流體性能綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置研制

肖建昆， 陸金銘， 陳代芬， 萬(wàn) 偉

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

離心泵是工業(yè)上用于輸送液體的最廣泛的機(jī)械之一，掌握泵的性能特點(diǎn)并合理使用泵是工程技術(shù)人員必須具備的能力；流體流量測(cè)試、液位自動(dòng)控制、變頻控制都是日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用的技術(shù)知識(shí)及方式[1-5]。目前我校能源與動(dòng)力工程、輪機(jī)工程專業(yè)開設(shè)“船舶輔機(jī)”、“輪機(jī)自動(dòng)化”、“測(cè)試技術(shù)”以及“可編程控制器原理及應(yīng)用”、“自動(dòng)控制基礎(chǔ)”等課程，教學(xué)中關(guān)于“離心泵性能、液位控制、流量測(cè)量及控制”等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，是本科教學(xué)過程中教學(xué)大綱規(guī)定的非常重要的專業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

外購(gòu)儀器設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)功能單一，不能適應(yīng)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的變化要求，也不具備對(duì)所學(xué)知識(shí)理論的綜合運(yùn)用能力，滿足不了高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要[6-7]。為此根據(jù)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的需要，利用有限的場(chǎng)地和資金資源，提出設(shè)計(jì)制造“流體性能綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置”，研制出符合本專業(yè)自身需求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。該測(cè)試系統(tǒng)的建成，能很好地滿足當(dāng)前本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，并可作為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)總體方案包括系統(tǒng)管路布置制作和控制部分硬件接線及軟件編程[8-11]。系統(tǒng)由離心泵、管路、電磁閥、液位計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、支架、壓力表、真空表、流量計(jì)、連接件、水池、水箱、附件及控制系統(tǒng)軟、硬件等設(shè)備組成，如圖1所示。

(a) 系統(tǒng)管路及支架布置示意圖

(b) PLC變頻控制系統(tǒng)硬件接線圖

主要的技術(shù)選型如下：

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

(2) 流量測(cè)量采用孔板流量計(jì),并配有電磁流量計(jì)、電子差壓計(jì)，可進(jìn)行流量測(cè)量?；蛘吒鶕?jù)水箱體積法測(cè)得流量，進(jìn)行孔板流量計(jì)的標(biāo)定；流體控制由電磁閥、流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行電控調(diào)節(jié)。

(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(zhì)為清水，循環(huán)設(shè)計(jì)。

(5) 控制臺(tái)及裝置結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，流程簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)能。

(6) 計(jì)算機(jī)TCP/IP通信、SIEMENS變頻器、PLC及WinCC組態(tài)控制顯示。

設(shè)計(jì)過程中，考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、小型化，離心泵流量、功率不宜選用過大，否則相應(yīng)的水箱、管路、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)成本將增大。以往化工類實(shí)驗(yàn)裝置要么是單純的手動(dòng)方式驗(yàn)證泵的性能曲線(流量Q—揚(yáng)程H、流量Q—功率W、流量Q—效率η)，不能進(jìn)行泵電機(jī)調(diào)速，達(dá)不到測(cè)試變速特性；或者通過電控單臺(tái)泵測(cè)試，不能研究雙泵的串、并聯(lián)性能；或者單獨(dú)水位控制裝置，沒有泵的性能測(cè)試等等[12-13]。本實(shí)驗(yàn)裝置綜合了泵的定速、變速、串并聯(lián)特性、水位控制、流量測(cè)量及孔板標(biāo)定、變頻調(diào)速、PLC控制等工科類知識(shí)點(diǎn)，能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。這種綜合性的實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新欲望，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有較大幫助。實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)留PLC控制接口，讓學(xué)生自主編程設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到很好的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

流體性能綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置可針對(duì)離心泵定、變速特性，串并聯(lián)特性，研究離心泵性能及工作特點(diǎn)；流量測(cè)量及孔板標(biāo)定，學(xué)習(xí)掌握流量測(cè)試和孔板系數(shù)標(biāo)定的方法；水箱液位控制，學(xué)習(xí)液位控制方法；PLC控制、變頻調(diào)速，學(xué)習(xí)PLC編程、變頻控制等知識(shí)[14-15]。涉及知識(shí)面寬，無論是本科教學(xué)還是研究生教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，都能起到鞏固和加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，拓展學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力，滿足教學(xué)與科研的需要。

