CN101392756B - 离心泵最小流量控制系统 - Google Patents

Abstract

一种离心泵最小流量控制系统，属于离心泵控制领域，该系统包括流量计、节流孔板、电动调节阀和控制器，其中，主管道直接与水泵相连，再循环管道与主管道接点处接流量计，用以检测主管道中的水流量并将检测信号发送给控制器，电动调节阀和节流孔板安装在再循环管道中，控制器接收流量计信号；本发明将离心水泵机械式再循环阀改进成一套机电一体化的控制装置。明显提高了系统的稳定性。整个装置的控制部分集成在一块触摸屏电子仪表上，大大降低了生产成本。单片机控制的数字化触摸式操作面板，可实现长期全自动控制作业。本装置安装和使用亦非常简便，操作简洁易懂。

Description

离心泵最小流量控制系统

技术领域

本发明属于离心泵控制领域，涉及一种离心泵最小流量控制系统。

背景技术

现代工业多采用离心式水泵进行高压给水，其水压可达80～2000米。离心泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室。吸水室位于叶轮的进水口前面，起到把液体引向叶轮的作用；压水室主要有螺旋形压水室(蜗壳式)、导叶和空间导叶三种形式；叶轮是泵的最重要的工作元件，是过流部件的心脏，叶轮由盖板和中间的叶片组成。

离心泵工作前，先将泵内充满液体，然后启动离心泵，叶轮快速转动，叶轮的叶片驱使液体转动，液体转动时依靠惯性向叶轮外缘流去，同时叶轮从吸入室吸进液体。在这一过程中，叶轮中的液体绕流叶片，在绕流运动中液体作用一升力于叶片，反过来叶片以一个与此升力大小相等、方向相反的力作用于液体，这个力对液体做功，使液体得到能量而流出叶轮，这时液体的动能与压能均增大。

离心泵一般不允许带负载启动，特别是大功率的离心水泵。另外，离心水泵工质中不能有气体，若有气体，不但损坏设备，出力也将受到影响，所以，离心泵启动后必须保证一个最小流量。此外，高压供水要求出水阀时刻保证在有需求时能够立刻供水，因此离心水泵工作时又必须时刻保证有足够的水压。在用水低峰时期，这一水压将持续对管道壁产生冲击，由于压力的累积，极易造成管道壁的破裂。

工业上一般采用再循环系统缓解水压对管道壁得冲击，并维持水泵工作的最小流量。离心水泵再循环是在水泵出口设置一个回流系统，通过这个回流把水泵出口高压工质输送到低压端，以此来保证水泵启动后的最小流量。为简化操作，增加离心泵的可靠性，目前在大型离心水泵出口均安装了自动再循环装置。该装置在水泵没有负载时借助于机械力可以自动打开再循环阀，保证水泵的最小流量；水泵带负载后又可以借助于机械力自动关闭水泵再循环阀，从而避免因人为操作不及时给泵带来的损害。但是目前普遍采用的机械式自动再循环机构故障率非常高，经常发生再循环阀卡涩的故障，这种故障一旦发生，不但不能提高系统的运行可靠性，反而成了一项重大设备隐患。

采用高精度机械结构可以减小再循环阀发生故障的频率，但这种机械结构成本极高，并主要为大型水泵设计，对于中小型离心泵企业实在难以承受。现代离心水泵再循环系统的发展一直处于可靠性与低成本不可兼得的状态。

发明内容

针对现有离心泵机械结构成本极高、精度低等技术的不足之处，本发明提供了一种离心泵最小流量控制系统，使离心泵再循环技术在可靠性与生产成本上得以平衡。

本发明采用的技术方案是：该系统包括流量计、节流孔板、电动调节阀和控制器，其中，主管道直接与水泵相连，再循环管道与主管道接点处接流量计，用以检测主管道中的水流量并将检测信号发送给控制器，电动调节阀和节流孔板安装在再循环管道中，控制器接收流量计信号；主管道中水流量随水泵启动而增加，在水泵达到正常运行状态的时候，主管道出水阀门打开；当达到关闭再循环电动调节阀门的设定值的时候，控制器自动关闭再循环电动调节阀门；工作时，水泵通过主管道把水压入出水口，出水口接阀门，用户打开阀门即可使用水，当用户暂时不需要使用水时，出水口关闭，主管道流量小于设定值时，控制器将控制电动调节阀打开，管道中水通过节流降压回到低压端形成再循环通路，维持一定的流量。所述的流量计是均速管流量传感器，它可以大大降低纯净水电导率低和泵出口介质稳流性差给流量测量带来的误差。

