泵站性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方貴盛，邱海亮，尹世玉，謝榮盛

（浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

泵站性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置作為一種重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為水利類院校機(jī)械、水利專業(yè)學(xué)生開展《水泵與水泵站》《水利機(jī)械模塊綜合實(shí)踐》課程教學(xué)，提供了很好的實(shí)踐平臺(tái)，對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，起到了良好的促進(jìn)作用［1-3］。在實(shí)際使用過程中，存在著實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)少、實(shí)驗(yàn)成本高等問題。實(shí)驗(yàn)裝置體型龐大，占地面積多，建設(shè)成本高，只能采購一套設(shè)備。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，就必須進(jìn)行分組教學(xué)，這給實(shí)驗(yàn)教師帶來了多倍工作量的增加。另外做一次實(shí)驗(yàn)，需要30～40 t水，實(shí)驗(yàn)做完后水需要排空。如果不排空，會(huì)使儲(chǔ)水箱和管道銹蝕，影響設(shè)備的壽命。這不僅造成水資源的浪費(fèi)，也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本增高。為解決以上問題，借建設(shè)機(jī)械工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的機(jī)會(huì)，進(jìn)行了泵站性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)工作，并將其應(yīng)用到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，作為實(shí)物裝置的補(bǔ)充，取得了良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，隨著計(jì)算機(jī)、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)＋等技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生［4-5］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來眾多好處，學(xué)生可以不受時(shí)空限制開展線上實(shí)驗(yàn)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本等［6-7］。近幾年來，國(guó)家和省市教育主管部門都把發(fā)展虛擬仿真作為一項(xiàng)提升高校教學(xué)質(zhì)量的重要舉措來抓，并出臺(tái)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等多項(xiàng)政策，受到了各高校的重視。目前對(duì)水利、水電類專業(yè)已開發(fā)出的典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有水電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［8］、污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［9］、流體力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［10］，以及其他虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［11-14］。

1 泵站性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

泵站綜合性能測(cè)試裝置由水循環(huán)、測(cè)量控制、動(dòng)力與配電等系統(tǒng)組成，如圖1 所示。水循環(huán)系統(tǒng)由進(jìn)水罐、出水罐、儲(chǔ)水罐及其管路組成，總長(zhǎng)約60 m，水體容積約50 m3。水罐下方有補(bǔ)水、排水管路，中部設(shè)進(jìn)入孔和斜向進(jìn)出口，上部設(shè)集氣槽和集氣桶，方便排除罐體中的氣體，同時(shí)也方便外接真空管路、壓力管路等設(shè)施。水罐前后有進(jìn)出水口，其中進(jìn)水罐的出口和出水罐進(jìn)口為大型平板封頭，用法蘭盤聯(lián)接固定，便于與各種流道連接。進(jìn)水罐和出水罐內(nèi)部安放穩(wěn)流柵，用于減少試驗(yàn)時(shí)的水流波動(dòng)。測(cè)量控制系統(tǒng)包括各種傳感器、數(shù)據(jù)顯示儀表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理程序、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電腦、PLC等，主要用于對(duì)水泵的流量、壓力、壓差、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與顯示。動(dòng)力與配電系統(tǒng)主要包括主電動(dòng)機(jī)、輔助泵、真空泵、空壓機(jī)、電動(dòng)閥、電磁閥和配電柜等，主要為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置提供動(dòng)力，并進(jìn)行自動(dòng)控制。

泵站綜合性能測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)封閉式與開放式兩套水循環(huán)工作方式。通過對(duì)試驗(yàn)段的拆裝調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)不同泵型、不同試驗(yàn)內(nèi)容的改變。試驗(yàn)內(nèi)容包括300 mm及以下多種類型水泵的能量性能、汽蝕性能、飛逸特性、動(dòng)態(tài)過渡特性、內(nèi)特性試驗(yàn)；水力機(jī)械水流脈動(dòng)特性試驗(yàn)；水泵葉輪開發(fā)測(cè)試等。配合現(xiàn)代激光測(cè)試設(shè)備，可對(duì)工作狀態(tài)的水泵、泵裝置、進(jìn)出水流道、進(jìn)水池等過流設(shè)施進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)流態(tài)觀測(cè)。

圖1 泵站綜合性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

2 泵站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

泵站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以機(jī)電一體化仿真軟件（Virtual Universe Pro，VUP）為開發(fā)工具。VUP是一款集電工電子、液壓與氣動(dòng)、PLC、單片機(jī)、機(jī)械自動(dòng)化等多種功能的虛擬仿真系統(tǒng)，它能夠在三維環(huán)境下對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行帶物理屬性的仿真。這里的控制對(duì)象可以是系統(tǒng)自帶的三維模型，也可以是從其他三維設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)入的三維模型，如Solidworks、CREO、UG 等。在VUP環(huán)境下，用戶可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行動(dòng)作設(shè)置、I／O配置等。VUP軟件可用于企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，也可用于高校進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)?；赩UP軟件，目前已開發(fā)出多種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如啤酒生成線、機(jī)床虛擬仿真操作等［15］。通過Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行泵站模型構(gòu)建，然后導(dǎo)入到VUP 環(huán)境中，進(jìn)行父子層級(jí)關(guān)系設(shè)置，以及顏色材質(zhì)光照質(zhì)量重力等物理屬性設(shè)置，再通過PLC進(jìn)行控制，達(dá)到可視化運(yùn)動(dòng)仿真的目的。整個(gè)平臺(tái)分為4 個(gè)部分：人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、虛擬仿真環(huán)境構(gòu)建、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可視化運(yùn)動(dòng)控制仿真。其總體設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。

