螺杆泵与管路流量监控系统的设计和应用——污水处理厂中的螺杆泵经常发生堵、漏等故障，为了解决此问题本文介绍了一种螺杆泵与管路流量监控系统的设计和应用。通过将螺杆泵、粉碎机、PLC以及流量计接入一个控制柜，并且在上位机中构建控制画面，最终编写程序写入PLC。由控制柜、上位机、硬件组成了这一套流量监控系统。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2021年第13期

《螺杆泵及管路流量监控系统创新改造》

文/黄佳锐

本文作者供职于青岛市海泊河污水处理厂

市政污水处理厂中运行着大量的螺杆泵，螺杆泵用于输送污泥或者污水等介质到各个构筑物。污水处理厂中管路复杂，各个构筑物距离较远，运行到两三年以上管路会出现断裂或者堵塞现象，由此造成污水冒溢和设备损坏，导致一定程度的环境污染和经济损失。

目前螺杆泵的控制主要由人工手动或时间间隔控制，在螺杆泵的定子上装有热电偶，用于螺杆泵的干运转保护。此种方式存在一定的弊端，比如无法监控管路健康，若出现堵、漏不能及时停止螺杆泵，造成污水外溢，螺杆泵过载损坏。

为预防此类问题的发生，设计一套基于PLC和流量计的流量自动监测保护系统，达到及时发现污水泄漏、避免设备损坏的功能。

大任水务西部污水处理项目初沉池设有两台耐驰污泥螺杆泵，将初沉池污泥打到储泥池，管路设有电磁流量计1台。因为初沉池污泥中含有大量毛发及纤维，而且初沉池至储泥池距离较远，为避免螺杆泵堵转过温和管道堵漏导致影响工艺生产，设计了一套螺杆泵及流量闭环控制系统。

如图1所示，控制器就是西门子PLC，执行器就是螺杆泵和粉碎机，被控对象就是流量，流量计通过反馈环节传至中控室，与设定的比较器进行比较，若满足给定值继续开泵，若不满足给定值则停止螺杆泵。螺杆泵的控制程序中增加了流量与螺杆泵的联锁，当自动开启螺杆泵超过30s污泥流量仍小于15m³/h时，上位机发出报警，并且停止螺杆泵。待人工检查螺杆泵及管路没问题后，在上位机点击联锁复位按钮，此时可再次开启螺杆泵。此举保护了螺杆泵，并且可以无需安装热电偶和温控器。

首先要建立合适的PLC模块，包括CPU、PS、DI、DO、AI以及AO模块，此项目中用已有的模块来编程序，主机架主要有CPU、CP、AI、AO模块组成，其中AI模块作为初沉池电磁流量计信号的接收模块；通过ET200M扩展第二机架至IM153-1；在IM153-1机架中安装DI模块；作为污泥泵及粉碎机的运行信号接收模块；至此PLC程序的硬件组建完成，如图2所示。

根据自控接线图得知初沉池污泥泵信号线接至I11.3、I11.4、I11.5、I13.0、I13.1和I13.3通道，粉碎机信号接至I13.4～I14.3通道，所以要记住这些地址在OB1中可以直接调用。

根据PLC接线图得知，初沉池电磁流量计接至主机架第二个AI模块的第一个通道，所以找到这个模块，起始地址为128，如图3所示，模拟量信号都是由一个双字DW组成，所以它占用两个字，也就是PIW128，这就是流量计信号的地址。

双击第6槽的AI8模块，如图4所示，输入O代表第一个通道，也就是流量计信号接入的通道。根据仪表的传输协议得知信号采用4～20mA电流信号传输，选择测量型号为电流信号I，测量范围4～20mA，至此模拟量通道设置完成。通过右键的监视，就可以看到此时的电流信号值，这是一个32进制的数字。

下面进行模拟量转换为数字量的程序编辑，在PLC程序中新建一个循环中断组织块OB35，这个块的作用是PLC每次扫描程序时都会调用一遍，作为模拟量转换的程序块。如图5，打开OB35，在左侧树状条FC列表中找到FC105，双击添加：IN代表模拟量地址，也就是PIW128；HI-LIM代表电磁流量计的输出最大量程；LO-LIM代表输出最小量程，根据仪表设置为0和260；RET-VAL代表事件记录字，要定义一个字；OUT就是将模拟量转换出来的数字量进行保存的地址，这里需要建立一个DB块用以保存，就用DB2来保存，如图6所示。

按照DB2建立的顺序，初沉池流量计在DB2的DBD38字的位置，所以DB2.DBD38就是流量计的绝对地址。在编辑污泥泵的程序中可以直接调用。至此模拟量转数字量就完成了。

接下来就是主程序的编辑了，首先要建立一个时间控制功能块FB45，这个块比较复杂，主要功能就是让污泥泵根据时间控制起动和停止，并且可以进行运行和停止时间的累积计算，在此我们不做详细解释，只需要知道FB45就是污泥泵的功能控制块，在OB1中直接调用即可。

OB1中调用FB45，还需要为这个块配置一些参数。DB245是FB4的背景数据块，它用来存储一些临时数据和开关量变化。I11.3为排泥泵远程信号，I11.5为排泥泵运行信号，I11.4为排泥泵故障信号，通过内部程序计算间隔时间（时间计算及逻辑在此不做解释），间隔时间和运行时间在DB245中可以设置，当到达间隔时间后M1000.0线圈得电，发出启动信号，当运行一段时间，M1000.0线圈失电，启动信号取消。当1000.0发出信号后，并且初沉池粉碎机在远程I13.4、无故障时I13.5，粉碎机Q3.7起动。当粉碎机开始运行后，计时30秒，再起动排泥泵Q3.4。上述过程就完成了螺杆泵根据时间自动起停功能。

流量计计时判断程序如图7所示，当排泥泵起动，则I11.5运行信号闭合，此时初沉池流量计反馈信号若持续30s以上小于15m3/h，则M1000.2置位，图中的M1000.2断开，排泥泵停止。此时中控室上位机出现报警，这说明可能泵或者管路出现问题，需要人工检查。此时再按下起动按钮排泥泵禁止开起。

一旦螺杆泵报警停止，还需要在PLC程序中设置一个复位功能，然后在上位机做一个流量联锁复位按钮M1000.5，当人工修复故障后，点击此按钮，M1000.2复位，排泥泵可以正常起动。

如图8所示，改造的控制柜内PLC读取流量计信号，并且将其转换成数字量，进行逻辑控制，将控制结果通过DO模块输出，控制螺杆泵起停。程序运行稳定，监测准确。

通过在现场测试验明，如图9所示，改造后的螺杆泵无需使用热电偶保护器，通过PLC计算流量，实时监控螺杆泵及管道健康状态，提高了设备工作效率。

在上位机通过WINCC7.0制作螺杆泵显示画面、控制画面，如图10所示，设置自动运行的时间和停止时间，螺杆泵按照设定的时间间隔运行，当电磁流量计在规定时间内检测到设计流量后螺杆泵正常工作，若流量达不到设计流量则自动停止螺杆泵，并发出报警，螺杆泵电动机红色和黄色交替显示。按下连锁复位按钮后，螺杆泵不再报警，可以正常起动。

改造后的控制系统运行稳定可靠。此项成果的推广，将大大减少机电设备及管路设施前期投入和后期维护成本，并减轻运行人员的劳动强度，达到节能降耗、降低污水处理成本的效果。

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