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(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(yè)生產(chǎn)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(yè)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(guī)定的非常重要的專業(yè)知識與實驗內(nèi)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(nèi)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(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要[6-7]。為此根據(jù)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(yè)自身需求的實驗教學設備。該測試系統(tǒng)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(yè)設計的實踐平臺。

1 實驗裝置系統(tǒng)設計

實驗裝置系統(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、流量調(diào)節(jié)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(tǒng)軟、硬件等設備組成，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?；蛘吒鶕?jù)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(diào)節(jié)閥進行電控調(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(jié)能。

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

設計過程中，考慮實驗設備的經(jīng)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(diào)節(jié)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(diào)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(lián)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(lián)特性、水位控制、流量測量及孔板標定、變頻調(diào)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(fā)，對于激發(fā)學生的學習、創(chuàng)新欲望，培養(yǎng)創(chuàng)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(lián)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(shù)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(diào)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(yè)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(jù)本學院相關專業(yè)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(diào)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(lián)特性實驗。覆蓋了能源與動力工程、輪機工程專業(yè)課程中的離心泵特性、流量測量、孔板標定、PLC控制、變頻調(diào)速、水箱液位控制等相關實驗，實現(xiàn)自動控制的功能。并且預留端口待后續(xù)開發(fā)，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(chuàng)新計劃實施。

3 裝置操作與實驗

實驗裝置如圖2所示。系統(tǒng)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(lián))測試，分別獲取相應的實驗數(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(chǎn)生燒泵危險，故需要關閉流量閥P04)；調(diào)節(jié)P04的開度，依次記錄實驗數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)變頻電機的轉速，按以上方法依次計算實驗數(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全部關閉，P02 、P03打開)；打開1#、2#離心泵的電源開關，啟動離心泵；調(diào)節(jié)P04的開度，依次記錄實驗數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)變頻電機的轉速，記錄實驗數(shù)據(jù)。

其余包括2#泵單獨工作及雙泵串聯(lián)，可根據(jù)圖3的管路設置進行調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)處理

本實驗裝置可進行數(shù)據(jù)信號采集及存儲，以便讓學生對實驗數(shù)據(jù)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(wěn)定后得到相應的性能參數(shù)、離線數(shù)據(jù)。圖4為離心泵定速特性測試數(shù)據(jù)及制取的性能曲線圖。

4 結 語

利用PLC、變頻控制，結合WinCC組態(tài)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(diào)速等知識，充分拓展了本專業(yè)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(xù)開發(fā)，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(yè)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(jīng)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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