所述的控制器，包括信号采集单元、滤波电路、A/D转换单元、数据存储单元、单片机控制单元和串行通讯单元，为了简便需要还接有键盘输入接口和显示输出接口，其中流量计对流体流量进行采集，信号采集单元得到的模拟信号量经过滤波电路发送给A/D转换单元，A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号量存储在数据存储单元，并输入给单片机控制单元，单片机控制单元将接收信号与设定值相比较，进而通过串行通讯单元控制电动调节阀门的开度。通过键盘输入接口向控制器输入指令，并通过显示输出接口显示。

最小流量控制器有手动和自动两种工作方式。控制器中嵌入软件程序，其中手动方式下，按下控制器界面上的相应按钮可增加和减小电动调节阀的开度，从而根据实际需要控制再循环管道的流量。

自动方式时应首先对控制器中各参数进行设置。主要控制参数有：维持最小流量参数，关闭阀门流量参数，每周期调整量，初次阀门开度量和采样周期。

初次使用时，还应对控制器中流量和阀门开度进行标定。标定即是对控制量设置一个标准，所有的参数和工作中采集的信号都将与此进行比对，以此确定该量是否合法。标定并设好所有参数后，进入自动控制界面，按下键启动自动工作方式，仪表会根据设置的参数自动调节阀门的开度，当流量低于最小流量时，增加阀门的开度；当流量高于关闭阀门的流量时，减小阀门的开度。

本发明将离心水泵机械式再循环阀改进成一套机电一体化的控制装置。在机械结构上加进电气控制成分，明显提高了系统的稳定性。整个装置的控制部分集成在一块触摸屏电子仪表上，把原有繁琐、庞大的机械结构变成仅依靠一块单片机芯片，一块电路板连接线路，几行汇编语言代码的电气控制结构，大大降低了生产成本。单片机控制的数字化触摸式操作面板，可实现长期全自动控制作业。本装置安装和使用亦非常简便，操作简洁易懂。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是本发明的一种实施例控制系统硬件结构图；

图4是本发明的一种实施例滤波电路图；

图5是本发明的一种实施例A/D转换单元与单片机控制单元连接电路图；

图6是本发明的一种实施例A/D转换单元参考电压电路图；

图7是本发明的工作界面结构框图；

图8是本发明的手动控制界面结构框图；

图9本发明的自动界面结构框图；

图10本发明的参数设置界面结构框图；

图11是本发明的系统标定界面结构框图。

图中：1、流量计，2、节流孔板，3、电动调节阀，4、水泵，5、出水阀。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明的工作原理图，该系统包括流量计1、节流孔板2、电动调节阀3和控制器，其中，主管道直接与水泵相连，再循环管道与主管道接点处接流量计1，用以检测主管道中的水流量并将检测信号发送给控制器，电动调节阀3和节流孔板2安装在再循环管道中，控制器接收流量计信号；

(1)流量计1。用以检测主管道中水流量，并将检测信号发送给控制器；可以选用均速管流量传感器；在结构上，对于直径超过350mm的管道，一般都用方形检测管。对于小口径，其结构变化较大，一般是全压和静压检测杆分开。对于方形管道，其用法与圆形管道相同。

