流量平衡閥試驗平臺設計與實現

王連進，趙一凡，儀垂杰，路全忠，夏浚銘

（1.青島大學 機電工程學院，青島 266071；2.華能青島熱電有限公司，青島 266400）

0 引言

流量平衡閥是調節水力平衡的重要元件，廣泛應用于城市供水系統管網中尤其是供熱管網中，對于調節供熱管網中水力平衡起著至關重要的作用[1]。流量平衡閥的設計和制造加工精度直接影響供水管網的水力平衡的性能，為了保證流量平衡閥的高質量、高精度、在實際工作中的安全性和高穩定性，在設計出廠時必須經過嚴格的檢測。因此，設計開發了一種基于組態的流量平衡閥的試驗平臺。本文設計的流量平衡閥檢測平臺具有檢測精度高、占地面積小、溫度范圍大、長期穩定性好以及可以適用于不同口徑的平衡閥等特點，對于提高流量平衡閥的試驗檢測水平和設計制造水平有著十分重要的意義。

1 試驗平臺的硬件方案設計

1.1 試驗管道的結構設計

試驗平臺的硬件各部本試驗平臺硬件結構主要包括：試驗管道、變頻水泵和變頻器、各種類型的傳感器等部件組成，整體布局如圖1所示。

1.2 水泵和變頻器的選型

為了保證本試驗臺能夠連續調節流量平衡閥前后壓差和管道內的流量，選用GWS-BS64-117型三相交流變頻潛水泵，水泵電機功率為37KW，最大揚程157m，流量為30m3/h。該種類型水泵可實現高精度恒壓供水，同時還具有高可靠性、高穩定性、缺水保護、低功耗、低噪音、價格相對低廉等特點，較好的滿足流量平衡閥的測試條件[2]。

在滿足變頻水泵的使用要求和研發經濟性情況下，選用ABB公司型號為ACS510-01-157A-4，電機的額定功率為75KW、額定輸出電流為157A的變頻器。這款變頻器還具有噪音小、安裝簡單、隨著負載的降低時自動減低電機的磁同等特點，極大地降低了成本，同時內置RS485接口使用Modbus協議便于和控制器相連接。

圖1 試驗平臺硬件整體布局圖

表1 傳感器選型表

1.3 傳感器選型和布置

傳感器選型的一般原則如下：

工藝過程的條件：工藝過程的溫度、壓力、流量、粘度、腐蝕性、毒性等因素是決定儀表選型的主要條件，它關系到儀表選用的合理性、儀表的使用壽命及車間的防火、防爆、保安等問題。操作上的重要性：各檢測點的參數在操作上的重要性是儀表的指示、記錄、積算、報警、控制等功能的選定依據。經濟性和統一性：儀表的選型也決定于投資的規模，應在滿足工藝和自控的要求前提下，進行必要的經濟核算，取得適宜的性價比。為便于儀表的維修和管理，在選型的時候也要注意到儀表的統一性。儀表的使用：選用的儀表應是較為成熟的產品，經現場使用證明性能可靠的[3]。

根據以上傳感器選型的一般原則，結合實際試驗條件，傳感器選型如表1所示。

根據閥門的安裝位置、數據采集點位置和實驗室條件，流量傳感器布置在閥門的出口位置，壓差傳感器布置在閥門進出口兩端，將溫度傳感器布置在集水器上。該流量平衡閥試驗平臺的管道實際布局如圖2所示。

圖2 實驗室管理實際布局圖

2 試驗平臺的軟件設計方案

設計的流量平衡閥試驗平臺控制器采用SNAP PAC系列（美國Opto22公司開發）。該系列的系統是一款基于工業以太網和PC的集散分布式I/O控制系統，主要應用于石油化工、新能源電力、水處理、交通管控、生產制造、試驗檢測等領域。在實際工業生產中，可以根據檢測監控現場不同的數據采集需要，形成從一個點到幾十萬個點的可多可少的檢測監控系統。

PAC Project 9.6組態開發軟件是美國Opto22公司提供的一整套大型綜合性的工業過程控制應用軟件，主要由PAC Control、PAC Manger、PAC Display等幾部分組成。這幾部分通過共同的COM接口連接，共享實時數據。

