一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法及系统与流程

本发明涉及一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法及系统，属于风洞排气技术领域。

背景技术：

燃气流风洞用于对火箭、飞船等再入飞行器进行热试验。为了模拟高真空环境，风洞一般工作在负压下，此时，风洞排气系统将通过抽排风洞工作燃气，来维持这一负压。排气系统对风洞工况的维持起到关键作用。

xx燃气流风洞要求工作时长1000s，属于连续式燃气流风洞。其排气系统采用了机械式真空泵连续抽排方案。所用真空泵单台排量达54000m3/h,功率达1.2mw，台数为8台。由于总功率过大，所在地供电不能满足需求，采用了船用中速柴油机作为真空泵的动力。

每台真空泵机组由柴油机、齿轮箱和水环真空泵构成。相比电机驱动的真空泵，用柴油机驱动的真空泵机组操作远为复杂。柴油机本身涉及启动、暖车、停车、转速升降等复杂操作，加上齿轮箱的离合器合/分，水环真空泵供水、抽气等阀门操作，使一台机组工作全程所需操作步骤达20余步。如采用人工操作，则8台机组同时运转的操作复杂度不可接受，必须采用自动控制。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法及系统，采用柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法，实现了以柴油机为动力源驱动大流量真空泵工作和内燃动力机械真空泵机组运行的全流程自动化。

本发明解决的技术方案为：一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法，步骤如下：

(1)根据需求，由工控机配置柴油机水环泵机组工作数量，并将配置的工作数量发送给主控制器plc，主控制器plc向需要工作的柴油机水环泵机组对应的分控制器下发启动指令；

(2)接到启动指令的分控制器运行，启动润滑油泵并运行一段时间，保证柴油机内各部位充分润滑；

(3)打开柴油机的外循环水进水电磁阀；

(4)启动柴油机，当柴油机转速达到第一区间转速，柴油机启动完毕，柴油机稳定运行一段时间后将转速升至第一转速，开始对柴油机进行暖车；

(5)当柴油机油温和内循环水的水温升到t1温度时，齿轮箱具备合排条件，将柴油机转速升至第二区间转速，齿轮箱合排；

(6)齿轮箱合排后将柴油机转速升至第三区间转速，继续暖车；当柴油机内的柴油温度和内循环水温度到达t2温度时，柴油机水环泵机组暖车结束；

(7)将转速升至第四区间转速，柴油机水环泵机组启动完成；

(8)柴油机水环泵机组抽真空，抽真空结束后，主控制器向分控制器发出停机指令；

(9)分控制器收到停机指令后，柴油机降速至第五区间转速，运行一段时间后，进行步骤(10)；

(10)柴油机转速降至第六区间转速后，齿轮箱脱排；

(11)柴油机柴油温度和内循环水温度降至t3以下，将柴油机转速降为零，柴油机停机流程结束。

自动控制系统中主控制器plc的cpu型号为6es7315-2ag10-0ab0，支持dp主站或dp从站，指令运行速度为0.1ms/1000条指令。

自动控制系统中分控制器plc的cpu型号224xp，含有两个rs-485通信，最多可扩展7个模块，其扩展的通信模块为em77，用于连接dp现场总线。

自动控制流程中t1的取值范围为37摄氏度～43摄氏度。此为柴油机转速达到500转/min后提升到额定转速要求的柴油温度和内循环水温度。

自动控制流程中t2的取值范围为58摄氏度～62摄氏度。此为柴油机水环泵机组带负载运行前柴油油温和内循环水水温需要达到的温度。

t3的取值范围为59摄氏度以下。

以船用中速柴油机作为真空泵的动力驱动机械式真空泵抽排气。克服了由于总功率过大所在地供电不能满足需求的困难。其中，真空泵(即柴油机水环泵机)指标为排量达54000m3/h,额定功率达1.2mw；

柴油机指标额定转速1000转/min,额定功率达1.44mw；第一区间转速为200转/分钟～250转/分钟；第一转速为450转/分钟；第二区间转速为490转/分钟～510转/分钟；第三区间转速为890转/分钟～910转/分钟；第四区间转速为990转/分钟～1010转/分钟；第五区间转速为500转/分钟～510转/分钟；第六区间转速为440转/分钟～450转/分钟。

自动控制系统采用基于dp总线的分布式架构，各分系统独立运行，控制单个柴油机水环泵动作，采集相应传感器信息，同时接受顶层总控制器协调动作，保证自动控制流程有序的进行。

柴油机由分控制器plc200和转速传感器构成的闭环控制系统实现调速和稳定速度。分控制器plc200在设定完目标转速后与转速传感器反馈的实际转速进行比较，然后根据结果通过指令控制柴油升速、降速和维持此速度，从而实现柴油机的转速，实现了柴油机转速的自动控制。

