流体性能综合控制实验装置研制

肖建昆， 陆金铭， 陈代芬， 万 伟

(江苏科技大学 能源与动力工程实验中心， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

离心泵是工业上用于输送液体的最广泛的机械之一，掌握泵的性能特点并合理使用泵是工程技术人员必须具备的能力；流体流量测试、液位自动控制、变频控制都是日常生活及工业生产中广泛运用的技术知识及方式[1-5]。目前我校能源与动力工程、轮机工程专业开设“船舶辅机”、“轮机自动化”、“测试技术”以及“可编程控制器原理及应用”、“自动控制基础”等课程，教学中关于“离心泵性能、液位控制、流量测量及控制”等相关知识点，是本科教学过程中教学大纲规定的非常重要的专业知识与实验内容。

外购仪器设备不仅价格昂贵，实验功能单一，不能适应当前实验教学体系及相应的实验内容的变化要求，也不具备对所学知识理论的综合运用能力，满足不了高校培养创新型人才的需要[6-7]。为此根据实验室教学的需要，利用有限的场地和资金资源，提出设计制造“流体性能综合控制实验装置”，研制出符合本专业自身需求的实验教学设备。该测试系统的建成，能很好地满足当前本科实验教学工作，并可作为课程设计、毕业设计的实践平台。

1 实验装置系统设计

实验装置系统总体方案包括系统管路布置制作和控制部分硬件接线及软件编程[8-11]。系统由离心泵、管路、电磁阀、液位计、流量调节阀、支架、压力表、真空表、流量计、连接件、水池、水箱、附件及控制系统软、硬件等设备组成，如图1所示。

(a) 系统管路及支架布置示意图

(b) PLC变频控制系统硬件接线图

主要的技术选型如下：

(1) MS60/0.55轻型卧式单级离心泵2台，流量Q=3.6 m3/h、扬程H=19.5 m、功率W=0.55 kW。

(2) 流量测量采用孔板流量计,并配有电磁流量计、电子差压计，可进行流量测量。或者根据水箱体积法测得流量，进行孔板流量计的标定；流体控制由电磁阀、流量调节阀进行电控调节。

(3) 压力变送器：Y-100型，0～0.6 MPa,真空度变送器：-0.1～0 MPa。

(4) 水箱采用PVC,水池采用不锈钢制成，所用介质为清水，循环设计。

(5) 控制台及装置结构紧凑、外形美观，流程简单、操作方便、节能。

(6) 计算机TCP/IP通信、SIEMENS变频器、PLC及WinCC组态控制显示。

设计过程中，考虑实验设备的经济性、小型化，离心泵流量、功率不宜选用过大，否则相应的水箱、管路、调节阀、流量计成本将增大。以往化工类实验装置要么是单纯的手动方式验证泵的性能曲线(流量Q—扬程H、流量Q—功率W、流量Q—效率η)，不能进行泵电机调速，达不到测试变速特性；或者通过电控单台泵测试，不能研究双泵的串、并联性能；或者单独水位控制装置，没有泵的性能测试等等[12-13]。本实验装置综合了泵的定速、变速、串并联特性、水位控制、流量测量及孔板标定、变频调速、PLC控制等工科类知识点，能让学生对所学理论知识进行综合运用。这种综合性的实验装置的开发，对于激发学生的学习、创新欲望，培养创新能力有较大帮助。实验装置预留PLC控制接口，让学生自主编程设计相关的实验，达到很好的综合性、设计性实验教学目标。

2 实验项目

流体性能综合控制实验装置可针对离心泵定、变速特性，串并联特性，研究离心泵性能及工作特点；流量测量及孔板标定，学习掌握流量测试和孔板系数标定的方法；水箱液位控制，学习液位控制方法；PLC控制、变频调速，学习PLC编程、变频控制等知识[14-15]。涉及知识面宽，无论是本科教学还是研究生教学、毕业设计，都能起到巩固和加深学生对知识的理解，拓展学生的知识综合运用能力，满足教学与科研的需要。

根据本学院相关专业教学大纲的要求，本实验装置设计的实验项目包括:① 变频调速控制实验；② 水箱液位控制实验；③ 流量测量及孔板流量计标定；④ 离心泵定速特性实验；⑤ 离心泵变速特性实验；⑥ 离心泵串、并联特性实验。覆盖了能源与动力工程、轮机工程专业课程中的离心泵特性、流量测量、孔板标定、PLC控制、变频调速、水箱液位控制等相关实验，实现自动控制的功能。并且预留端口待后续开发，可以进行PLC基本指令及计算机编程软件的应用实验及本科创新计划实施。

3 装置操作与实验

实验装置如图2所示。系统的设计主要包含多路模拟量和开关量。模拟量主要包括：孔板流量计压差、电磁流量计流量、液位计电压、1#离心泵吸入真空、2#离心泵吸入真空、排出压力、流量控制阀P04；开关量主要包括开关阀P01、P02 、P03；变频器及电源开关、报警复位等。

图2 实验装置图

3.1 实验装置的操作

在实验过程中，可进行单台泵测试，也可进行双泵(串、并联)测试，分别获取相应的实验数据，得到其性能曲线、流量系数等。系统操作主界面如图3所示。

图3 软件运行操作界面

(1) 1#离心泵单独工作。1#离心泵单独工作备妥(P01、P02、P04全部关闭)；打开离心泵的电源开关，启动离心泵(为防止离心泵启动功率过大产生烧泵危险，故需要关闭流量阀P04)；调节P04的开度，依次记录实验数据；调节变频电机的转速，按以上方法依次计算实验数据。

(2) 离心泵并联工作。1#、2#离心泵并联工作备妥(P01、P04全部关闭，P02 、P03打开)；打开1#、2#离心泵的电源开关，启动离心泵；调节P04的开度，依次记录实验数据；调节变频电机的转速，记录实验数据。

其余包括2#泵单独工作及双泵串联，可根据图3的管路设置进行调节操作，实验过程中，可以锻炼学生对管路、阀门工作过程开关控制的理解与操作，也可以对4种工作方式进行一键设置。

3.2 实验及数据处理

本实验装置可进行数据信号采集及存储，以便让学生对实验数据进行处理与分析，绘制性能曲线。充分利用计算机及控制技术，让学生学习了知识，锻炼了能力。在不同项目的实验过程中，进行分工况运行，待工况稳定后得到相应的性能参数、离线数据。图4为离心泵定速特性测试数据及制取的性能曲线图。

4 结 语

利用PLC、变频控制，结合WinCC组态平台，设计制作出流体性能综合控制实验装置。本实验装置涵盖了离心泵特性、流量测量及标定、水箱液位控制、PLC控制、变频调速等知识，充分拓展了本专业学生知识综合运用能力，使得实验设备功能及实验项目不再单一及简单枯燥，在完成相关指定实验项目的基础上，并且预留端口待后续开发，学生还可以进行PLC基本指令及计算机编程软件的应用实验，并可作为课程设计、毕业设计等实践教学平台。实验装置在设计制作的过程中，由于经验不足，功能及制作工艺方面还有待进一步完善。

图4 离心泵定速特性测试结果

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