均速管不同适应公称直径的型号，适应公称压力及温度范围的对应关系如表1所示。

                        表1 均速管型号及性能指标

(2)电动调节阀3。安装在再循环管道中，通过增加和减小阀门开度来控制循环管道中水流量，使主管道中的水流量维持在一个较稳定的范围内，起到保护水泵的作用；

电动调节阀各主要部件型号和材质如表2所示。

                      表2 主要部件型号和零件材料

注：阀门选择与用户再循环管径相匹配，防爆等级由用户确定。

节流孔板2根据离心泵出、入口压差选用节流孔板组件，若用户已经安装节流孔板，该组件可以省略。

(3)控制器。整个系统的核心部分，内置A/D转换单元和可编程控制器PLC。接收流量计信号，通过A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号发送给PLC。PLC按预设程序将该信号与设置的参数进行比对，当流量达到预设值即控制电动阀开度增大或减小，没达到则返回继续接收流量计信号最小流量仪系统可以显示当前流量，控制水的流量，保持最小流量值。当出水口关闭后，水流经过电动调节阀3和节流孔板2节流降压后返回水箱，从而保持泵的使用。主管道直接与水泵4相连。在水泵4刚开始运行的时候，由于主管道的阀门是关死的，流量基本为零，所以再循环阀门是打开的。再循环管道与主管道接点处接均速管流量计，用以检测主管道中的水流量并将检测信号发送给控制器表头。

如图2所示，本发明的工作流程图，控制器接收流量计信号通过A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号输入给PLC。PLC按照预先设计好的程序检查该信号是否达到设定值。管道中水流量随水泵启动而增加，在水泵达到正常运行状态的时候，主管道阀门打开。当达到关闭再循环管道中电动调节阀阀门的设定值的时候，控制器自动关闭再循环管道中电动调节阀阀门。工作时，水泵通过主管道把水压入出水口，出水口接阀门，用户打开阀门即可使用水。当用户暂时不需要使用水时，出水口关闭，主管道流量减小。当流量小于设定值时，PLC程序将控制电动调节阀打开，管道中水形成再循环通路，从而起到保护水泵的作用。

如图3所示，本发明的一种实施例控制系统硬件结构图，包括信号采集单元、滤波电路、A/D转换单元、数据存储单元、单片机控制单元、串行通讯单元、键盘输入接口和显示输出接口，其中均速管流量计对流体流量进行采集，信号采集单元得到的模拟信号量经过滤波电路发送给A/D转换单元，A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号量输入给单片机控制单元，单片机控制单元将接收信号与预设值相比较，进而控制阀门的开度。本发明使用均速管流量计对流体流量进行采集，得到的模拟信号量经过滤波电路发送给A/D转换装置。A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号量输入给控制系统单片机。单片机并不需要对接收的信号进行真实性、精确性的检测，且流量信号一般亦不需要放大。因此本控制系统并没有设置对信号一次处理的运算放大电路。单片机接收的只是一个较模糊的采样值，在一个采样周期内，该信号可能一直恒定不变，也可能从零增加至最大值。这就要求单片机对信号激励有一个很敏感的响应。单片机将接收信号与预设值相比较，进而控制阀门的开度。

采用的单片机控制单元是宏晶公司的STC89C58单片机能够满足本系统的要求。STC89C58单片机是80C51单片机家族的衍生品，兼容标准51指令集，其内部集成了32K的Flash程序存储器，1K的RAM数据存储器，已经能够满足本系统对存储器的需要，不用再进行外部扩展，既简化了设计又降低了成本。它有可选的6时钟/12时钟工作方式，在5V的供电电压下，时钟频率可达40MHz，内部有两个DPTR寄存器。

如图4所示，本发明的一种实施例滤波电路图，选用压控电压源低通滤波电路，截止频率为50HZ的低通滤波器，所以f₀＝50HZ，在实际应用中取C1＝C2＝C3＝C4＝C＝0.1u。

如图5所示，一种实施例A/D转换单元与单片机控制单元连接电路图，采用的A/D转换器ADS7816是Burr Brown公司生产的12位串行A/D转换器，其转换速度可达到200Kbps，它和单片机采用SPI接口。ADS7816和单片机采用SPI接口，通过DCLK、DOUT和CS与单片机相连。

