基于扬程的水泵运行失效监控系统设计

1、基于扬程的水泵运行失效监控系统设计摘 要大型水泵机组是大型泵站的关键设备 为了掌握机组的可靠耐久性，对机组故障进行了统计分析，遴选出机组关键易损部件: 水泵导轴承叶轮叶片电机定子电机推力轴承; 确定主要失效模式: 水泵导轴承磨损，叶片汽蚀断裂，电机定子绝缘老化和推力轴承烧损 分析确定了各易损部件主要失效模式的失效判别标准 本文成果对提高大型水泵机组可靠耐久性，指导泵站维护管理，合理确定机组大修周期有重要意义关键词: 大型水泵机组; 易损部件; 失效模式; 判别标准AbstractLarge water pump units are key equipment of large pumping

2、stations In order to master there liability and durability of the units，statistics analysis was performed about faults of the units; the guide bearing of the pump，the blade of the impeller and the motor stator were selected as the key damageable parts; the main failure modes were determined as: wear

3、 of the guide bearing，cavitation and fracture of the blade，insulation aging of the motor stator and burnout of thrust bearings of the motor The failure criteria of the key damageable parts were investigated and determined The results of this paper is significant for improving the reliability and dur

4、ability of large pump units，guiding maintenance and management of pump stations and determining rational overhaul cycle of pump unitsKeywords:large pump units; damageable parts; failure modes; discrimination criteria目录摘 要1第一章 引言41.1 课题来源及研究意义41.2国内外杨程水泵运行失效监控研究及应用概况41.3 本文的主要研究内容5第二章 基于扬程水泵运行失效监控系统设

5、计总体结构52.1 扬程水泵运行失效监控概述52.2扬程水泵运行失效监控结构设计62.3 PLC技术应用分析132.4 扬程水泵运行失效监控控制系统13第三章 水泵运行失效监控系统软件设计143.1编程语言153.2 软硬件调试系统163.3 PLC控制系统软件设计17第四章 基于扬程水泵运行失效监控技能大赛项目中的应用184.1 赛项概述194.2赛项策略分析194.3 竞赛应用分析21第五章 结语23参考文献24致谢25第一章 引言1.1 课题来源及研究意义河泵站位于益阳市赫山区烂泥湖垸南部撇洪新河大堤欧江岔镇北坪村段,所在堤垸为洞庭湖区11个重点堤垸之一。该站是原益阳县治理烂泥湖的骨干水

6、利工程,排涝面积282.2km2,其中耕地面积1.417万hm2。境内具有较大调蓄功能的湖泊、哑河有东烂泥湖、鹿角湖、张芦渠、围山渠等四处,面积0.213万hm2。泵站承担着二乡三镇一国有渔场的排涝和东烂泥湖、鹿角湖、张芦渠、围山渠以及湘阴、望城、宁乡的削峰任务,受益人口30.02万人。新河泵站按照1964年国家水利电力部工作组审定的标准,洞庭湖区的排涝标准为10年一遇3d暴雨3d末排至田间水稻允许耐淹水深设计的。采用益阳站降雨量资料进行频率计算,得该站10年一遇最大的暴雨为216mm。泵站存在的问题(1)泵站建设质量差、设计标准低。新河泵站建于1977年,属“三边”工程,由于未对泵站的地层进

7、行处理,致使泵房出现不均匀沉陷,站房和出水流道出现断裂现象。设计外水位的确定与现行泵站设计规范(GB/T50265-97)的要求差距较大,难以保证泵站的安全运行。(2)机电设备严重老化。主机泵和电气设备大多属于20世纪60-70年代产品,经过30多年的运行,电机老化、绝缘下降;水泵磨损、气蚀穿孔;变压器为JS型铝芯结构,损耗大;辅助设备不配套,凑合而成;金属结构锈蚀严重。故障频繁发生,维修周期越来越短,形成不安全隐患。(3)机组超扬程运行。由于洞庭湖和长江水位流量关系的变化,使烂泥湖撇洪河出口湘江洪峰水位不断抬高,而且持续时间延长,从而导致泵站的排水扬程增加,排水量减少,工程效益衰减,装置效率

