高翔，張坤壯

武漢工程大學機電工程學院，湖北　武漢　430205

典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)的隨機負載仿真

高翔，張坤壯

武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205

為了檢驗?zāi)愁愋痛凹泄┧芫W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的合理性和驗證數(shù)字仿真結(jié)果的準確性，設(shè)計了一套典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng).典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)以某型船舶集中供水系統(tǒng)的典型供水單元為藍本，采用了差壓式減壓閥來模擬實際管網(wǎng)的純水頭差，采用節(jié)流閥來調(diào)節(jié)流動阻力損失，從而達到權(quán)衡考慮試驗經(jīng)濟性與試驗結(jié)果有效性的目標.設(shè)計了一套可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)各支管的阻力特性與負載流量，檢測與記錄管網(wǎng)上各重要部位的壓力與流量.通過PLC編程，利用線性同余發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)，實現(xiàn)管網(wǎng)對負載的隨機控制，并對隨機負載下的每層支管的壓力與流量進行統(tǒng)計分析.試驗結(jié)果表明，在隨機負載的作用下各層支管末端的流量都充足，末端出現(xiàn)供水不足的估計概率很低，從而驗證某類型船舶集中供水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計是合理的，在設(shè)計中進行的數(shù)字仿真結(jié)果是比較準確的.

典型管網(wǎng)；仿真；隨機數(shù)

1　引言

船舶中存在許多復雜的管路系統(tǒng)，典型的有海水系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)、滑油、燃油、壓載水等管路系統(tǒng).船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性指管網(wǎng)流場中壓力和流量的關(guān)系.船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性是水力計算、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，研究船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性是解決船舶管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用問題的前提.

船舶特別是大型船舶的日用淡水管網(wǎng)系統(tǒng)是比較復雜的，因此設(shè)計人員在進行方案設(shè)計時通常將復雜的管網(wǎng)系統(tǒng)按船舶分段區(qū)域劃分成幾個或十幾個獨立的管網(wǎng)子系統(tǒng)，分別配套獨立的集中供水單元，也稱為獨立的供水站［1-2］.

船舶日用淡水系統(tǒng)方案設(shè)計中包括兩個內(nèi)容，一是管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，二是集中供水單元的性能指標參數(shù)的確定.對于不同的管網(wǎng)系統(tǒng)，首先要進行流動阻力特性的計算與仿真，再根據(jù)計算仿真結(jié)果指導設(shè)計確定配置多大流量和多大揚程的供水單元才能滿足使用要求，從而確定集中供水單元的性能指標要求［3-4］.

為此，選擇大型船舶供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的一個典型管網(wǎng)進行研究，建造一個典型管網(wǎng)試驗平臺，為設(shè)計人員在設(shè)計大型船舶管網(wǎng)系統(tǒng)提供可靠的實驗數(shù)據(jù).

2　船舶典型管網(wǎng)的確定

考慮到設(shè)計大型船舶的生活用水管網(wǎng)比較復雜，分成12個供水管網(wǎng)子系統(tǒng)，各配置一套供水單元；為此將其中的一個作為船舶典型管網(wǎng)進行研究.它包括一根立干管和8層橫支管（從低層向高層分別編號為#0～#7甲板支管）；將#0、#1、#2和#3甲板支管并聯(lián)匯接至低區(qū)集管上；將#4、#5、#6和# 7甲板支管并聯(lián)匯接至高區(qū)集管上；設(shè)置低區(qū)集管和高區(qū)集管的目的是為了均衡各支管的流量和壓力，以及減少壓力波動與管路振動；高區(qū)集管與低區(qū)集管之間有連通管相通，立干管與低區(qū)集管和高區(qū)集管相通，管路中設(shè)置截止閥，用于轉(zhuǎn)換控制供水方式（供水支管串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等），如圖1所示.

圖1　船舶供水典型管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of marine water supply network system

選擇作為船舶供水典型管網(wǎng)的阻力特性主要是由各層支管的純水頭和流動阻力損失決定的.其中，若以供水站出水口作為純水頭零水位線的話，船舶典型管網(wǎng)各層支管的純水頭如表1所示；而流動阻力損失則是由管徑、管長、變徑彎頭與管路中閥門的流量系數(shù)、以及各支管上用水點的流量系數(shù)等決定的［5-7］.