2.1 控制策略的設計

2.1.1 數據采集模塊

根據所設計的流量平衡閥試驗平臺管路數量的實際需要和數據采集的點數，系統選用了Opto22 SANPPAC-R2的控制器、Opto22 SNAP-PAC-RCK16的底板、4個Opto22 SNAP模擬量輸入I/O、2個模擬量輸出I/O、1個數字量輸入I/O、1個數字量輸出I/O，可完成對20個測點的數據采集。Opto22公司提供的軟件開發環境PAC Project9.6具備了完整的組態開發能力，具備強大的I/O和網絡通信分析處理能力，可以實現和具有相同通信協議的設備進行實時通信。

2.1.2 I/O模塊的配置

I/O控制策略主要是完成數據的采集和過程的控制的組態軟件單元。I/O控制策略的配置主要是依靠PAC Project9.6開發平臺的PAC Control軟件來編寫程序。

建立I/O策略，就是要配置控制引擎、I/O單元和I/O點。策略核心的部分為控制引擎，可以管理現場的所有控制器，指揮各個控制器完成自己相應的工作[4]。本試驗平臺系統需要的測點較少，因此只應用了一個控制器c1（IP地址為192.168.1.101）。這樣上位操作機就可以訪問該控制器的注冊表獲取其數據信息。配置I/O單元，需要配置I/O單元的處理器和I/O模塊。每一控制策略可以包含多個I/O單元。如圖3、圖4所示。

2.1.3 流程圖編程和下載運行

圖3 I/O單元控制器配置界面

圖4 I/O模塊配置界面

PAC Control為編程人員提供的是一種流程圖式的編程方式，這種編程方式十分形象展示了程序的運行過程，通過一個個流程框圖來完成程序的編寫，復雜的程序可以用Opto Script腳本控制語言來編寫。這種編程方式給出了四類程序塊：動作塊、條件塊、繼續塊和腳本語言塊。通過連線將各個塊進行連接，完成其流程圖的順序、循環和選擇的結構。編寫好的程序將以Chart的形式保存下來，有相應的處理器自動調用。

當策略編寫調試完成后，通過PAC Control下載到控制器中，保存在控制器的閃存（Flash Memory）中，當控制器上電和與上位機連接時，可完成系統的自動運行。

2.2 檢測平臺軟件的結構和實現

2.2.1 組態軟件的結構

本流量平衡閥試驗平臺的軟件核心是系統軟件構架，主要是由現場監控系統和數據管理系統構成。現場監控系統的作用是采集及匯總現場數據，實時顯示控制界面和數據趨勢，及發生危險情況的報警；數據管理系統的主要作用是分析管理采集到的數據，報表輸出數據，和相關歷史數據的查詢。兩系統有機的結合在一起，才能實現整個試驗平臺的功能[5,6]。

2.2.2 人機交互界面（HMI）的實現

本試驗平臺應用的PAC Display是PAC Project 9.6組態軟件開發平臺提供的人機交互界面設計應用軟件。本試驗平臺的人機交互界面為操作人員展示各個管路的實時動態，各數據的實時和歷史數據曲線，具有完備的聲光報警系統，簡單易操作，適用于各類型的用戶。人機交互界面如圖5所示。

圖5 試驗平臺人機交互界面

3 實驗運用

應用本流量平衡閥測試平臺對一種口徑為DN50的自力式流量平衡閥進行動態性能的測試，測試條件為溫度室溫25℃，選擇回程壓差為100kPa，變頻器頻率25Hz，加速時間1800秒。該閥門流量特性曲線的如圖6所示。

圖6 流量平衡閥流量-壓差特性曲線

通過特性曲線的分析，回程曲線與進程曲線基本重合，可以得出在該閥門的工作區間內，誤差在1%以內達到了設計要求[7]。

4 結論

本試驗臺采用先進的DCS技術、虛擬儀器技術和變頻控制技術，實現了全范圍的連續測量和測試過程全參數實時監控，不但加快了測量的進程，提高了測量的準確性，而且便于調試，降低了實驗成本，同時具有自動化和信息化程度高的特點，是流體平衡閥技術研究開發和制造生產的有力工具。該試驗臺的主要功能有閥門流量特性曲線的連續測試、流體設備及管網流量-阻力特征測試、變頻恒流量控制系統測試和流體管網特征測試。通過實際應用，該流量平衡閥試驗平臺能夠獲得較好的試驗檢測效果，在實際流量平衡閥設計和生產中具有一定的應用價值。