8、低、能源单耗严重超标,更为严重的是导致机组无法启动,或被迫停机。如1996年6月21日和6月22日,泵站超扬程1.4m而被迫停机,致使围山渠涝水不能及时排干,造成西堤子于6月22日溃决,直接经济损失1200万元。同时为了减轻上游涝水对下游的压力,关闭侍郎桥和泉交河渠下涵,造成白石塘、泉交河、欧江岔近533.33hm2稻田被淹,直接经济损失560万元。1.2国内外杨程水泵运行失效监控研究及应用概况泵是伴随着工业发展而发展起来的。19世纪时，国外已有了比较完整的泵的型式和品种，并得到了广泛的应用。据统计，在1880年左右，一般用途的离心泵产量占整个泵产量的90%以上，而动力装置用泵、化工用泵、矿山

9、用泵等特殊用途的泵，仅占整个产量的10%左右。到1960年，一般用途的泵只占45%左右，而特殊用途的泵已占55%左右。据目前发展趋势，特殊用途的泵，会比一般用途的泵所占比例还要提高。早在20世纪初，潜水电泵由美国首先研制成功，用它来代替深井泵。随后，西欧各国也相继进行研制，并且不断加以改进，逐步完善。如德国的莱茵褐煤矿，使用各种潜水电泵2500多台，容量最大的达1600KW、扬程410m。我国的潜水电泵是20世纪60年代发展起来的，其中作业面潜水电泵在南方早已用于农田灌溉，且中小容量的潜水电泵已形成系列，并批量投入了生产。大容量高电压的潜水电泵、潜水电动机也相继面世，5001200KW的大型潜

10、水电泵均已在矿山投入运行。例如鞍山钢铁公司眼前山露天铁矿用500KW的潜水电泵排水，雨季效果显著。已有迹象表明，潜水电泵的使用将会使矿山的排水设备发生变革，有代替传统的大卧泵之势。另外，更大容量的潜水电泵正在试制中。1.3 本文的主要研究内容本文主要研究大型低扬程水泵机组，转速低受力大功能多，其结构特点是: 体积大部件多结构复杂，一般为分散式结构，需运至泵站现场组合安装 而，影响可靠性的因素多，机理复杂，机组可靠耐久性差 但另一方面，从大型泵站工程的重要性考虑，对大型水泵机组的可靠性要求更高 水泵机组可靠耐久性差，是目前我国大型泵站建设和管理中的突出问题虽然大型水泵机组可靠耐久性的影响因素多，

11、机理复杂，但只要抓住问题的主要矛盾，便迎刃而解 本文通过调研统计，遴选水泵机组的易损部件，分析失效模式，确定失效标准，为进一步研究机组可靠耐久性提供支撑。第二章 基于扬程水泵运行失效监控系统设计总体结构2.1 扬程水泵运行失效监控概述对多座大型泵站水泵机组的失效部件与失效模式进行了调研分析 以南水北调东线工程江都三站四站为例，这2座泵站分别安装10台7台大型立式井筒式轴流泵，配套6kV立式高压同步电机 对改造前25年运行中的失效故障进行统计了分析，共发生导致停机检修的严重故障38次，其分类统计及故障率如表1 由表1可知，机组的轴承和电机是故障较高的部件，电机推力轴承和水泵导轴承占395%，其次

12、是电机定子绝缘占342%。三站与四站故障失效率都较高的部件是电机绝缘与水泵导轴承 三站电机推力轴承未发生过故障，而四站电机推力轴承故障失效达9次之多，其主要原因是四站电机推力轴承的实际运行荷载系数经常超过1.0，而三站电机推力轴承的实际运行荷载系数一般为0.50.7大型水泵经过长时间运行后，导轴承和轴颈会有不同程度的磨损，轴承间隙增大，叶轮与泵轴运行摆度和振动振幅增大，甚至造成叶轮与外壳相碰三站水泵汽蚀速度是四站水泵汽蚀速度的34倍以上，这是因为三站水泵本身的汽蚀性能较差，更主要的是进水流道的形状较差，恶化了水泵的汽蚀性能 泵机组每次周期性大修，水泵叶轮都已经发生严重的叶面汽蚀和间隙汽蚀，明显

13、影响到水泵的能量性能，大修时必须进行汽蚀补焊处理 江都四站水泵汽蚀性能要好一些，一般运行2个周期后，才对叶轮叶片作简单的汽蚀补焊处理江都一站和二站立式弯管式直接传动轴流泵机组，更新改造后，叶轮及外壳采用不锈钢材料，经过1517年的运行，未发生汽蚀，基本解决了汽蚀问题，但在数台水泵的叶片根部发现了裂纹，有些机组甚至发生了水泵叶片断裂掉落事故 这是叶片的主要失效形式由以上分析及对其他泵站大型水泵机组的失效故障调研知，不同大型水泵机组的关键易损部件稍有差异，需具体问题具体分析，但总体上可以确定，水泵导轴承与电机推力轴承电机定子水泵叶片与外壳容易发生故障失效，影响机组的正常运行 因此，我们将其确定为这

