流體性能綜合控制實驗裝置研制

肖建昆， 陸金銘， 陳代芬， 萬 偉

(江蘇科技大學 能源與動力工程實驗中心， 江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

離心泵是工業上用于輸送液體的最廣泛的機械之一，掌握泵的性能特點并合理使用泵是工程技術人員必須具備的能力；流體流量測試、液位自動控制、變頻控制都是日常生活及工業生產中廣泛運用的技術知識及方式[1-5]。目前我校能源與動力工程、輪機工程專業開設“船舶輔機”、“輪機自動化”、“測試技術”以及“可編程控制器原理及應用”、“自動控制基礎”等課程，教學中關于“離心泵性能、液位控制、流量測量及控制”等相關知識點，是本科教學過程中教學大綱規定的非常重要的專業知識與實驗內容。

外購儀器設備不僅價格昂貴，實驗功能單一，不能適應當前實驗教學體系及相應的實驗內容的變化要求，也不具備對所學知識理論的綜合運用能力，滿足不了高校培養創新型人才的需要[6-7]。為此根據實驗室教學的需要，利用有限的場地和資金資源，提出設計制造“流體性能綜合控制實驗裝置”，研制出符合本專業自身需求的實驗教學設備。該測試系統的建成，能很好地滿足當前本科實驗教學工作，并可作為課程設計、畢業設計的實踐平臺。

1 實驗裝置系統設計

實驗裝置系統總體方案包括系統管路布置制作和控制部分硬件接線及軟件編程[8-11]。系統由離心泵、管路、電磁閥、液位計、流量調節閥、支架、壓力表、真空表、流量計、連接件、水池、水箱、附件及控制系統軟、硬件等設備組成，如圖1所示。

(a) 系統管路及支架布置示意圖

(b) PLC變頻控制系統硬件接線圖

主要的技術選型如下：

(1) MS60/0.55輕型臥式單級離心泵2臺，流量Q=3.6 m3/h、揚程H=19.5 m、功率W=0.55 kW。

(2) 流量測量采用孔板流量計,并配有電磁流量計、電子差壓計，可進行流量測量。或者根據水箱體積法測得流量，進行孔板流量計的標定；流體控制由電磁閥、流量調節閥進行電控調節。

(3) 壓力變送器：Y-100型，0～0.6 MPa,真空度變送器：-0.1～0 MPa。

(4) 水箱采用PVC,水池采用不銹鋼制成，所用介質為清水，循環設計。

(5) 控制臺及裝置結構緊湊、外形美觀，流程簡單、操作方便、節能。

(6) 計算機TCP/IP通信、SIEMENS變頻器、PLC及WinCC組態控制顯示。

設計過程中，考慮實驗設備的經濟性、小型化，離心泵流量、功率不宜選用過大，否則相應的水箱、管路、調節閥、流量計成本將增大。以往化工類實驗裝置要么是單純的手動方式驗證泵的性能曲線(流量Q—揚程H、流量Q—功率W、流量Q—效率η)，不能進行泵電機調速，達不到測試變速特性；或者通過電控單臺泵測試，不能研究雙泵的串、并聯性能；或者單獨水位控制裝置，沒有泵的性能測試等等[12-13]。本實驗裝置綜合了泵的定速、變速、串并聯特性、水位控制、流量測量及孔板標定、變頻調速、PLC控制等工科類知識點，能讓學生對所學理論知識進行綜合運用。這種綜合性的實驗裝置的開發，對于激發學生的學習、創新欲望，培養創新能力有較大幫助。實驗裝置預留PLC控制接口，讓學生自主編程設計相關的實驗，達到很好的綜合性、設計性實驗教學目標。

2 實驗項目

流體性能綜合控制實驗裝置可針對離心泵定、變速特性，串并聯特性，研究離心泵性能及工作特點；流量測量及孔板標定，學習掌握流量測試和孔板系數標定的方法；水箱液位控制，學習液位控制方法；PLC控制、變頻調速，學習PLC編程、變頻控制等知識[14-15]。涉及知識面寬，無論是本科教學還是研究生教學、畢業設計，都能起到鞏固和加深學生對知識的理解，拓展學生的知識綜合運用能力，滿足教學與科研的需要。

根據本學院相關專業教學大綱的要求，本實驗裝置設計的實驗項目包括:① 變頻調速控制實驗；② 水箱液位控制實驗；③ 流量測量及孔板流量計標定；④ 離心泵定速特性實驗；⑤ 離心泵變速特性實驗；⑥ 離心泵串、并聯特性實驗。覆蓋了能源與動力工程、輪機工程專業課程中的離心泵特性、流量測量、孔板標定、PLC控制、變頻調速、水箱液位控制等相關實驗，實現自動控制的功能。并且預留端口待后續開發，可以進行PLC基本指令及計算機編程軟件的應用實驗及本科創新計劃實施。

3 裝置操作與實驗

實驗裝置如圖2所示。系統的設計主要包含多路模擬量和開關量。模擬量主要包括：孔板流量計壓差、電磁流量計流量、液位計電壓、1#離心泵吸入真空、2#離心泵吸入真空、排出壓力、流量控制閥P04；開關量主要包括開關閥P01、P02 、P03；變頻器及電源開關、報警復位等。

圖2 實驗裝置圖

3.1 實驗裝置的操作

在實驗過程中，可進行單臺泵測試，也可進行雙泵(串、并聯)測試，分別獲取相應的實驗數據，得到其性能曲線、流量系數等。系統操作主界面如圖3所示。

圖3 軟件運行操作界面

(1) 1#離心泵單獨工作。1#離心泵單獨工作備妥(P01、P02、P04全部關閉)；打開離心泵的電源開關，啟動離心泵(為防止離心泵啟動功率過大產生燒泵危險，故需要關閉流量閥P04)；調節P04的開度，依次記錄實驗數據；調節變頻電機的轉速，按以上方法依次計算實驗數據。

(2) 離心泵并聯工作。1#、2#離心泵并聯工作備妥(P01、P04全部關閉，P02 、P03打開)；打開1#、2#離心泵的電源開關，啟動離心泵；調節P04的開度，依次記錄實驗數據；調節變頻電機的轉速，記錄實驗數據。

其余包括2#泵單獨工作及雙泵串聯，可根據圖3的管路設置進行調節操作，實驗過程中，可以鍛煉學生對管路、閥門工作過程開關控制的理解與操作，也可以對4種工作方式進行一鍵設置。

3.2 實驗及數據處理

本實驗裝置可進行數據信號采集及存儲，以便讓學生對實驗數據進行處理與分析，繪制性能曲線。充分利用計算機及控制技術，讓學生學習了知識，鍛煉了能力。在不同項目的實驗過程中，進行分工況運行，待工況穩定后得到相應的性能參數、離線數據。圖4為離心泵定速特性測試數據及制取的性能曲線圖。

4 結 語

利用PLC、變頻控制，結合WinCC組態平臺，設計制作出流體性能綜合控制實驗裝置。本實驗裝置涵蓋了離心泵特性、流量測量及標定、水箱液位控制、PLC控制、變頻調速等知識，充分拓展了本專業學生知識綜合運用能力，使得實驗設備功能及實驗項目不再單一及簡單枯燥，在完成相關指定實驗項目的基礎上，并且預留端口待后續開發，學生還可以進行PLC基本指令及計算機編程軟件的應用實驗，并可作為課程設計、畢業設計等實踐教學平臺。實驗裝置在設計制作的過程中，由于經驗不足，功能及制作工藝方面還有待進一步完善。

圖4 離心泵定速特性測試結果

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