基于PLC的离心泵自动化监控系统故障判定与响应策略

基于PLC的离心泵自动化监控系统故障判定
与响应策略
张强1陈肖1傅小明1张开勇2
(1.江苏财经职业技术学院 江苏淮安 223001; 2.江苏岚江科技有限公司
江苏南京 210000)
摘要：以PLC为控制单元的离心泵自动控制系统被广泛应用于水利、化工等行业，因受到设备、环境因素影响，系统在按自动化程序执行离心泵组启停控制过程中常出现故障现象。

该文总结分析了常见故障出现的位置与原因，根据其表现与特点确定监测量，并进一步探索离心泵自动化监控系统故障判定与响应策略，同时设计了部分以西门子系列PLC为控制核心的策略程序，实践表明：该策略下的系统能够对故障快速响应、归类，能够有效保障泵组安全运行。

关键词：离心泵 自动控制系统 故障判定 PLC 响应策略
中图分类号：TP27文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)17-0083-04
Fault Determination and Response Strategies of the Automatic Monitoring System of Centrifugal Pumps Based on PLC
ZHANG Qiang1CHEN Xiao1FU Xiaoming1ZHANG Kaiyong2
(1.Jiangsu Vocational College of Finance & Economics Huai'an,Jiangsu Province,223001 China; 2.Jiangsu Lanjiang
Intelligent Technology Co.,Ltd., Nanjing, Jiangsu Province, 210000 China)
Abstract: The automatic control system of centrifugal pumps with PLC as the control unit is widely used in water conservancy, chemical industry and other industries. Due to the influence of equipment and environmental factors, the system often fails in the process of executing the start-stop control of the centrifugal pump set according to the automatic program. The article summarizes and analyzes the location and causes of common failures, determines the monitoring amount according to their performance and characteristics, further explores the fault determination and response strategy of the automatic monitoring system of centrifugal pumps, and designs some strategy programs with Siemens series PLC as the control core. Practice shows that the system under this strategy can respond and categorize
faults quickly and effectively guarantee the safe operation of pumping sets.
Key Words: Centrifugal pump; Automatic control system; Fault determination; PLC; Response strategy
随着控制理论、自动化技术以及传感检测技术的发展，现代离心泵泵站系统的运行模式已由原始的人工监测、手动操作逐步向集中控制、自动控制转变。

在离心泵机组运行过程中，自动控制系统能够实时监测
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2306-5042-6138
作者简介： 张强（1993—），男，硕士，助教，研究方向为传感器与自动化设备。

陈肖（1996—），男，硕士，助教，研究方向为自动控制算法。

傅小明（1972—），男，博士，教授，研究方向为机械结构优化。

泵组运行参数，控制泵组运行状态，提高其运行效率。

但由于离心泵控制系统结构的复杂性、工作环境的特殊性，以及控制方式的多样性，自动控制系统在运行过程中常会出现故障而影响系统的安全稳定，因此，在自动控制系统的基础上，依靠数据信息、逻辑控制程序，开发完善的监控报警体系，及时发现安全问题、快速做出响应，是科技发展的重要研究课题之一。

1 离心泵运行与监控系统
1.1 离心泵的运行系统
离心泵的运行系统主要由离心泵泵体、电机、进出水管路、阀门、灌泵机组、电源柜等构成，启泵流程如下：首先，开启灌泵机组；其次，在离心泵进入满水状态后，关闭灌泵机组同时开启离心泵电机；最后，打开出水口闸阀，完成启泵。

其中，灌泵机组为由水环真空泵、球阀、真空管路等组成的真空泵系统，主要功能为使离心泵内形成负压，带动水体充满泵体。

关泵时为避免出现水锤现象，不能直接关闭离心泵电机，应在其开启状态下首先切断出水通道，即关闭闸阀，最后关闭水泵电机，完成关泵[1]。

1.2 离心泵自动化监控系统
离心泵自动化监控系统主要由可编程逻辑控制器（PLC）、电动阀门、传感器、综合配电柜等组成，主要功能是对离心泵、电机、水闸、阀控设备、传感设备、泵组辅助设备、供电设备等关键组成部分的数据进行获取、传输、显示，并能通过控制信号与逻辑指令实现对泵站设备的远程控制、自动化运行[2]。

2 故障类型剖析
离心泵组故障一般包括两个方面：一方面是由于离心泵的工作环境条件不正常，另一方面是系统自身连续工作过程偏离控制区间导致失控，复杂的结构也决定了其共有故障具有随机性和多层次性等特点[3]。