14、类大型水泵机组的关键易损部件。此外，除了上述关键易损部件外，叶片调节机构及各类密封的失效，也会造成水泵机组不能正常运行。扬程水泵运行失效监控主要研究大型低扬程水泵机组，转速低受力大功能多，其结构特点是: 体积大部件多结构复杂，一般为分散式结构，需运至泵站现场组合安装 而，影响可靠性的因素多，机理复杂，机组可靠耐久性差 但另一方面，从大型泵站工程的重要性考虑，对大型水泵机组的可靠性要求更高 水泵机组可靠耐久性差，是目前我国大型泵站建设和管理中的突出问题虽然大型水泵机组可靠耐久性的影响因素多，机理复杂，但只要抓住问题的主要矛盾，便迎刃而解 本文通过调研统计，遴选水泵机组的易损部件，分析失效模式，确

15、定失效标准，为进一步研究机组可靠耐久性提供支撑。2.2扬程水泵运行失效监控结构设计2.2.1水润滑非金属导轴承水润滑非金属导轴承，由于结构简单维护简便造价低，在水泵中得到广泛应用 大型水泵非金属导轴承材料主要有聚氨酯橡胶等立式机组水泵导轴承荷载小，可以采用水润滑非金属轴承 如果河水水质较好，泥沙含量少，可以直接用河水润滑与巴氏合金导轴承相比，非金属导轴承材料承载力低耐磨性差，采用水作为润滑介质，润滑性能差，特别是如果润滑水中含有泥沙等固体颗粒，轴颈和轴承材料磨损速度快，严重的甚至因老化而大块脱落 某泵站大型立式水泵聚氨酯导轴承应用磨损前后对比如图1，2所示，运行20000h，根据具体不同情况，

16、导轴承 磨 损 量0 5 15mm采用非金属导轴承的水泵，随着运行时间的增加，导轴承轴颈和轴瓦材料磨损量增加，轴承间隙增大，叶轮与泵轴运行摆度和振动增大，当轴承间隙增大到一定值时，若不进行修理或更换，叶轮与泵轴径向振动会进一步加剧，会造成叶轮与外壳相碰事故 同时，轴承材料磨损后，为铸铁材料的轴承体直接与泵轴颈摩擦，轴颈表面耐磨层会大块剥落，遭到严重破坏，将造成更大损失。由以上分可析知，对于水润滑非金属导轴承，轴承材料磨损超过允许值，是其主要失效模式2.2.2油润滑金属导轴承大型立式水泵油润滑导轴承有斜槽式和直槽式两种 轴承设于导叶体轮毂内，导叶体轮毂与转轮轮毂之间设有水密封装置，导叶体上部设有

17、护管，阻止水体进入轴承，密封漏水由埋设在导叶片内的毕托管排出油润滑导轴承承载能力大，稳定性好，材料耐磨性好，无老化问题，耐久性好 但油润滑导轴承需要密封和排水装置，当漏水密封装置失效或排漏水装置排水不畅时，漏水进入油润滑导轴承，导轴承润滑条件将被破坏，水泵轴和导轴承磨损量剧增 水密封装置常采用端面密封结构，如图3所示。因此，大型水泵油润滑导轴承的主要失效形式是浸水 油润滑导轴承浸水的原因: ( 1) 导轴承的水密封装置失效致大量进水; ( 2) 因排漏水装置排水不畅而致排水不及轴承受淹2.2.3 水泵叶片及叶轮外壳2.2.3.1 水泵叶片及叶轮外壳汽蚀通常，对于铸钢或铸铁材料的水泵叶轮叶片，运

18、行时不可避免地会产生不同程度的汽蚀水泵发生汽蚀时，由于强烈的机械剥蚀和电化作用，靠近叶片外缘处的叶片背面( 有时还有正面) 和叶片外缘与叶轮外壳内壁的间隙处，形成蜂窝麻面汽蚀带，严重时，水泵叶片大块剥落甚至断裂，叶轮外壳穿孔漏水机组运行13162h后轴流泵叶轮叶片严重汽蚀情况，叶片外缘和进口边已经整块掉落，对应的叶轮外壳也因汽蚀发生穿孔，水泵性能严重恶化，已不能继续运行根据以上分析，对于铸钢或铸铁材料的水泵叶轮，叶片与叶轮外壳汽蚀超过允许值，是其主要失效模式2.2.3.2 水泵叶片疲劳断裂在泵站调研中发现，许多大中型轴流泵和导叶式混流泵叶轮叶片出现裂纹甚至断裂的现象，大部分发生在叶片根部 叶片

