摘要:传统的离心泵控制系统是由模拟控制仪表和电气控制线路组成的,结构复杂、故障率高系统维护工作量大、能耗高。用单片机控制器取代模拟控制仪表和电气控制线路,降低了故障率,减少了维修费用;用变频器取代控制阀,在流体管路上无需安装控制阀,因此管路系统总阻力HL中控制阀的压力损失hV等于零,减少了管路阻力的损耗,提高了泵的机械效率,节约了能源。改用单片机控制器和变频器相结合,可实现对离心泵的完美控制。

引 言

离心泵是使用最广的输送液体并提高其压头的设备,被称之为工业生产装置的心脏,其传统的控制系统中模拟控制仪表数量多、电气控制线路比较复杂。这种控制方式虽然简便易行,造价低廉,但是变更控制方案比较困难,故障率高,系统维护费时费力。同时,由于控制阀存在着压损,能量损失也很大,生产效率较低。用单片机控制器取代模拟控制仪表和电气控制线路,降低了故障率,减少了维修费用;用变频器取代控制阀,在流体管路上无需安装控制阀,因此管路系统总阻力HL中控制阀的压力损失hV等于零,减少了管路阻力的损耗,提高了泵的机械效率,节约了能源。利用单片机控制器和变频器相结合对离心泵实施综合控制其工作将更加安全、平稳、效率更高。

1离心泵的控制原理

离心泵主要由叶轮和壳体两部分组成,叶轮在原动机(电动机或蒸汽透平)的带动下做高速旋转,使流体获得动能,并在出口处转为静压头。转速越高,离心力越大出口液体的压头则越高。因为叶轮与壳体之间有一定空隙,因此,当泵出口阀完全关闭时,液体将在泵内循环,而排出量为零压头接近最高值,此时泵所做的功转化为热。随着出口阀逐渐开大,排出量将随之增大,而出口压力将随之减小。离心泵的压头H、排出量Q和转速n之间的函数关系称为泵的工作特性,可用下面的经验公式表示:

式中，、

为比例常数,其特性曲线如图1所示。

图1离心泵的特性

离心泵的控制方法之一是控制转速法。这种控制方法是以改变泵的特性曲线、移动工作点来达到控制流量的目的。图1是在不同的转速n下泵的特性曲线与管路特性曲线H1相交的情况,交点1、2、3代表着泵在n1、n2、n3三种不同转速下的运行工作点。显然在不同的工作点,所对应的流量Q和压头H也不一样,这就是通过改变泵的转速达到控制泵的压力或流量的依据。

2离心泵自动控制方案

根据离心泵的工作原理,启动前必须先开启回水阀SV2和排气阀SV3,让管线中的水回入泵内,把泵腔内的空气排除。待泵体内充满水后,再把回水阀SV2和排气阀SV3关闭,同时启动离心泵的拖动电动机。当电动机达到了额定转速,即泵内压力达到额定值时,才开启出水阀S V 1,结束泵的启动工作。当泵的工作状态平稳时,就可以对泵的压力或流量进行连续控制。离心泵自动控制方案如图2所示。

图2离心泵自动控制系统

这里离心泵出口的压力是由压力变送器PI-101检测的,其输出信号送至单片机控制器PIC-101作为其测量值,单片机控制器输出的模拟信号送至变频器PY-101,通过直接改变调速电机转速来控制离心泵的转速,最终使离心泵出口的压力保持稳定。

3单片机控制器的硬件构成

单片机控制器的硬件主要由单片机(SingleChip Microcomputer)8031及其扩展系统、键盘/显示接口8279及键盘/显示器单元, 接口芯片8155、A/D转换器ADC0809、D/A转换器DAC0832、晶振电路、复位电路、模拟量I/O电路和数字量I/O电路等构成,其结构原理如图3所示。

图3单片机控制器原理框图

4离心泵控制系统连接

(1)压力变送器PT-101的输出的4～20mA.DC模拟信号与控制器PIC-101的模拟信号输入端相连。

(2)控制器PIC-101输出的4～20mA.DC模拟信号与变频器的信号输入端相连接。

(3)电接点压力表PI-102的开关信号与控制器PIC-101的数字量输入端相连接。

(4)控制器PIC-101的3个数字量输出(继电器输出)端分别与离心泵的出水电磁阀SV1、回水电磁阀SV2、排气电磁阀SV3的控制端相连。

5系统软件结构和程序框图

在离心泵自动控制系统中,软件主要包括三个程序,即主程序、顺序控制子程序和中断服务程序。主程序主要完成设置堆栈和单片机的初始化等工作,其程序框图如图4所示。

图4主程序框图

顺序控制子程序主要完成离心泵启动前回水阀SV2和排气阀SV3的开启与关闭、出水阀SV1开启以及离心泵的拖动电动机的启动,其程序框图如图5所示。

图5顺序控制子程序框图

中断服务程序中,利用定时器T0每隔一个采样周期TS(500ms左右)定时中断一次,以完成压力信号数据采集、偏差计算、PID运算和离心泵启动逻辑切换等工作。其程序框图如图6所示。

图6中断服务程序框图

6结语

传统的离心泵控制系统是由模拟控制仪表和电气控制线路组成的,结构复杂、故障率高、能耗高、系统维护工作繁重。用单片机控制器取代模拟控制仪表和电气控制线路,降低了故障率,减少了维修费用;用变频器取代控制阀,在流体管路上无需安装控制阀,因此管路系统总阻力H1中控制阀的压力损失等于零,减少了管路阻力的损耗,提高了泵的机械效率,节约了能源。单片机控制器与离心泵恰如其分的结合,实现了对离心泵的完美控制。

参考文献：

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