3 泵站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬模型構(gòu)建

圖2 泵站綜合性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

設(shè)計(jì)逼真的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要構(gòu)造三維場(chǎng)景模型。VUP提供了一些基本的3D零件和特制的零件組合模塊供用戶使用，如立方體、圓柱體、輸送帶等。但是這些零件庫不能滿足像泵、閥這樣復(fù)雜的模型，需要借助于專業(yè)化三維CAD軟件進(jìn)行復(fù)雜零件建模，再導(dǎo)入到VUP 環(huán)境中，進(jìn)行后續(xù)控制仿真。由于VUP軟件可以直接將Solidworks軟件構(gòu)建的三維模型通過3DXML格式導(dǎo)入到虛擬仿真環(huán)境中，不需要其他的格式轉(zhuǎn)換，因此本項(xiàng)目所需要的泵站3D 模型均通過SolidWorks三維CAD軟件來構(gòu)建。

泵站裝置尺寸較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不易測(cè)量等問題，導(dǎo)致可測(cè)量尺寸的不完整，在實(shí)際測(cè)量過程中，難免會(huì)存在誤差，所以部分尺寸需要根據(jù)已測(cè)得尺寸通過查表配對(duì)補(bǔ)充。再根據(jù)所繪草圖使用AutoCAD軟件繪制出完整的CAD二維圖，以及用SolidWorks軟件構(gòu)造出其三維模型圖。經(jīng)零部件裝配后通過3DXML格式將三維模型裝配圖導(dǎo)入到VUP 虛擬仿真環(huán)境中，具體繪制的模型如圖3 所示。

圖3 泵站性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置三維虛擬仿真模型

4 泵站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 人交互界面

整個(gè)人機(jī)交互界面分為3 個(gè)部分：泵站虛擬仿真模型操作區(qū)域、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與手動(dòng)操作界面。在泵站虛擬仿真模型操作區(qū)域（中間區(qū)域），用戶可以通過鼠標(biāo)中鍵和右鍵對(duì)3D 模型進(jìn)行平移、縮放和視角調(diào)整等。在參數(shù)設(shè)置人機(jī)交互界面區(qū)（右下角區(qū)域），用戶可以對(duì)系統(tǒng)啟、停進(jìn)行控制、對(duì)手動(dòng)與自動(dòng)操作模式進(jìn)行切換，對(duì)3 種流道類型進(jìn)行選擇，對(duì)閘閥的開度、主泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、主泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在數(shù)據(jù)顯示與手動(dòng)操作界面區(qū)（左側(cè)區(qū)域），用戶可對(duì)閘閥、蝶閥、主泵、輔助泵等進(jìn)行單獨(dú)控制，可以觀看5 個(gè)蝶閥的工作狀態(tài)，可查看當(dāng)前的流量、揚(yáng)程、軸功率、效率等數(shù)據(jù)，也可以觀看H、N、η 隨流量變化的動(dòng)態(tài)曲線等。

圖4 系統(tǒng)人機(jī)交互界面

4.2 可視化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制

仿真平臺(tái)的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理需要依托虛擬3D元件來創(chuàng)建。為在構(gòu)建仿真系統(tǒng)時(shí)便于分辨不同的功能塊，將元件分模型塊、數(shù)據(jù)塊、控制塊三部分分塊添加。其中模型塊元件通過對(duì)外部SolidWorks三維軟件建立的3D模型導(dǎo)入得到的3D元件；數(shù)據(jù)塊元件為系統(tǒng)內(nèi)部直接添加的對(duì)象，主要用于承載、傳遞、處理數(shù)據(jù)；控制塊元件也為系統(tǒng)內(nèi)部直接添加的對(duì)象，主要用于PLC 控制器的設(shè)置和調(diào)試，對(duì)不同功能PLC控制器的分類等，如圖5 所示。

各數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)主要通過腳本程序來實(shí)現(xiàn)。腳本程序是VUP軟件用于完成某項(xiàng)工作任務(wù)的程序，是一些命名語句的集合，如揚(yáng)程（H）隨流量（Q）實(shí)時(shí)變化的腳本程序如圖6 所示。