19、断裂后，水泵水力性能严重恶化，并可能损伤水泵其他部分; 转动部分失去平衡，造成泵轴和电机轴运行摆度过大，机组振动加剧，导轴承荷载加大，轴颈和导轴承磨损严重，直至损坏叶片断裂主要是由于水泵在运行过程中叶片受到激振力和共振引起疲劳破坏造成的 如图5所示，在应力集中特别是存在制造质量问题( 如有铸造砂孔或气孔) 的叶片根部，首先产生裂纹，继而裂纹扩展，最后断裂2.2.4电机2.2.4.1 电机推力轴承滑动推力轴承是大型立式电机关键部件，推力瓦瓦温过高烧熔损坏是电机运行的常见故障推力轴承失效可分为突发性和非突发性两种 突发性失效可能有多种因素引起的，表现为机行时，温度信号器监测到推力轴承温度突然上升，

20、说明推力瓦面中部已经烧融，范围由瓦面心部位向两侧扩散，需要立刻停机检修 一般大中型水泵机组都设置有轴承温度监测装置，设有报警温度和停机温度，一旦温度超过允许值，即作出指示或动作，避免故障扩大或带来其他故障和损失 一般规定，巴氏合金瓦温度要求低于50，弹性金属塑料推力瓦最高允许运行温度为65推力轴承非突发性失效，就是正常运行过程中，推力瓦面材料的渐进性磨损引起的失效 巴氏合金推力瓦表层巴氏合金厚度为510mm弹性金属塑料瓦，其表层是厚度约1mm的聚四氟乙烯( PTFE) ， 中间弹性层青铜丝厚约为8mm，规定其磨损极限Umax =05mm 超过磨损极限，就会影响承载力，直至中间弹性层青铜丝裸露，

21、轴瓦完全失效，并可能造成大的安全事故 一般情况下，推力瓦磨损很小2.2.4.2电机定子绝缘大型水泵机组电机长期运行后，在多种因数的作用下，绝缘会逐渐老化，一旦绝缘失效，线圈局部或大部烧毁，造成重大的经济损失和安全事故 定子绕组的绝缘老化是电机的主要失效模式之一电机运行过程中，应该按照要求在运行一段时间后，运行前和大修时，对定子绕组绝缘电阻耐压吸收比等进行检测 以此为依据对电机进行烘干处理或必要的预防性维修，减少电机绝缘击穿事故的发生，保证机组正常运行2.2.5其他部件2.2.5.1 叶片调节机构大型水泵机械叶片调节机构主要失效模式是调节机构的推力轴承烧损水泵液压叶片全调节机构具有调节力大机械磨

22、损件少等优点，但配压阀接力器密封要求高 因此，其主要故障模式是: 配压阀与阀体密封失效接力器密封失效操作油管连接部位密封失效漏油，压力无法形成或保持，最终无法调节叶片角度2.2.5.2 填料密封填料密封属于动密封，设在泵轴伸出泵体处，处理不好会大量冒水，甚至危及上面的电机填料密封大量漏水主要是由于填料过松或因密封处轴线摆度过大，或填料函座与轴承转动中心偏心过大造成填料径向磨损过大造成的 因此，安装维修时应予注意，而大修一般采用重新压装填料的方法处理，填料压装的紧度以有点滴漏水为宜，但要得到根本处理，需要处理好泵轴摆度和泵轴转动中心与填料函座的同心2.2.5.3 叶片根部密封全调节式叶轮的叶片根

23、部与轮毂之间的密封装置，靠( 形密封橡胶圈做衬垫，外面用压环及弹簧压住，里面用垫环顶紧，使( 形密封橡胶圈的尖角撑开，紧贴在叶轮轮毂及叶片根部法兰上，从而阻止轮毂内的润滑油外漏，并防止河水进入叶轮 这种密封装置，一般可用35年 如果经常调节叶片，泥沙可能会嵌入根部法兰与密封橡胶圈之间，使磨损加剧，密封寿命缩短 叶轮漏油会污染水源 叶轮轮毂漏油或进水，会造成轮毂内叶片调节机构诱死，无法调节2.2.6 关键易损部件失效判别标准对于大型水泵机组，关键易损部件与主要失效形式确定后，还需研究确定主要失效形式的定量判别标准，以便计算各关键易损部件的使用寿命，并根据其寿命的影响因素，研究改善耐久性延长使用寿