如图6所示，本发明的一种实施例A/D转换单元参考电压电路图，由于单片机系统采用数字电源供电而ADS7816采用模拟电源供电，为了不让数字电源的噪声干扰模拟电源，ADS7816和单片机通讯的时候就要使用光耦进行隔离。由于DCLK和DOUT的频率较高，采用6N137进行隔离。CS的频率较低，本设计采用TLP521进行隔离。

如图7所示，本发明的工作界面结构框图，本发明采用手动控制和自动控制，最小流量控制器仪表是使用者与单片机之间互相通讯的纽带。操作员向单片机发出指令，设置参数以及系统标定等全都通过该仪表来完成；单片机执行指令后的返回信息，切换控制界面及显示需要标定项目等也都在仪表界面上有所体现。本设计表头使用友好的中文界面；各种数据直观显示；结构简单，安装及使用方便；可实现自动控制无需值守；耗电量低，抗干扰性强。

如图8所示，本发明的手动控制界面结构框图，其中，流量检测：检测当前管道中的流体流量；阀门开度：当前电动调节阀的开度；阀门开大：加大阀门的开度；阀门关小：减小阀门的开度；停止：将阀门关闭；返回：返回到工作界面。

如图9所示，本发明的自动控制界面结构框图，其中，最小流量：在参数设置中设置的流量；当前流量：当前管道中的流体流量；当前开度：当前阀门的开度；工作状态：当前的工作状态(运行或停止)；启动：开启自动维持最小流量；停止：停止维持最小流量，阀门关闭；返回：返回到工作界面。

如图10所示，本发明的参数设置界面结构框图，其中，维持最小流量：当管道中的流量低于此项设置时，仪表开始工作打开阀门；关闭阀门流量：当管道中的流量高于此项设置时，仪表停止工作关闭阀门；每周期调整量：当流量不足或超过时，每个采样周期阀门的调整量；初次阀门开度：当流量低于需要的维持最小流量时，第一次的调整量；采样周期：调整阀门的间隔时间，以秒为单位。

如图11所示，本发明的系统标定界面结构框图，

(1)流量标定说明：

采样值：当前流量的A/D采样码值；最小流量或0％流量：当流量为最小时的A/D采样码值；最大流量或100％流量：当流量为最大时的A/D采样码值；确定：允许计算此次标定；返回：返回到系统标定。

(2)阀门开度标定说明：

采样值：当前流量的A/D采样码值；最小(0％)流量：当阀门关闭时的A/D采样码值；最大(100％)流量：当阀门全开时的A/D采样码值；确定：允许计算此次标定；返回：返回到系统标定。

Claims (3)

1.一种离心泵最小流量控制系统，其特征是该系统包括流量计、节流孔板、电动调节阀和控制器，其中，主管道直接与离心泵相连，再循环管道与主管道接点处接所述流量计，用以采集主管道中的水流量并将采集的检测信号发送给所述控制器，电动调节阀和节流孔板安装在再循环管道中，控制器接收流量计采集的检测信号；主管道中水流量随离心泵启动而增加，在离心泵达到正常运行状态的时候，主管道出水阀门打开；当达到关闭电动调节阀的设定值的时候，控制器自动关闭电动调节阀；主管道流量小于设定值时，控制器控制电动调节阀打开，主管道中水形成再循环通路，维持一定的流量；所述的控制器，包括信号采集单元、滤波电路、A/D转换单元、数据存储单元、单片机控制单元和串行通讯单元，其中流量计对主管道中的水流量进行采集，信号采集单元得到的流量计采集的检测信号为模拟信号量，所述模拟信号量经过滤波电路发送给A/D转换单元，A/D转换单元将模拟信号量转换成数字信号量存储在数据存储单元，并输入给单片机控制单元，单片机控制单元将接收到的数字信号量与所述设定值相比较，进而通过串行通讯单元控制电动调节阀的开度。

2.按照权利要求1所述的一种离心泵最小流量控制系统，其特征在于所述的控制器装有键盘输入接口和显示输出接口，通过键盘输入接口向控制器输入指令，并通过显示输出接口显示。

3.按照权利要求1所述的一种离心泵最小流量控制系统，其特征在于所述的流量计是均速管流量传感器。

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