按照故障在泵组系统中出现的位置，可以将故障类型总结如下。

2.1 阀门故障
阀门故障主要表现在阀门的运行状态与其对应的控制逻辑不一致。

电动阀门的控制信号由PLC发出，而执行过程为阀门电机和机械结构。

电动阀门设备在长期运行过程中常出现的故障为关闭不严、漏水、开度不全。

在长期运行下，阀门阀芯密封面磨损严重导致阀门阀杆与阀座位置发生变化使密封圈失去密封作用[4]。

电动阀门的传动机构也有因为止推轴承与手柄齿轮之间间隙过大、止推轴承下边固定螺母松动导致传动机构转动时阀门无法正常开关到起止点的情况发生，此外，阀瓣下部的弹簧如若受力过大而失去弹性或断裂也会使阀门失控。

2.2 离心泵机组故障
在输送水过程中，闸阀开启时间过早时，管路水压较高，易导致泵负荷过大，甚至发生水锤现象冲击泵体。

在长期运行中，泵体密封环、油封容易磨损漏气，导致上水困难，流量降低，离心泵在小流量工况下运行时，常出现失速、二次流、进出口回流等复杂流动。

尤其是到达某阈值时，因进口角度大，叶片吸力侧流动分离增大，形成堵塞叶轮流道的旋涡，叶轮进入失速状态，严重影响泵组效率[5]。

而且，在泵体工作过程中，河水裹挟泥沙等硬颗粒介质易对水泵的叶轮冲击磨损，水流与泵壁空隙较大，易发生汽蚀现象[6]。

此外，水泵轴弯曲或不同心，会使水泵振动，由于轴向推力增大，使轴承承受的轴向负荷加大，导致轴承发热甚至损坏，此外轴承内润滑油不达标也会引起轴承难转、轴承发热[7-8]。

泵站存在高压大功率电机设备的频繁启停，这会产生电压浪涌对电路造成冲击，电源质量不高，导致电机控制模块受到干扰，严重时会有击穿烧损现象。

电机线子绝缘防护层如因老化或者外力损坏，电机控制模块与驱动模块就易发生短路，造成控制模块烧损。

离心泵在启动时，瞬时电流会很大，但数秒之后便会维持在一定水平，如果运行时电流过小，电机干烧，如果电流过大，则会对线路造成损害[9]。

2.3 管路故障
管路故障主要分为管路泄漏和管路堵塞两种，管路在长期送水中，会因高压冲刷、水汽腐蚀等原因而导致吸入管道线路出现泄漏，泄漏影响离心泵工作效率，严重时还会导致断流、回流，损坏泵体。

主输送水的出入水口管路管径较大受堵塞影响较小，但带底阀或过滤装置的进水口较易受水流中异物影响，射流管路一般采取直接接入上水管道的方式，且管径狭小，此间堵塞现象时有发生，导致灌泵延时甚至无法正常完成灌泵，影响泵组运行。

2.4 灌泵机组故障
离心泵必须在充满水的状态下才能正常启动，否则水泵叶轮空转，无法吸水，严重影响水泵的使用寿命，而灌泵机组就是用于对离心泵开泵前灌注水的设备，目前最常用灌泵方式为降低离心泵内压强，使泵内和泵外大气形成压差，水因压差从进水口处吸入。

灌泵机组故障类型有很多，但最终都会影响灌泵的效果，包括灌泵时间过长、灌泵不满，最终影响离心泵启泵[10]。

3 解决策略
对以上故障中的表象进行分析，可以概括如下：（1）阀门故障故障主要表现为电控阀门无法正常开关到位；（2）离心泵机组故障主要表现为轴温高、电流、电压参数异常；（3）管路故障主要表现为输送流量较正常
值偏小；（4）灌泵机组故障主要表现为离心泵内负压值与出水口处压力值不达标。

因此设计保护策略应包括以上内容。

3.1 阀门故障监测
阀控设备的启停是由异步电机带动的，逐步到达开关点的渐进过程，当阀门出现机械问题时会有两种表现：难以关紧；无法完全打开，而这两种情况反馈到球阀信号端为到位信号迟迟不能发出。

以常州新能DN25球阀为例，根据对运行正常的DN25球阀测试，所用球阀完成开启或关闭时间约为12 s，因此，设置程序在监测到开关信号后开始计时，并在完整动作时限上
设置一个短暂延时以避免误判：预留2 s 左右的延时，在14 s 后若仍未接收到位信号时，视为故障，并触发报警。