4.3 PLC虛擬控制系統(tǒng)

PLC虛擬控制系統(tǒng)是通過PLC 程序?qū)λ袛?shù)據(jù)、動(dòng)作、功能進(jìn)行綜合、統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)與動(dòng)作”“動(dòng)作與動(dòng)作”的聯(lián)動(dòng)。PLC 虛擬控制系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建起著決定性的作用，直接影響最終的仿真結(jié)果。

圖5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)元件

圖6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的腳本程序

VUP通過設(shè)置3D元件中預(yù)定義和可配置的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)I／O的設(shè)置。如驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟、停控制，需要為元件“驅(qū)動(dòng)電機(jī)”添加主控制器參數(shù)“main＿n”，動(dòng)作參數(shù)“start ＿ time ＿ n”“setspeed ＿ n”“count ＿ n”“ADDcontrol＿n”“start＿delay＿n”“start＿n”“stop＿n”“stop＿delay＿n”“x＿n”以及腳本動(dòng)作參數(shù)“sum＿n”。在主控制器“main＿n”中設(shè)計(jì)PLC梯形圖，如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PLC梯形圖程序

該P(yáng)LC梯形圖的控制功能為：每隔10 ms，往變量count＿n 的值上加一次變量x＿n 的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)變量count＿n 周期性累加，累加值的大小為x＿n 的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步上升到設(shè)定值的過程。

5 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

泵站性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，其主要控制對(duì)象有閘閥、蝶閥、軸流泵、電動(dòng)機(jī)、流道選擇及水流方向等，如閘閥、蝶閥的開閉，電動(dòng)機(jī)的啟、停等。下面以流道選擇說明系統(tǒng)的工作過程。

在裝置運(yùn)行狀態(tài)下，打開電源，系統(tǒng)立即根據(jù)預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)相應(yīng)的蝶閥打開預(yù)設(shè)流道“流道1”（此時(shí)混流泵與蝶閥2＃、3＃、4＃開啟，蝶閥1＃、5＃閉合，見圖8）。同時(shí)，也可以通過人工操作來選擇流道。其中有3 個(gè)流道方案可供選擇（見圖9），只須點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵，裝置中的5 個(gè)蝶閥和混流泵便會(huì)根據(jù)系統(tǒng)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換。3 個(gè)流道的相應(yīng)按鍵上還設(shè)有指示燈，若以“流道1”運(yùn)行時(shí)，其對(duì)應(yīng)的按鍵就會(huì)一直點(diǎn)亮，提示此時(shí)的流道選擇狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，人機(jī)交互界面上的數(shù)據(jù)顯示區(qū)會(huì)顯示各蝶閥的工作狀態(tài)，以及各參數(shù)值的動(dòng)態(tài)曲線，如圖10 所示。

圖8 流道選擇的布局圖

圖9 流道選擇控制按鈕

圖10 虛擬仿真平臺(tái)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示

借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，師生可開展以下實(shí)驗(yàn)。

（1）認(rèn)知類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)組成泵站性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的軸流泵、混流泵、閘閥、蝶閥、電動(dòng)機(jī)、PLC、變頻器、傳感器等元器件的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行認(rèn)知。

（2）操作類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。熟悉泵站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作，如泵閥的開、閉及其開、閉順序、流道的選擇、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)置等。

（3）設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)行PLC 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、手動(dòng)與自動(dòng)控制、閘閥的開、閉控制和蝶閥的聯(lián)動(dòng)控制等。

（4）綜合類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)行量、揚(yáng)程、軸功率、效率等水泵性能參數(shù)測(cè)試，并可對(duì)所測(cè)得的流量、速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。如可在轉(zhuǎn)速不變的條件下，調(diào)節(jié)閘閥開度，測(cè)量不同開度時(shí)泵站裝置穩(wěn)定運(yùn)行下的流量、揚(yáng)程、軸功率、效率等參數(shù)的數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制Q-H、Q-N、Q-η性能曲線圖，觀察、比較、分析理論性能曲線與仿真性能曲線的區(qū)別；分析各性能曲線的特點(diǎn)。或在閘閥開度合適且不變的條件下，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下泵站裝置穩(wěn)定運(yùn)行下的流量、揚(yáng)程、軸功率、效率等參數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制Q-H、Q-N、Q-η性能曲線圖，觀察、比較、分析理論性能曲線與仿真性能曲線的區(qū)別；分析各性能曲線的特點(diǎn)。

6 結(jié)語

利用計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)＋等先進(jìn)技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠有效解決大型實(shí)驗(yàn)裝置存在的實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)不足、實(shí)驗(yàn)成本過高等問題，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降挠行аa(bǔ)充。本文針對(duì)泵站綜合性能測(cè)試裝置，利用機(jī)電一體化虛擬仿真軟件VUP對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，并將其應(yīng)用到《水泵與水泵站》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，取得了良好的應(yīng)用效果。實(shí)際使用過程中，要求學(xué)生先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)泵站性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行全方位的認(rèn)識(shí)和了解，熟悉實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行虛擬仿真，然后再到實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)。這樣通過虛、實(shí)結(jié)合，相互比較，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，值得應(yīng)用和推廣。