组合拉推高温智能磁力泵研究

组合拉推高温智能磁力泵研究

刘曼利1,刘德义1王云凤2,徐正贵2王伟1,李增松1

（1.滁州学院 机械与电气工程学院，安徽滁州 239000）

（2.安徽信成泵阀有限公司，安徽天长 239300）

 摘要：为保证磁力泵的安全运行，降低磁力泵发生故障的危害，提出了一种基于PLC和无线Modbus RTU设备的智能健康管理系统。设计采用传感器对磁力泵运转时的温度、轴向位移、扭矩等参数进行测量，采用三菱PLC、4AD、A6伺服驱动器和触摸屏组建控制系统，并通过PID控制算法来调节伺服电机转速，通过触摸屏对温度、扭矩、等参数进行监控。经实验测得的数据通过无线Modbus RTU设备同步传递到物联网终端，实现24小时实时存储数据。

关键词：PLC；磁力泵；智能健康；物联网

作者简介:刘曼利（1992-），硕士，助教，研究方向:机械设计与制造。E-mail:manliliu88@163.com。

基金项目：横向项目(HX2020119、HX2020201)，安徽省高校自然科学研究项目（KJ2018B19），“安徽省六卓越，一拔尖“卓越人才培养创新项目(2018zygc044)，“课程思政”专业示范课程（2020kcsz025），校级重点教学研究项目(2020jyz033、2019jyz010)。

引言

磁力泵是一种将永磁联轴的工作原理应用于离心泵的新产品，主要由泵体、磁力传动器、电动机三大部分构成，磁力泵的关键部件由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔绝套组成，当电机驱动外磁转子旋转时，利用磁场能穿透空气和非磁性物质的特性，驱动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的非接触传递[1-3]。

目前磁力泵工作过程中还存在许多故障有待解决，如轴向位移变化影响内、外磁圈的有效配合，降低磁力泵传递效率；高温导致隔离套、磁转子、轴承等零部件变形失效；传动轴扭矩过大降低周的使用寿命，空转引起高温进而导致滑动轴承损坏等，这些都可能会给设备带来灾难性后果。

一、总体设计与分析

主要从机械传动系统和智能控制系统两部分着手，首先，优化磁路和采用新型磁性材料，改用双轴承设计增加轴向力平衡系统系统，再对零部件进行选型与加工，搭建试验平台；其次，合理选择温度、位移、扭矩传感器实现信号采集；同时借助PLC、触摸屏和物联网等模块实现信号的分析处理和数字化监控；最后，通过整机组装与调试，验证方案可行性。

二、机械传动系统设计

通过采用更好耐温性、耐老化性能的钕铁硼（最高耐温150℃）和钐钴（最高耐温350℃）磁铁作为磁性材料，可直接提高磁力泵的性能。在此基础上设计新的双排推拉磁路（见图1），通过优化磁极在内外转子上的分布数量、角度和转子直径间的匹配关系，给出初步方案。

为避免悬臂，采用双轴承简支梁系统，采用双轴承设计，一端固定，另一端游动，避免大跨度温度变化时材料的热变形和受力后的弹性变形组合，产生附加应力使系统受力恶化，影响寿命。

为保证磁力泵的安全运行，本次研究设计并搭建了如图2所示的试验台，并为其设计了一套简易且环保的智能控制系统，该系统可对磁力泵工作状态变化进行监控，自动存储采集数据数据，通过对数据进行分析与处理，为磁力泵的状态做出评价提供依据，减少事故发生的可能性。

二、智能控制系统设计

（一）设计原理

本次设计以PLC为控制中枢，采用位移传感器、PT100温度传感器和动态扭矩传感器，分别实现磁力泵工作过程中轴向位移、温度和扭矩信号的采集，利用三菱4AD模块将采集的模拟量信号转换为数字量信号分别传递给三菱PLC和触摸屏，再借助GX Works2和GT Designer3编程软件分别实现电机转速控制和实验参数实时监控；通过无线Modbus RTU设备同步传递到物联网终端，实现24小时远程实时监测和存储数据；主机对温度、扭矩、轴向位移等数据进行分析处理，实现智能调控。