3　典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)方案

3.1試驗方案設(shè)計

船舶典型管網(wǎng)的實際結(jié)構(gòu)龐大，垂直高度達23 m，搭建一個與實際結(jié)構(gòu)同等大小的試驗平臺耗資巨大.因此在盡可能滿足實際結(jié)構(gòu)的前提下，減少管網(wǎng)支管布置的垂直高度，各層支管首部均安裝差壓式減壓閥以補償降低垂直高度而減少的重力壓差.若以供水站出水口作為純水頭零水位線的話，降低垂直高度后的典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)的各層支管管路的純水頭如表1所示.

每層支管與集水管之間設(shè)置差壓型減壓閥，以模擬實際管網(wǎng)各支管的層高所形成的純水頭特性，從而降低試驗系統(tǒng)的建造成本.各層支管上的差壓型減壓閥的設(shè)定值如表1所示.

表1　典型管網(wǎng)實際與試驗系統(tǒng)各層支管管路的純水頭Tab.1Water head of each branch pipe in real and test typical networkm

3.2隨機控制功能的實現(xiàn)

每層支管接11個電磁閥，用以模擬用戶用水.考慮到實際用戶用水的隨機性，需隨機控制每層電磁閥的開啟和關(guān)閉.隨機控制的核心部分即為隨機數(shù)的產(chǎn)生.

利用一定的算法由計算機產(chǎn)生一組隨機數(shù)，與現(xiàn)實真隨機數(shù)不同的是，該算法產(chǎn)生的隨機數(shù)一旦算法固定，初值給定，產(chǎn)生的一組隨機數(shù)序列就唯一確定，固稱該隨機數(shù)為偽隨機數(shù).計算機廣泛采用線性同余法產(chǎn)生隨機數(shù)，主要在于其算法簡單，產(chǎn)生隨機數(shù)速度快，占用內(nèi)存少［8-10］.

總而言之，圖書館是社會公共文化資源的重要組成部分之一，其功能和宗旨就是為讀者提供人性化服務(wù)，做好讀者人性化服務(wù)是一項系統(tǒng)持久的社會服務(wù)工程。圖書館人開展讀者人性化服務(wù)，以法律為依托，從人性化出發(fā)，以讀者為核心，依法為讀者服務(wù)，在法律規(guī)定的范圍內(nèi)，調(diào)動讀者充分利用圖書館文獻信息資源，滿足讀者最大需求，發(fā)揮圖書館的社會功能，依法推廣全民閱讀，依法保障讀者合法權(quán)益順暢無阻，促進圖書館事業(yè)科學發(fā)展，實現(xiàn)全民共享文獻資源。

線性同余法的數(shù)學公式為X（n+1）=（a·X（n）+c）%m式中，各系數(shù)為：模m，m＞0；系數(shù)a，0＜a＜m；增量c，0≤c＜m；原始值（種子）0≤X（0）＜m.

參數(shù)c，m，a的取值比較重要，直接影響偽隨機數(shù)產(chǎn)生的質(zhì)量.一般而言，線性同余法的m是2的指數(shù)次冪（一般為232或者264），因為這樣取模操作選取最右的32或64位即可.多數(shù)編譯器的庫中使用了該理論實現(xiàn)其偽隨機數(shù)發(fā)生器.三菱PLC可以采用該算法產(chǎn)生一組隨機數(shù)，每次所給的初值不同就會得到不同的隨機數(shù)組，繼而滿足隨機功能的實現(xiàn).三菱FX3U系列PLC中已集成隨機數(shù)指令，用戶不用編輯算法，可直接調(diào)用.三菱FX3U中隨機數(shù)指令為：FNC 184 RND/RNDP

這個指令產(chǎn)生0～32 767的偽隨機數(shù)，將其數(shù)值作為隨機數(shù)保存到目標元件D中.

在偽隨機數(shù)系列中，每次計算出隨機數(shù)的原始值，然后使用該隨機數(shù)的原始值計算出偽隨機數(shù).

3.3PLC控制程序設(shè)計

PLC程序的編寫采用GX Works2，該軟件是三菱電機推出的三菱綜合PLC編程軟件，是專用于PLC設(shè)計、調(diào)試、維護的編程工具.與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，提高了功能及操作性能，變得更加容易使用.

利用PLC控制每層11個電磁閥的中的一個或多個電磁閥的隨機開啟或關(guān)閉，并通過壓力傳感器和流量傳感器記錄每層支管的壓力與流量，將記錄結(jié)果保存到Excel文件中，程序流程圖如圖2所示.