24、命的途径和措施2.2.6.1 水泵导轴承失效判别标准( 1) 水润滑导轴承轴流泵叶片与叶轮外壳之间的平均单边叶片间隙一般取 =0001D，其中D为叶轮直径 随着运行时间的增加，水泵水润滑导轴承和轴颈磨损累积会造成机组轴线运行摆度增大，振动加剧，甚至发生叶轮叶片碰壳事故水泵下导轴承的平均单边间隙。为保证叶轮叶片与外壳不相碰的导轴承最大单边磨损量为:例如，某叶轮直径为31m的立式轴流泵，平均单边叶片间隙 =31mm，泵轴轴颈剩余摆度S0 =026mm，导轴承双边间隙033mm，最小单边间隙b =0 07 mm，泵轴定中心误差为s =004mm，叶轮外壳中心与泵轴转动中心同轴度偏差c =010mm，

25、叶轮外壳内表面椭圆度l =052mm，则保证叶轮叶片与外壳不相碰的导轴承最大单边磨损量为2 50mm，考虑1 0mm的安全 量，则导轴承允许最大单边磨损量为150mm，即这种水泵导轴承单边磨损1 50mm及以上即为失效( 2) 油润滑导轴承水密封装置水泵油润滑导轴承常采用端面密封 新配合的动静环，开始运行时泄漏量较大，磨合一段时间后泄漏量会小很多 从耐久性方面，主要考虑动静环的磨损正常情况下，密封面平均间隙高度不大于10 m，最大间隙高度也应当小于30 m，密封漏水量很小 以江都四站水泵机组为例，6根排漏水水管最大排水量远大于密封漏水量，所以导轴承不会浸水受损 密封漏水流量与密封状况有关，而排

26、漏水流量受导叶体内漏水水位和排水管内的泥沙淤积影响 一方面，导叶体内漏水水位越高，排漏水流量越大，当漏水水位接近上部导轴承时，排漏水流量达到最大; 另一方面，排水管内的泥沙淤积越严重，排漏水流量越小 极限情况下，当漏水流量大于最大排漏水流量时，即Q1 6Qdmax时，导轴承即浸水受损 为了确保导轴承不浸水受损，考虑安全系数，算例泵站水泵导轴承水密封装置密封面平均缝隙高度应该限制在60 m以下，算例动静环的高度均为20mm，端面密封中不锈钢动环的磨损速率远大于耐磨橡胶静环的磨损速率 根据计算，规定不锈钢动环极限磨损量为12mm，超过该磨损量，端面密封即失效，此时，耐磨橡胶静环磨损量为43mm，动

27、静环磨损量之和为163mm2.2.6.2 叶轮失效判别标准( 1) 叶片汽蚀水泵叶片表面汽蚀剥落，改变了叶片形状，水力性能下降; 水泵间隙汽蚀导致叶片间隙增大数倍甚至数十倍，容积损失增大，水泵效率急剧下降 水泵叶片汽蚀断裂和叶轮外壳汽蚀穿孔，还会影响水泵安全运行目前国内对水泵汽蚀破坏仍套用水轮机汽蚀损坏标准，按汽蚀侵蚀指数进行汽蚀分级:当叶片汽蚀面积超过叶片总面积的30%，或最大汽蚀深度超过该处叶片厚度的15%，或叶片局部断裂破损超过叶片面积的5%，即认为水泵叶轮叶片失效轴流泵叶片间隙过大，会增大泄漏损失，降低水泵效率 根据轴流泵内部流动的大涡数值模拟结果，叶片间隙从0 001D增大到0 00

28、15D，0003D，水泵效率会分别下降2 2%，5 6%; 相反，如果叶片间隙过小，例如从0 001D减小至00005D，水泵效率无明显增加，反而加重间隙汽蚀，并容易造成叶片碰壳 将3种叶片间隙对水泵效率的影响拟合成一元二次公式:水泵初始叶片间隙为0001D，经过一段时间运行，发生间隙汽蚀，水泵效率下降，以水泵效率下降5%为失效，将其代入式( 3) ， 得叶片间隙增大到=00025D时失效叶片汽蚀损坏速度影响水泵叶轮寿命 根据上述最大允许汽蚀量和汽蚀损坏速度K值，可以计算出叶轮叶片的汽蚀寿命( 2) 叶片断裂由于水泵叶片根部断面是应力最大的断面，而且应力集中处也位于叶片根部断面与叶片扩展的交界

