測(cè)二級(jí)主泵進(jìn)口處水量是否足夠，作為其起停判斷條件。數(shù)字式時(shí)間繼電器選用JS14P，用于設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)間，自動(dòng)進(jìn)行起動(dòng)、停止操作。硬件系統(tǒng)主要架構(gòu)如表2所示。

3.2 系統(tǒng)工作原理

僅以1#潛水泵與3#主泵串聯(lián)的軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)運(yùn)行條件滿(mǎn)足時(shí)，選擇手動(dòng)或定時(shí)模式，按下1#潛水泵起動(dòng)按鈕或通過(guò)數(shù)字式時(shí)間繼電器設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)間，1#潛水泵電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，當(dāng)符合旁路運(yùn)行條件時(shí)，1#潛水泵電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行；當(dāng)流量開(kāi)關(guān)檢測(cè)到3#主泵進(jìn)口處水量足夠時(shí)，按下3#主泵起動(dòng)按鈕或者自動(dòng)延時(shí)后，3#主泵電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，當(dāng)符合旁路運(yùn)行條件時(shí)，3#主泵電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行，1#潛水泵與3#主泵串聯(lián)運(yùn)行；按下3#主泵、1#潛水泵停止按鈕或者“定時(shí)”時(shí)間到，停止3#主泵、1#潛水泵。其主回路如圖1所示，控制回路如圖2所示。

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4 軟起動(dòng)控制軟件系統(tǒng)

根據(jù)控制功能，結(jié)合軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)電氣原理（接線(xiàn)）圖，劃分主要程序塊，編制PLC梯形圖程序。在進(jìn)行PLC機(jī)種設(shè)置及通訊設(shè)置基礎(chǔ)上，將PLC程序編譯后下載至PLC，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及測(cè)試。

4.1 軟件系統(tǒng)主要程序塊

軟件系統(tǒng)程序塊主要包括手動(dòng)和定時(shí)程序塊，它們分別包括：輸入塊、軟起動(dòng)塊、旁路塊、輸出塊等。根據(jù)手動(dòng)∕定時(shí)模式確定手動(dòng)∕定時(shí)程序塊，再根據(jù)輸入塊的手動(dòng)、定時(shí)、水泵起動(dòng)∕停止、液位正常、二級(jí)站水量足夠等指令、信號(hào)輸入，連接軟起動(dòng)塊，通過(guò)軟起動(dòng)標(biāo)志變量，先后對(duì)串聯(lián)水泵機(jī)組進(jìn)行軟起動(dòng)；符合旁路運(yùn)行條件，連接旁路塊，通過(guò)旁路標(biāo)志變量，先后將串聯(lián)水泵機(jī)組切換到旁路，全壓運(yùn)行；根據(jù)控制邏輯關(guān)系及變量，對(duì)應(yīng)連接輸出塊。

4.2 程序

僅以1#潛水泵電動(dòng)機(jī)的手動(dòng)起動(dòng)∕停止程序?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。定義X0、M0為手動(dòng)工作模式對(duì)應(yīng)變量，X2為1#潛水泵起動(dòng)變量，X3為1#潛水泵停止變量，X6、M20為1#潛水泵軟起動(dòng)（保持）對(duì)應(yīng)變量，M21為1#潛水泵軟起動(dòng)復(fù)位變量，M22為3#主泵軟起動(dòng)保持變量，M24為旁路信號(hào)變量，X7、M25為液位正常對(duì)應(yīng)變量，M28為1#旁路信號(hào)變量，M50為1#潛水泵軟起動(dòng)輸出對(duì)應(yīng)變量，M80為1#潛水泵運(yùn)行標(biāo)志變量，Y0為手動(dòng)輸出，Y2為軟起動(dòng)器輸出，Y3為1#潛水泵旁路輸出，Y4為1#潛水泵軟起動(dòng)輸出，其PLC梯形圖程序如圖3所示。

5 優(yōu)化改造方案的優(yōu)點(diǎn)

該提灌站的優(yōu)化改造方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

5.1 采用潛水泵與地面泵串聯(lián)取水的技術(shù)，取代了纜車(chē)式取水的方式

a）解決了因長(zhǎng)江取水水位變幅大、卷?yè)P(yáng)機(jī)拖拽纜車(chē)不安全、機(jī)組檢修困難等問(wèn)題；

圖1 軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)主回路圖

圖2 軟起動(dòng)控制硬件系統(tǒng)控制回路圖

圖3 1#潛水泵起動(dòng)/停止PLC梯形圖程序

b）解決了多級(jí)離心泵泵體震動(dòng)大，引起泵體與出口法蘭連接面震裂、軸承磨損加快的問(wèn)題；

c）解決了多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率相對(duì)低、檢修復(fù)雜的問(wèn)題。

5.2 使用QSXN排灌潛水電泵

a）采用內(nèi)置下吸式排水自冷結(jié)構(gòu)，水流從泵葉輪經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉流向電動(dòng)機(jī)外壁隔層，再?gòu)捻敳砍鏊诹鞒?。其?yōu)越獨(dú)特的使用運(yùn)行性能使得電泵抽水時(shí)，電機(jī)可露出水面長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；

b）潛水電泵葉輪用鍵固定在電泵軸上；

c）潛水電機(jī)下部裝有機(jī)械密封進(jìn)行密封，防止電機(jī)內(nèi)外介質(zhì)滲漏；電機(jī)內(nèi)部充滿(mǎn)潔凈的清水，用于冷卻電機(jī)和潤(rùn)滑導(dǎo)軸承，電機(jī)繞組采用尼龍護(hù)套防水電磁線(xiàn)，電機(jī)下部設(shè)有止推軸承結(jié)構(gòu)，與推力盤(pán)組成磨擦副，限制電泵軸上竄及承受軸向推力。

5.3 采用潛泵集成裝置取水的專(zhuān)利技術(shù)

a）有效的解決現(xiàn)有技術(shù)存在的泵站安裝高度受地形條件的限制的問(wèn)題；

b）有效地解決電機(jī)因周?chē)嗌秤俜e而燒毀，造成的潛水泵不能運(yùn)行的問(wèn)題，保證了抽水系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

c）裝置內(nèi)液體流態(tài)穩(wěn)定，有效的防止了氣蝕對(duì)水泵的破壞作用；

d）節(jié)約土建投資。

5.4 采用了智能軟起動(dòng)的專(zhuān)利技術(shù)，取代了自耦降壓起動(dòng)的方式

a）智能軟起動(dòng)在機(jī)組運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)流量、電流、電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)；

b）在水泵電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、缺相、過(guò)載、溫升異常等保護(hù)；

c）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的同時(shí)對(duì)電力變壓器及供電電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

5.5 采用了PLC作為系統(tǒng)的智能控制單元

a）通用性、適應(yīng)性強(qiáng)，具有完善的故障診斷能力、維修方便；

b）可靠性高、柔性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定；

c）程序設(shè)計(jì)方便靈活、編程簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高。

[1]周小波，劉波，李光輝，謝崇平．晶閘管軟起動(dòng)控制裝置在循環(huán)農(nóng)業(yè)泵站中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（2）：248～249．

[2]謝崇平，李光輝，曾文明，等．節(jié)電軟起動(dòng)裝置在農(nóng)村電力提灌站中的應(yīng)用[J]．四川農(nóng)機(jī)，2010（5）：38～40．