根據(jù)本學(xué)院相關(guān)專業(yè)教學(xué)大綱的要求，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括:① 變頻調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)；② 水箱液位控制實(shí)驗(yàn)；③ 流量測(cè)量及孔板流量計(jì)標(biāo)定；④ 離心泵定速特性實(shí)驗(yàn)；⑤ 離心泵變速特性實(shí)驗(yàn)；⑥ 離心泵串、并聯(lián)特性實(shí)驗(yàn)。覆蓋了能源與動(dòng)力工程、輪機(jī)工程專業(yè)課程中的離心泵特性、流量測(cè)量、孔板標(biāo)定、PLC控制、變頻調(diào)速、水箱液位控制等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。并且預(yù)留端口待后續(xù)開發(fā)，可以進(jìn)行PLC基本指令及計(jì)算機(jī)編程軟件的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及本科創(chuàng)新計(jì)劃實(shí)施。

3 裝置操作與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含多路模擬量和開關(guān)量。模擬量主要包括：孔板流量計(jì)壓差、電磁流量計(jì)流量、液位計(jì)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(guān)量主要包括開關(guān)閥P01、P02 、P03；變頻器及電源開關(guān)、報(bào)警復(fù)位等。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的操作

在實(shí)驗(yàn)過程中，可進(jìn)行單臺(tái)泵測(cè)試，也可進(jìn)行雙泵(串、并聯(lián))測(cè)試，分別獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其性能曲線、流量系數(shù)等。系統(tǒng)操作主界面如圖3所示。

圖3 軟件運(yùn)行操作界面

(1) 1#離心泵單獨(dú)工作。1#離心泵單獨(dú)工作備妥(P01、P02、P04全部關(guān)閉)；打開離心泵的電源開關(guān)，啟動(dòng)離心泵(為防止離心泵啟動(dòng)功率過大產(chǎn)生燒泵危險(xiǎn)，故需要關(guān)閉流量閥P04)；調(diào)節(jié)P04的開度，依次記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按以上方法依次計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2) 離心泵并聯(lián)工作。1#、2#離心泵并聯(lián)工作備妥(P01、P04全部關(guān)閉，P02 、P03打開)；打開1#、2#離心泵的電源開關(guān)，啟動(dòng)離心泵；調(diào)節(jié)P04的開度，依次記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

其余包括2#泵單獨(dú)工作及雙泵串聯(lián)，可根據(jù)圖3的管路設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)操作，實(shí)驗(yàn)過程中，可以鍛煉學(xué)生對(duì)管路、閥門工作過程開關(guān)控制的理解與操作，也可以對(duì)4種工作方式進(jìn)行一鍵設(shè)置。

3.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集及存儲(chǔ)，以便讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，繪制性能曲線。充分利用計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí)，鍛煉了能力。在不同項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行分工況運(yùn)行，待工況穩(wěn)定后得到相應(yīng)的性能參數(shù)、離線數(shù)據(jù)。圖4為離心泵定速特性測(cè)試數(shù)據(jù)及制取的性能曲線圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用PLC、變頻控制，結(jié)合WinCC組態(tài)平臺(tái)，設(shè)計(jì)制作出流體性能綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)裝置涵蓋了離心泵特性、流量測(cè)量及標(biāo)定、水箱液位控制、PLC控制、變頻調(diào)速等知識(shí)，充分拓展了本專業(yè)學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再單一及簡(jiǎn)單枯燥，在完成相關(guān)指定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，并且預(yù)留端口待后續(xù)開發(fā)，學(xué)生還可以進(jìn)行PLC基本指令及計(jì)算機(jī)編程軟件的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，并可作為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)制作的過程中，由于經(jīng)驗(yàn)不足，功能及制作工藝方面還有待進(jìn)一步完善。

圖4 離心泵定速特性測(cè)試結(jié)果

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