29、处，因此，由外部突发机械力流体激振力致疲劳破坏引起的叶片断裂，大多发生在叶片根部或靠近根部 断裂一旦发生，整枚或大部分叶片掉落，叶轮即失效由于整枚或大部分叶片掉落不但造成叶片本身的失效，还会损坏水泵导轴承及其他过流部件，因此，必须在叶片断裂前有所察觉或预测叶轮叶片表面有3条明显的裂纹，或有1条长度超过裂纹方向的叶片几何尺寸的1/3的裂纹，即认为该枚叶片失效2.2.7 定子绕组绝缘失效判别标准电机绕组的绝缘电阻与干燥程度环境温度绝缘材料的厚度接触面等因素都有关 大型泵站水泵机组通常采用工作电压6000V10000V功率500kW及以上的同步电机 规程4规定，正常情况下，只需检测绝缘电阻吸收比和交

30、流耐压，大修时需增加极化指数绕组直流电阻 工作电压3000V功率100kW以上的电机，要求在做耐压前，定子绕组在接近运行温度时的绝缘电阻值不应低于UnM ( 取Un 的千伏数) ;投运前室温下( 包括电缆) 不应低于UnM ; 环氧粉云母绝缘吸收比不应小于16绝缘电阻不能满足要求时，需作烘干处理，必要时需返厂重新进行浸漆处理 对运行时间超过设计寿命的电机，需进行更换2.2.8 其他部件失效判别水泵机械式叶片全调节机构，在即将失效前，分离器轴承会出现裂纹等缺陷，可通过检测分析调节机构运行的振动和噪声的异常判断其状况，以便在其失效前进行必要的处理，以免造成大的事故和损失水泵液压式叶片全调节机构，可

31、以通过能否达到和保持所需要的叶片调节压力调节压力下降值来进行判断，即当系统压力下降到某一值时，即认为失效泵轴填料密封的失效，可以直接通过测定泄漏水流量进行判断叶轮根部轮毂漏油，可以通过观测轮毂内腔润滑油油位( 通常在电机顶部) 有无明显下降，泵站出水池水面有无油花确定2.3 PLC技术应用分析在PLC控制柜与设在矿调度室的上位机之间建立了工业以太网，用于实现现场控制层与上位机之间的数据交换。控制层PLC统一采用了西门子的S7-300系列PLC进行配置，网络结构简单清晰，避免了异构网络互连时必须安装相应网关的缺点。系统选取西门子的S7-300系列以太网通信模块CP343-1，利用该模块可以方便地

32、实现PLC与监控中心之间的以太网通信。为保证信号的可靠传递和防止电气干扰对通信的影响，系统采用以太网与光纤传输技术实现控制PLC与调度中心上位机之间的通信。2.4 扬程水泵运行失效监控控制系统2.4.1控制系统功能设计针对当前许多煤矿排水泵控制自动化水平不高、主要以人工控制为主，开发出一套以PLC 为核心的井下泵房自动控制系统，主要实现以下功能：（1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具 有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。（2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。 （3）系统可根据投入运行泵组的位

33、置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。（4）系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。（5）PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。（6）在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温 度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。（7）系统具有通讯接口功能，PLC

34、可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。（8）系统保护功能有以下几种。 超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。 流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。 电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。 电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。（9）系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自

35、动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。2.4.2 控制系统可靠性设计 排水系统是否能可靠运行直接影响着煤矿生产和人员安全，为提高控制系统的可靠性，针对传统控制系统的不足，系统从设备本身、传感器、通信网络等各方面设计了可靠性保障措施。2.4.2.1 设备可靠运转保障设

36、备可靠运转是安全排水的前提，针对现场实际情况，该系统开发了排水系统控制软件的辅助管理模块，对设备进行统一的管理。依据设备运行情况，监控软件的设备辅助管理模块读取相应数据后进行逻辑处理，给出维护意见，从管理上来弥补设备本社在可靠性上的不足。2.4.2.2 传感器可靠性保障排水系统采用了多种传感器，传感器的可靠性直接影响着系统的整体可靠性。不同的传感器对系统的影响也不尽相同，根据影响范围的不同，系统将传感器分为全局型和局部型。其中全局型传感器为液位传感器，它的可靠性关系到整个系统安全排水的实现，其余传感器主要反映单台泵的运转工况，属于局部型。系统中的全局型传感器采用冗余设计，而对于局部型传感器则采