图1为基于西门子系列PLC 的球阀开故障监测梯形图。

闸阀、水泵电机分合闸的保护程序设置也可遵循该设计思想，需要注意的是，一般闸阀的启停时间在50 s 左右，而电机分合闸完成时间在3 s 内，不同型号设备完成时间不一致需进行测试。

此外，在球阀开关切换时，还需要防止过于频繁地开关损坏阀体，需要根据电网中冲击电流持续时间设置执行开关操作间隔至少为2 s （在执行操作后延时2 s 响应）。

3.2 离心泵机组故障监测
离心泵机组故障判定所需依据的监测参数主要包括水泵电机电流、电压值、水泵和电机的转轴温度。

电机运行过程中电流值基本稳定，当运行处于故障状态时，其值会偏大或偏小，为确定目前泵组处于正常运行状态，需要针对电机电流设定上下限。

以MD450-60泵为例，其额定功率可达800 kW，额定电流一般在80 A 左右，考虑运行伊始的冲击现象与工况的复杂性，启泵后应设置延时，并通过MOVE 指令设置电流的合
理区间70~90 A，在电流超出该区间时报警，并在长时间超出区间时执行关泵操作，记录在故障报表中。

根据标准《阀门受压铸钢件磁粉探伤检验》（JB/T 6439-92）的第 4.3.3条，离心泵轴承温度最高不能超过80 ℃，因此设置温度阈值时可以按照在使用中所允许的最高温度值设置，即80 ℃；在监测轴温超过该值时立刻报警提示，连续超温较长时间时，执行停泵操作。

水位设限一般采用设置高低水位线的方式，在水位较高时，报警提示目前的水情，在水位监测值持续达到高位值一段时间后，升级报警状态，并记录到运行档案，考虑到水位因素作为参控量时会涉及多泵的联合
工作，因此控制策略还需要结合功耗、工况等进一步分析与制定。

3.3 管路故障监测
管路故障监测由管路内水体流量反馈。

在水泵进入稳定运行状态之后，由流量计监测管路水流速度，在该流量达不到预设值时，管路上水慢，则可以判定水泵没有正常运行或管路存在问题，需要检修，立即报警并执行停泵操作。

流量故障监测程序见图2，在水泵停泵后，管路应无流量，监测存在流量值时，可以判定水泵管路泄漏，报警检修。

3.4 灌泵机组故障监测
灌泵机组出现故障时，离心泵不能灌满，水口真空值不达标，需要设定真空阈值、灌泵时间限制。

真空值在灌泵过程中并非单调增减，会因管路抖动和泵内水
体震荡而会出现震荡变化，但是震荡区间较小，可以采取在达到阈值后延时方法避免离心泵早启。

程序设计为：在启动灌泵流程后开始计时并监测离心泵内真空值，
真空值达到设定值后，进行短暂延时，启动离心泵并关闭灌泵机组，记录灌泵时间；如果真空值在设定灌
图1 球阀故障监测程序
泵时间内无法达到设定值时，报警提示灌泵失败，关闭灌泵机组。

灌泵的完成状态会直接影响离心泵的启动状态，因此还需要在灌泵结束、离心泵启动时监测出水口的正压值，在出水闸关闭状态，启泵后2~5 s时，正压值能够达到设定压力值，则正常开闸，如没有达到，则视为故障，吸上水压过小，引水未注满，不能开启闸阀，报警并停泵。

离心泵自动化控制系统综合应用了传感器、PLC 等技术，具有较为复杂的电气接线和机械结构，其故障监测功能应在具有如上所述的自动监测并响应能力基础上，进一步结合采集到的数据和人工经验，建立故障信息专家库，从故障类别、故障原因、处理方式及结果反馈等环节对故障进行定义，使系统能够通过对采集的数据分析后进行归类，识别故障原因与处理措施[11]。

4 结语
离心泵系统故障频发是业内普遍存在的问题，对故障出现的原因与特点进行分析总结，在以PLC为控制单元的自动化控制系统中，根据电动阀门反馈、电机轴温度、泵内压强、管内流量、电参量等监测数值，设置阀门、离心泵机组、管路、灌泵机组故障监测策略，在实际运行中此策略能够及时发现故障问题，有效避免因突发故障导致的事故，为泵站自动化系统运行、智能化控制等方向的研究与开发提供保障，同时，也为建设现代化泵站体系提供宝贵经验。

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图2 流量故障监测程序。