（二）信号采集

信号采集是硬件与软件系统相结合的产物，软件则是使计算机与信号采集硬件形成一个完整的信号采集、分析、显示与存储系统[4]。本次信号采集是利用传感器从工作现场自动采集磁力泵工况信息，一方面通过无线传输技术和物联网技术进行数据信息采集和存储，同时也便于后期进行数据分析；另一方面通过数模（A\D）转换模块将采集的模拟信号转换为数字信号，方便后期的编程处理和参数调控。

（四）PLC控制系统设计

采用三菱FX-3U-4AD PLC作为主控单元，完成磁力泵位移、温度、扭矩的数据信息采集和磁力泵转速控制，PLC控制系统如图4所示，将传感器检测的模拟量信号接入4AD模块，经处理后转换为数字量信号进入PLC485通信模块，并存入PLC寄存器中，GX Works2编程软件通过TCP/IP协议可访问PLC并读取寄存器中数据。本次实验所用位移信号用量程为0~5mm的直线式位移传感器检测，温度信号用量程-50℃~200℃的PT100温度传感器检测，扭矩用量程为0~15N.M的动态扭矩传感器检测，再分别接入PLC的4AD模数转换模块，其中位移、温度、扭矩多对应模拟量信号缓冲存储区（BFM）分别为10、11、12，模拟量通道分别为CH1、CH2、CH3。

（四）监控系统设计

设计采用众山4G无线Modbus RTU设备作为无线传输设备，选用OneNET云平台的TCP透传功能，依次在开发者中心创建产品，再添加设备，然后上传提前编译好的Lua脚本文件，对接成功后可随时随地登陆OneNET云平台，查看或下载采集数据。

为了更直观地显示磁力泵运转状态，采用三菱GS2017-WTBD触摸屏和GT Designer3软件与PLC构建人机界面模块，其中三菱GS2017-WTBD触摸屏具有公式运算和数据监测功能，不仅能将位移、温度、扭矩、电机转速、PID参数、电机启停状态等信息清晰地显示在触摸屏上，还可以通过触摸屏向PLC发送指令，控制电机启、停，设定PID相关参数。由于PLC编程口为RS485，触摸屏端口为RS232，因此触摸屏需要外加RS485/RS232通讯线访问PLC[6]。

五、结论

本文以PLC作为整个控制系统中枢，完成了磁力泵现场数据采集，开发了人机界面模块和物联网模块，设计了温度控制伺服系统，过程操作简单，实现了现场数据的实时监测、采集、和远程存储，以及电机转速的调节，避免了设备发生故障的，为磁力泵智能监控提供了一种参考方案。

参考文献

[1] 王庆, 姚明辉. 磁力泵在氯碱行业的应用[J]. 氯碱工业, 2018,54(11): 21-24.

[2] 胡岗. 磁力泵在苯乙烯装置使用的问题分析及解决措施[J]. 广州化工, 2019,47(23): 135-137.

[3] 冯志花, 杨凯, 包鹏飞. 磁力泵在醋酐装置中使用问题及解决方案[J]. 山东化工, 2011,40(08): 80-81.

[4] 马永辉, 刘康, 杨大志. 基于LabVIEW的声发射信号采集分析与处理系统[J]. 煤矿机械, 2011,32(02): 258-261.

[5] 刘红军. PID在工业自动控制中的应用[J].电子世界 ,2014,(18):483-484.

[6] 吕品. PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J]. 自动化仪表, 2010,31(08): 45-47+51.

基金项目：横向科研项目（编号：HX2020119、HX2020201、HX2020202），安徽省高校自然科学研究项目（编号：KJ2018B19），市级科技创新奖补（编号：2021KJ14）.