37、取自诊断方式确定其故障类型并报警，提示工作人员进行维护或者更换。2.4.2.3通信可靠性保障控制PLC与上位机之间的通信故障判别采用校验码与状态位相结合的方式，其中校验码判断数据传输的正确性，状态位判断传输通道的通畅性，如果状态位不正常时表明通信通道中断，启用备用通讯网络。第三章 水泵运行失效监控系统软件设计3.1编程语言PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制。STEP 7软件是用于西门子S7-300/400 型PLC 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。S7 系列PLC包括一个供电单元、一个CPU，以及输入和输出模块(I/O 模块)。PLC 应用

38、STEP 7软件编制的S7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找I/O 模块，实现数据的输入输出。PLC 编制程序时首先作硬件组态。其主要任务就是在STEP 7 中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的地址,为编制顺序控制程序打下了基础。然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块，程序流程如图1 所示。STEP 7软件通过建立在线连接下载程序到PLC以对编制好的程序进

39、行调试，可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等。系统初始化控制方式选择调试、维修、人工控制流程水位、供电状态检测供电时段突水信号运行间各参数、水位检测自选泵组选择泵组（优先运行时间短的泵组、跳过故障泵组）逻辑判断正常启动泵组故障报警故障停泵正常停泵3.2 软硬件调试系统组态软件编程主要用于生成人机交互界面，以便进行实时监控。本系统应用西门子公司的WINCC自动化监控软件进行程序设计，可以生成标准化输入/输出域、棒图、趋势图、光栅和矢量图，且具有动态性能的属性，可进行便捷的过程可视化,并提供集成的消息和报警系统。编制的人机界面主要有控制画面、参数显示画面及故障报警记

40、录等状态信息，编程框图如图2 所示。操作员可通过触摸屏进行系统的控制方式选择以及各项检测参数的显示，实现了整个控制过程的可视化。并且可以通过通讯同步到地面上位机，实现远程控制与监测。初始画面系统菜单运行方式报警系统参数设置运行操作状态显示图 2 组态软件编程框图3.3 PLC控制系统软件设计可编程控制器(PLC)，是一种数字运算操作的电子系统，向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，且同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求，具有很大的灵活性和通用性。PLC的输入、输出电路一般用光电祸合器来传递信号，

41、有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，具有可靠性高、抗干扰性强的特点。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。整个系统可分为3 个层次：地面监控主站层;以PLC为核心的控制及通讯管理层;机械设备层。地面监控主站层主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通过光缆与井下PLC、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件可以实时显示由井下PLC采集并传输的主排水泵的运行参数，并存储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥中心采用鼠标操作，就可以实现对各泵组的控制；工业电视和硬盘录像机可实时显示、记录井下状况。控制及通讯管理层由PLC和触摸屏组成的数据采集终端及数据处理系统、电

42、控设备、数据交换设备、信号采集装置等组成。PLC负责完成信号处理、逻辑判断、故障诊断和参数记忆等功能。通过数据采集、模块采集水位信号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择的控制方式按流程启动泵组，此时数据采集模块将采集供电电源、电机、水泵的各项参数，如：检测开关的带电状态、电机定子温度、轴承温度、泵出水口压力、主排水管流量、水泵前后轴温度等。各参数将在触摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站。控制原理如图3 所示。触摸屏主CPU模块超声波液位仪突水检测信号电机、水泵轴承温度信号进出口压力信号配水阀到位信号管道流量信号声光报警启动开关启动开关工业以太网模拟量输入模块数字量输入模块数

43、字量输出模块电参数信号图 3 水泵自动控制系统原理图第4章 基于扬程水泵运行失效监控技能大赛项目中的应用4.1 赛项概述武汉市排水泵站管理处下辖6座大型城市排水泵站，这些泵站分布在武汉三镇的不同地方。为便于生产调度管理，1999年开发了一套数据远传系统，通过公共电话网，利用Modem拨号的方式监控远程站点，实现通信，获取现场数据。目前该系统存在以下缺陷：、带宽最高只有56Kbps，传输速度慢；、每次只能拨号一个站点，无法集中浏览；、每次只能支持一个用户拨号，不能多用户同时共享；、远程监视不方便，需安装运行特定的监控程序。这些缺陷制约了上级各部门对防汛排渍工作的调度和及时、科学的决策，不便于上级

