多級離心泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過程中故障發(fā)生頻率高。故障發(fā)生過程中，大部分情況下都會改變泵的正常運行狀態(tài)，引起相關(guān)性能參數(shù)的變化。例如水泵吸入泥沙或有堵塞物，可能造成電機(jī)功率消耗過大，電機(jī)軸承損壞，進(jìn)而導(dǎo)致泵體振動劇烈或產(chǎn)生噪聲。通過檢測水泵的運動狀態(tài)的變化和性能參數(shù)的變化來判斷離心泵的工作狀態(tài)和故障產(chǎn)生原因。離心泵常見故障、可能產(chǎn)生故障的原因及常見的檢測方法如下表1所示。
根據(jù)對離心泵常見故障的分析，為了最大限度的觀察廣一管道泵的工作狀態(tài)，能夠反映故障產(chǎn)生的檢測點，需要布置相應(yīng)的傳感器進(jìn)行實時檢測。水倉內(nèi)的水位是用兩個液位傳感器來測量的，離心泵出口處配置壓力傳感器和流量傳感器來檢測出水口壓力和流量，離心泵入水口配置真空計，達(dá)到負(fù)壓要求時啟動水泵電機(jī)。電機(jī)運行時采用互感器來檢測線路的電壓和電流，用溫度傳感器檢測A、B、C三相線的溫度，振動傳感器檢測電機(jī)前軸、后軸的振動和泵體前軸、后軸的振動，離心泵運行時振動和軸溫分別用振動和溫度傳感器檢測。離心泵故障監(jiān)測點分布如圖1所示。
圖1：離心泵故障監(jiān)測點分布圖
1、系統(tǒng)功能分析
系統(tǒng)能夠根據(jù)外界使用環(huán)境和人為因素的變化，自動實現(xiàn)離心泵的控制?，F(xiàn)場傳感器、PLC實現(xiàn)離心泵運行參數(shù)的采集，遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過通訊模塊和建立起來的通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場與技術(shù)支持中心的數(shù)據(jù)交換，廣一水泵廠將采集到的離心泵的運行參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心數(shù)據(jù)庫，方便技術(shù)支持，該系統(tǒng)自動化程度高，操作簡單，運行可靠，能夠很好的實現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持。系統(tǒng)主要有以下功能：
(1)數(shù)據(jù)自動采集和檢測
(2)離心泵排水系統(tǒng)自動控制功能
(3)離心泵運行過程中的自保護(hù)功能
(4)數(shù)據(jù)采集和檢測
(5)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸
(6)主要性能參數(shù)的計算
(7)遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心檢測數(shù)據(jù)的存儲
整個系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集和處理、現(xiàn)場控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、監(jiān)測、保護(hù)功能；接受現(xiàn)場工作參數(shù)設(shè)定；遠(yuǎn)程工況再現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲；遠(yuǎn)程控制；結(jié)果分析；信息反饋。
2、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)功能和廣一水泵廠設(shè)計的工藝要求，遠(yuǎn)程技術(shù)支持的整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個控制系統(tǒng)分為以下四個層次：現(xiàn)場設(shè)備層；現(xiàn)場控制層；現(xiàn)場監(jiān)控層；遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心。系統(tǒng)由現(xiàn)場的離心泵設(shè)備及相應(yīng)的檢測設(shè)備，現(xiàn)場控制器PLC及相配套的模塊，GPRS模塊，現(xiàn)場監(jiān)控站，遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心站組成。在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的上，采用合適的通訊方式，對離心泵的運行參數(shù)進(jìn)行采集，能夠得到較精確的泵的運行狀態(tài)。
現(xiàn)場設(shè)備層：設(shè)備主要為傳感器、檢測儀表及各種開關(guān)閥門，這些設(shè)備主要是對多級離心泵正常工作時的工作狀況直接進(jìn)行檢測和控制。其中，傳感器用于完成信號的采集和轉(zhuǎn)換，檢測儀表用于顯示現(xiàn)場的工作參數(shù)，通過對射流閥、出水閥等電動閥門的控制實現(xiàn)離心泵的手、自動控制。對設(shè)備層的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計。
控制層：控制層選用S7-200PLC作為現(xiàn)場監(jiān)控主控制器，由于S7-200自代的模擬量輸入點無法滿足設(shè)計功能的需要，系統(tǒng)需要選擇配套的模擬量輸入模塊以及相應(yīng)的通訊模塊完成控制層的設(shè)計需求。無線數(shù)據(jù)傳輸功能的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊是實現(xiàn)與遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心通訊的主要設(shè)備，所以為PLC配備GPRS模塊，直接通過RS485接口與S7-200PLC連接，主要功能是完成數(shù)據(jù)傳輸格式的轉(zhuǎn)換以及無線鏈路的組建?？刂茖又饕ㄒ粋€CPU，五個模擬量采集，一個通訊CP243-1以太網(wǎng)通訊模塊。