一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制系统，包括：工控机、主控制器plc、分控制器；

工控机根据需求配置柴油机水环泵机组工作数量，并将配置的工作数量发送给主控制器plc，主控制器plc向需要工作的柴油机水环泵机组对应的分控制器下发启动指令；

接到启动指令的分控制器运行，分控制器启动润滑油泵并运行一段时间，保证柴油机内各部位充分润滑；

分控制器打开柴油机的外循环水进水电磁阀；

分控制器启动柴油机，当柴油机转速达到第一区间转速，柴油机启动完毕，柴油机稳定运行一段时间后将转速升至第一转速，开始对柴油机进行暖车；

当柴油机油温和内循环水水温升到t1温度时，齿轮箱具备合排条件，分控制器将柴油机转速升至第二区间转速，齿轮箱合排；

齿轮箱合排后分控制器将柴油机转速升至第三区间转速，继续暖车；当柴油机内的柴油温度和内循环水温度到达t2温度时，柴油机水环泵机组暖车结束；

分控制器将转速升至第四区间转速，柴油机水环泵机组启动完成；

分控制器控制柴油机水环泵机组抽真空，抽真空结束后，主控制器向分控制器发出停机指令；

分控制器收到停机指令后，柴油机降速至第五区间转速，运行一段时间后，分控制器控制柴油机转速降至第六区间转速后，齿轮箱脱排；分控制器控制柴油机柴油温度和内循环水温度降至t3以下，将柴油机转速降为零，柴油机停机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了以船用中速柴油机作为真空泵的动力驱动机械式真空泵抽排气。所用真空泵单台排量达54000m3/h,功率达1.2mw，台数为8台。克服了由于总功率过大所在地供电不能满足需求的困难。

(2)本发明首次实现了柴油机驱动的水环真空泵机组自动气动、自动暖车、自动合离合器、自动供应外循环冷却水、自动升转速、自动加负载、自动介入抽真空、自动停止抽真空、自动降速、自动分离离合器、自动冷却、自动停机等机组运行的全流程自动化，操作人员只需点击启动停止两个按钮即可实现机组的自动化操作。

(3)本发明柴油机真空泵设备组合全工作流程的自动控制技术是非常创新的，自动控制系统采用基于dp总线的分布式架构，各分系统独立运行，控制单个柴油机水环泵动作，采集相应传感器信息，同时接受顶层总控制器协调动作，保证自动控制流程有序的进行。

(4)本发明基于机械调速柴油机的转速自动控制技术是非常创新的，柴油机转速是自动控制流程的关键控制量同时也是自动控制进程的重要标志，因此柴油机转速控制是至关重要的，本发明中采用plc200控制机械柴油机转速，满足控制要求。

(5)本发明柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法，使8套柴油机水环泵机组实现了操作人员只需点击启动停止两个按钮即可实现其中几台或全部机组的自动化操作，大大减少了人员需求，使得系统的运行成本下降。

附图说明

图1为本发明柴油机驱动超大流量真空泵自动控制系统结构原理图。

图2为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法及系统，本控制方法的控制系统上位机为研华工控机，下位机采用dp总线的分布式架构，主控制器为西门子plc300协调各分控制器动作，分控制器为西门子plc200控制单个柴油机水环泵机组动作。控制对象包括8台柴油机水环泵机组，可以根据需求任意控制这8台柴油机水环泵机组中的任意几台或所有8台的自动启动、运行和停止，大大减少了人员需求，使得系统的运行成本下降。本发明自动控制系统采用基于dp总线的分布式架构，各分系统独立运行，控制单个柴油机水环泵动作，采集相应传感器信息，同时接受顶层总控制器协调动作，保证自动控制流程有序的进行。

如图1所示，本发明柴油机驱动超大流量真空泵自动控制系统，包括：工控机、主控制器plc300、8个分控制器plc200、8个柴油机控制器。各部分功能如下：

(1)工控机：在控制间用来运行上位机软件，实现人机交互，通过tcp/ip协议读取、显示柴油机关键参数(包括柴油机油压、柴油机冷却水压、柴油机油温、柴油机冷却水水温、柴油机转速等)及柴油机水环真空泵机组工作进程；根据不同需求配置柴油机水环真空泵机组工作的工况(根据抽气量要求结合柴油机本身的是否能能够正常工作，一次试验中可能会选择8台柴油机中任意几台运行，所以每次试验自动控制的流程会有所不同)，并将配置信息下发给主控制器plc。