44、领导准确、及时的了解防汛排渍工作的实时情况。而武汉市每年都面临着严峻的防汛排渍任务，特别4月到10月主汛期，大雨、暴雨频繁，排渍压力陡增，只有准确及时的了解各地区的降雨及运行情况，才能科学指挥各泵站的排渍工作。另外，泵站优化运行、节能降耗也需要一种能实时监控各泵站运行、提供准确及时的数据程序为其创造必要条件。因此，有必要开发一种方便及时、多用户、能同时监视各泵站运行的新型远程监控系统，满足现代化泵站发展的需要。4.2赛项策略分析4.2.1远程监控系统的技术指标随着INTERNET技术日益渗透到生产、生活的各个领域，本项目拟通过INTERNET来对泵站的实时运行工况进行远程监控。只要在能够上互联

45、网，有IE浏览器的任何地方，管理和生产人员可以方便地实现泵站运行信息的远程监控，并根据一定的权限进行不同的查询和操作。开发完成的监控系统应该满足以下性能指标：、能同时监视多个泵站的实时运行情况；、支持多用户同时浏览监视；、远程监视方便，只要有Windows，配备IE浏览器，就能够实现远程监控，且无须安装特定的监控程序；、监控画面直观真实，数据与现场一致。经过多方面的技术探讨，考虑到项目资金比较紧张，结合目前的技术状况，本项目拟采用GPRS无线通信的方式来进行数据通信。4.2.2 GPRS通信网络GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是

46、在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2Kbps，实际应用带宽大约在40100K

47、bps，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。从GPRS的以上特点可以看出，将该通信网络应用到泵站的远程监控系统中，可以降低布线成本（使用电信的机站）、维护和运行成本。将以最小的投入取得较好的收益。4.2.3泵站远程监控系统总体结构本项目计划在武汉市6座大型城市排水泵站实施，这6座大型城市排水泵站基本完成了武汉市80%的排渍任务，对其进行实时监控有助于科学调度，而且这6座泵站实力较为雄厚，有项目实施的基础。新生路、天津路、鹦鹉洲三座泵站均是使用的美国AB公司的PLC，采用了监控组态软件来进行监视。而在其他三个泵站还没有使用PLC来进行控制，在系统实施时可

48、以采用已有的数据采集系统。泵站远程监控系统的总体结构如图1所示。各个泵站的监控站或数据采集站分别从PLC或数据采集系统获取泵站的实时运行数据，然后通过通信接口（一般是RS-232）将运行数据发给GPRS通信模块，该模块将数据通过电信部门的无线网络发送到INTERNET，然后数据被传送到市排水泵站管理处或市水务局排渍指挥中心。该中心设置一台服务器，既作为数据服务器又作为WEB服务器，将数据通过WEB方式分发出去。这样一来，其他任何地方的用户，都可以通过INTERNET来进行远程监控。4.2.4泵站子系统以上对泵站远程监控系统的总体结构进行了一个说明。在各个泵站中，数据的传送过程如图2所示。在各个

49、泵站中，PLC或数据采集系统将泵站运行的实时数据采集进入监控站或数据采集站。在监控站上的组态软件可以采用DDE（动态数据交换）或OPC（OLE For Process Control）标准来将数据传送到数据通信软件中，该软件需要自行设计。按照GPRS模块的协议将数据传送到GPRS模块中，模块再将数据通过电信设备传送出去，进入INTERNET，进而进入泵站管理处的数据服务器，完成泵站运行工况数据的收集。4.2.5监控中心基于WEB远程监视的实施当各个泵站的实时运行数据被GPRS传送到泵站管理处的监控中心后，进入数据服务器中。当各地的用户用IE进行远程监视时，需要在网页上出现泵站运行时的动态过程。

50、这就要求WEB服务器分发的网页必须能进行动态刷新。普通的WEB页面都是静态的，是将预先做好的页面放在服务器上供用户访问。这种方式对于工业监控系统来说是不适用的，监控系统的WEB服务器必须根据数据库中的数据实时地生成动态WEB页面，为了达到这个目的，本项目采用以下两种方式之一来解决此问题。采用ActiveX技术来进行监控系统动态WEB页面的开发。该方式的框图如图3所示。从图3可以看出，数据服务器存储的是从各个泵站发送来的实时运行数据。WEB服务器分发的网页内嵌入ActiveX控件，当IE连接到WEB服务器，请求进行远程监视时，网页以及ActiveX控件一起被下载到浏览器中，ActiveX控件在浏览器中运行，由它完成从数据服务器中读取实时数据，并进行页面动态刷新的工作。、采用组态软件（如组态王）的WEB功能来解决网页发布以及及时刷新的问题。4.3 竞赛应用分析在本项目的研究开发过程中，可能存在的技术难点有：、各监控站的数据