現(xiàn)場監(jiān)控層：現(xiàn)場監(jiān)控層是一臺裝有組態(tài)王軟件的工控機(jī)?，F(xiàn)場使用組態(tài)王組態(tài)離心泵監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，其主要功能是對廣一管道泵的工作過程進(jìn)行監(jiān)控，工控機(jī)接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲，對現(xiàn)場的執(zhí)行元件進(jìn)行操作，顯示監(jiān)控畫面和監(jiān)控過程，同時進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、曲線分析、故障報警及維護(hù)等。
遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心：技術(shù)支持中心是一臺運行組態(tài)王和數(shù)據(jù)庫的工控機(jī)，主要功能是依托GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)建立起來的通訊鏈路，通過自由口協(xié)議實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀取和寫入，實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和控制，通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的各種操作，保存、查詢和打印數(shù)據(jù)及曲線，為技術(shù)人員及相關(guān)專家提供廣一水泵性能預(yù)測及故障分析的重要數(shù)據(jù)。
3、硬件選型方案設(shè)計
以可編成控制器PLC為核心的控制系統(tǒng)以其可靠性強，穩(wěn)定性強，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，公司的S7系列產(chǎn)品同其它控制器相比，更適合于離心泵排水系統(tǒng)的設(shè)計。GPRS技術(shù)相當(dāng)成熟，以其穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)無線通訊的諸多領(lǐng)域。根據(jù)系統(tǒng)中要檢測和控制的點數(shù)來進(jìn)行CPU型號和相應(yīng)模塊的選型，數(shù)字量輸入信號主要包括：離心泵的啟動和停止信號，真空泵啟動停止，離心泵控制方式的選擇，排水閥，射流閥，開關(guān)到位的輸入信號等。數(shù)字量輸出信號包括：離心泵的啟?？刂菩盘?，故障指示信號輸出，水位報警，離心泵運行狀態(tài)指示信號，排水閥，射流閥到位信號等。模擬量的輸入信號包括：泵、電機(jī)軸承溫度，泵、電機(jī)軸的振動，排水管路壓力，電機(jī)電流、電壓，排水管路流量，水倉水位，真空度等。為了滿足通訊和控制的要求，需要增加相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，模塊之間通過電纜和插槽相互連接。
(1)CPU選型
經(jīng)過分析，選擇S7-200PLC，該系列PLC具有運行穩(wěn)定、使用簡單方便、價格便宜等特點?？紤]到數(shù)字量輸出，輸入點數(shù)較多，選擇CPU型號為226CN的中小型控制器。該控制器應(yīng)用在相對較復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)中有一定的優(yōu)越性，訂貨號：6ES7216-2AD23-0XB8，工作電壓24V，24路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出，最大可以擴(kuò)展7個模塊，完全滿足設(shè)計需求。
(2)模擬量采集模塊
廣一水泵廠選用專門的模擬量采集摸塊EM235，可用于模擬量的輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)4路模擬量輸入，1路模擬量輸出，通過設(shè)置DIP開關(guān)來配置EM235模塊，選擇輸入范圍為4-20mA，單極性輸入。在實際的應(yīng)用當(dāng)中，0-5通道可以接入250歐姆精密電阻，實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，完成電壓信號的輸入，電壓信號輸入范圍1-5V。
(3)GPRS模塊
GPRS模塊選擇宏電GPRSDTU7710型號，為了建立無線通訊鏈路，建立一個可靠的通訊平臺，宏電公司為GPRSDTU模塊提供了一系列的軟件包，包括KEPserver、c0nfigurevirtualserialp0rtdriver、超級終端、無線數(shù)據(jù)中心。
(4)CP243-1通訊模塊
現(xiàn)場監(jiān)控層與控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，設(shè)計中在PLC上增加以太網(wǎng)通訊模塊CP243-1，用來完成與現(xiàn)場上位機(jī)的通訊，以太網(wǎng)通訊模塊可以實現(xiàn)高達(dá)每秒100Mbit的速度來完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，最多支持8個連接，每個CPU最多只能擴(kuò)展一個以太網(wǎng)通訊模塊CP243-1。
4、軟件選型方案設(shè)計
界面功能的實現(xiàn)主要通過組態(tài)王軟件來完成。組態(tài)王是亞控科技發(fā)展有限公司推出的一款通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，能夠為企業(yè)提供一個數(shù)據(jù)存儲、分析、匯總以及一些其他數(shù)據(jù)操作的平臺。軟件結(jié)構(gòu)由三部分組成，包括工程瀏覽器、工程管理器和運行系統(tǒng)。主要有以下功能：人機(jī)界面功能；安全管理系統(tǒng)；強大的通訊能力；高效的數(shù)據(jù)采集能力。