(2)主控制器plc，在控制间用来协调各分控制器plc200有序运行，通过以太网与工控机进行信息交互，上传给工控机柴油机关键参数和柴油机水环真空泵机组工作进程；

同时，主控制器plc接收工控机下发的配置信息；通过以太网通过dp总线与各分控制器plc200进行信息交互，接收分控制器plc200采集的各分柴油机水环泵的工作信息，给各分控制器plc200下发控制命令，通过主控制器plc控制柴油机水环泵机组入口处的控制水阀启闭和流量。

柴油机水环泵机组入口与水源之间通过管路连接。在管路上设有水流量控制阀，控制管路流量；还设有电磁阀，控制管路启闭；水流量控制阀；

(3)分控制器plc200：在柴油机旁用来接收主控制器的起停命令，按照分控制器中预先设定的流程控制柴油机、齿轮箱和水环真空泵工作并实时将工作进程和柴油机关键参数上传主控制器；分控制器plc200通过modbus总线读取柴油机控制器上传的柴油机的参数信息；分控制器plc200采集齿轮箱内传感器采集到的齿轮箱工作信息(齿轮箱温度、齿轮转速等齿轮箱参数)。

(4)柴油机控制器：用来读取柴油机上传感器采集到的关键参数(柴油压力、柴油温度、内循环水温度等柴油机相关参数)并上传各分控制器。

柴油机驱动超大流量真空泵自动控制系统的控制对象为：柴油机水环真空泵机组，包含：柴油机、齿轮箱和水环真空泵，柴油机给齿轮箱输出动力，齿轮箱工作带动水环真空泵工作，水环真空泵能够对密闭空间抽真空处理。

柴油机，包括润滑油泵，润滑油泵工作后能够将润滑油打到柴油机内各部分实现润滑；

如图2所示，柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法，步骤如下：

1)根据需求,由工控机配置柴油机水环泵机组工作数量，并将配置的工作数量发送给主控制器plc，主控制器plc向需要工作的柴油机水环泵机组对应的分控制器下发启动指令；

2)接到启动指令的分控制器运行，启动润滑油泵并运行一段时间，保证柴油机内各部位充分润滑。

3)打开柴油机的外循环水进水电磁阀；

4)启动柴油机，当柴油机转速达到200转/分钟～250转/分钟之间，柴油机启动完毕，柴油机稳定运行一段时间后将转速升至450转/分钟，开始对柴油机进行暖车(暖车指柴油机由低转速升到额定转速并具备带负载工作的过程)。

5)当柴油机油温和内循环水水温升到t1温度时，齿轮箱具备合排条件(合排指通过齿轮箱动作使柴油机带动真空泵运行)，将柴油机转速升至490转/分钟～510转/分钟，齿轮箱合排；

6)齿轮箱合排后将柴油机转速升至890转/分钟～910转/分钟，继续暖车。当柴油机内的柴油温度和内循环水温度到达t2温度时，柴油机水环泵机组暖车结束。

7)将转速升至990转/分钟～1010转/分钟，柴油机水环泵机组启动完成。

8)柴油机水环泵机组抽真空结束后，主控制器向分控制器发出停机指令，

9)分控制器收到停机指令后，柴油机降速至500转/分钟～510转/分钟，运行一段时间后，进行步骤10。

10)柴油机转速降至440转/分钟～450转/分钟后，齿轮箱脱排。(脱排指通过齿轮箱动作使柴油不再带动水环泵工作)

11)柴油机柴油温度和内循环水温度降至59度一下，将柴油机转速降为0，柴油机停机流程结束。

柴油机水环泵机组启动完成后就具备抽真空的能力，可等待外部系统触发介入抽真空和停止抽真空的命令，自动进入相应的工作步骤。

在步骤1中，确定润滑油泵公式为：t＝kv/f

其中，t为润滑油泵运行的时间；k为比例系数(取1.5)；v为需要润滑的体积，单位为m³；f为泵的流量，单位m³/min.

柴油机水环泵机组启动过程依次为：1、柴油机启动并稳定运行；2、等待柴油机具备由低速升到高速条件(及柴油机油温和内循环水水温都达到温度t1)3、柴油机与水环泵合排；4、柴油机带动水环泵升速到额定转速1000转/min；5、等待触发进入抽真空。柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法的启动过程步骤设计便来源于此。

柴油机水环泵机组停机过程依次为：1、柴油机由额定转速降至低速；2、柴油机与水环泵脱排；3、待柴油机油温和外循环水温度降至59度以下将柴油机转速降为0；4、柴油机水环泵机组停机结束。柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法的停机过程步骤设计便来源于此。

自动控制流程中t1的取值范围为37摄氏度～43摄氏度。此为柴油机转速达到500转/min后提升到额定转速要求的柴油温度和内循环水温度；t2的取值范围为58摄氏度～62摄氏度。此为柴油机水环泵机组带负载运行前柴油油温和内循环水水温需要达到的温度。

柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法以船用中速柴油机作为真空泵的动力驱动机械式真空泵抽排气。克服了由于总功率过大所在地供电不能满足需求的困难。其中，真空泵指标为排量达54000m3/h,额定功率达1.2mw；柴油机指标额定转速1000转/min,额定功率达1.44mw。

自动控制系统采用基于dp总线的分布式架构，各分系统独立运行，控制单个柴油机水环泵动作，采集相应传感器信息，同时接受顶层总控制器协调动作，保证自动控制流程有序的进行。其中主控制器plc的cpu型号为315，支持dp主站或dp从站，指令运行速度为0.1ms/1000条指令。自动控制系统中分控制器plc的cpu型号224xp，含有两个rs-485通信，最多可扩展7个模块，其扩展的通信模块为em77，用于连接dp现场总线。

此控制方法中柴油机由分控制器plc200和转速传感器构成的闭环控制系统实现调速和稳定速度。分控制器plc200在设定完目标转速后与转速传感器反馈的实际转速进行比较，然后根据结果通过指令控制柴油升速、降速和维持此速度，从而实现柴油机的转速，实现了柴油机转速的自动控制。

本发明的一种柴油机驱动超大流量真空泵自动控制系统，包括：工控机、主控制器plc、分控制器；

工控机根据需求配置柴油机水环泵机组工作数量，并将配置的工作数量发送给主控制器plc，主控制器plc向需要工作的柴油机水环泵机组对应的分控制器下发启动指令；

接到启动指令的分控制器运行，分控制器启动润滑油泵并运行一段时间，保证柴油机内各部位充分润滑；

分控制器打开柴油机的外循环水进水电磁阀；

分控制器启动柴油机，当柴油机转速达到200转/分钟～250转/分钟，柴油机启动完毕，柴油机稳定运行一段时间后将转速升至450转/分钟，开始对柴油机进行暖车；

当柴油机油温和内循环水水温升到t1温度时，齿轮箱具备合排条件，分控制器将柴油机转速升至490转/分钟～510转/分钟，齿轮箱合排；

齿轮箱合排后分控制器将柴油机转速升至890转/分钟～910转/分钟，继续暖车。当柴油机内的柴油温度和内循环水温度到达t2温度时，柴油机水环泵机组暖车结束；

分控制器将转速升至990转/分钟～1010转/分钟，柴油机水环泵机组启动完成；

分控制器控制柴油机水环泵机组抽真空，抽真空结束后，主控制器向分控制器发出停机指令；

分控制器收到停机指令后，柴油机降速至500转/分钟～510转/分钟，运行一段时间后，分控制器控制柴油机转速降至440转/分钟～450转/分钟后，齿轮箱脱排；分控制器控制柴油机柴油温度和内循环水温度降至t3以下，将柴油机转速降为0，柴油机停机。

本发明实现了以船用中速柴油机作为真空泵的动力驱动机械式真空泵抽排气。所用真空泵单台排量达54000m3/h,功率达1.2mw，台数为8台。克服了由于总功率过大所在地供电不能满足需求的困难。

本发明首次实现了柴油机驱动的水环真空泵机组自动气动、自动暖车、自动合离合器、自动供应外循环冷却水、自动升转速、自动加负载、自动介入抽真空、自动停止抽真空、自动降速、自动分离离合器、自动冷却、自动停机等机组运行的全流程自动化，操作人员只需点击启动停止两个按钮即可实现机组的自动化操作。而且，本发明柴油机真空泵设备组合全工作流程的自动控制技术是非常创新的，自动控制系统采用基于dp总线的分布式架构，各分系统独立运行，控制单个柴油机水环泵动作，采集相应传感器信息，同时接受顶层总控制器协调动作，保证自动控制流程有序的进行。

本发明基于机械调速柴油机的转速自动控制技术是非常创新的，柴油机转速是自动控制流程的关键控制量同时也是自动控制进程的重要标志，因此柴油机转速控制是至关重要的，本发明中采用plc200控制机械柴油机转速，满足控制要求，而且本发明柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法，使8套柴油机水环泵机组实现了操作人员只需点击启动停止两个按钮即可实现其中几台或全部机组的自动化操作，大大减少了人员需求，使得系统的运行成本下降。

本发明的效果显著，使用本发明的柴油机驱动超大流量真空泵自动控制方法的实现大大减少了人员需求(人员需求由原来的8人降至3人)，使得系统的运行成本下降，且将设备运行繁琐的过程固化到控制器中，在柴油机水环泵机组的运行过程中操作人员只需要点击启动和停止两个按钮，大大减少了人为因素带来的设备运行故障。