圖2　PLC程序流程圖Fig.2Flowchart of PLC program

4　試驗結(jié)果

典型管網(wǎng)每層支管所接的11個電磁閥模擬每層11個房間的用戶用水.隨機開啟或關(guān)閉各層支管所接的11個電磁閥，試驗記錄了100 s內(nèi)每層支管的首部和末端的壓力和流量，并統(tǒng)計出每層支管末端流量分布，根據(jù)流量分布直方圖擬合出其正太分布曲線，計算出該層支管出現(xiàn)供水不足（流量小于5 L/min）的概率，每層支管都用該方法進行模擬計算以得出整個典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)的性能參數(shù).現(xiàn)以其中一層支管為例進行結(jié)果分析，如#0甲層支管壓力與流量曲線以及#0甲層支管末端流量分布直方圖如圖3、圖4所示.

由圖3可知，在隨機負載作用下，#0甲支管首末端壓力和流量以及主管壓力變化趨勢基本一致，都同時增大或減小，#0甲支管首末端流量基本都在10 L/min以上.

由圖4可知，#0甲支管流量分布近似正態(tài)分布，流量平均值為12.372 3 L/min，出現(xiàn)供水不足（流量小于5 L/min）的概率為3.508 7×10-8，該概率極低，即可認為基本不會出現(xiàn)供水不足.

圖3　#0甲支管壓力與流量曲線Fig.3Curves of pressure and flow of#0 branch

圖4　#0甲支管末端流量分布直方圖Fig.4Flow distribution histogram at the end of#0 branch

5　結(jié)語

為大型船舶典型管網(wǎng)設(shè)計了一套試驗系統(tǒng)，典型管網(wǎng)試驗系統(tǒng)每層支管與集水管之間設(shè)置差壓型減壓閥，以模擬實際管網(wǎng)各支管的層高所形成的純水頭特性，降低了試驗系統(tǒng)的垂直高度從而降低試驗系統(tǒng)的建造成本.利用PLC隨機數(shù)功能模擬實際用戶隨機開啟和關(guān)閉電磁閥，從而測試每層支管壓力和流量隨時間的變化，分析統(tǒng)計出每層支管末端流量的分布直方圖并擬合其正態(tài)分布曲線，計算出每層出現(xiàn)供水不足的概率，檢測所試驗的典型管網(wǎng)系統(tǒng)是否滿足用戶的正常用水.利用GX Works2的模擬調(diào)試大大縮短設(shè)計周期，更容易檢驗程序中的錯誤，保證程序的有效性和可靠性.

［1］李鴻奎.集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計探討［J］.中國給水排水，2004，20（11）：74-76. LI H K.Discussion on the design of central hot water supply system［J］.China water&wastewater，2004，20（11）：74-76.

［2］陳偉智，張維競，張小卿，等.船舶中央冷卻系統(tǒng)串級控制的建模與仿真研究［J］.中國造船，2013（1）：197-205. CHEN W，ZHANG W，ZHANG X Q，et al.Modeling and simulation of marine central cooling system based oncascadecontrolprinciple［J］.Shipbuildingof China，2013（1）：197-205.

［3］林坤，張世偉，苗英俊，等.變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析及方案設(shè)計［J］.艦船防化，2010（6）：13-18. LIN K，ZHANG S W，MIAO Y J，et al.Theoretical analysis andscheme designonvariable frequency constant pressure water supply system［J］.Chemical defence on ships，2010（6）：13-18.

［4］姬鈺，劉希滬.一種小型船舶自動節(jié)能供水系統(tǒng)的研究［J］.船舶，2008，19（4）：16-17. JI Y，LIU X H.An automatic energy-saving water supply system for small ships［J］.Ship&boat，2008，19（4）：16-17.

［5］周志杰，沈正帆，種道彤.船舶管路閥門阻力系數(shù)試驗研究［J］.中國科技論文，2015（10）：1197-1202. ZHOU Z J，SHEN Z F，CHONG D T.Experimental research on resistance coefficient of marine pipeline valves［J］.China sciencepaper，2015（10）：1197-1202.

［6］張俊，張曉婷.流體傳輸中流體阻力和水頭損失的計算［J］.流體傳動與控制，2011（4）：24-27. ZHANG J，ZHANG X T.The analysis of the fluid resistance and the pressure loss in fluid transmission system［J］.Fluid power transmission&control，2011（4）：24-27.

［7］馬憲亭，張福來.液壓系統(tǒng)中壓力損失的分析與計算［J］.煤礦機械，2009，30（9）：26-28. MA X T，ZHANG F L.Analysis and calculation of pressure loss in hydraulic pressure system［J］.Coal mine machinery，2009，30（9）：26-28.

［8］楊自強，魏公毅.產(chǎn)生偽隨機數(shù)的若干新方法［J］.數(shù)值計算與計算機應(yīng)用，2001，22（3）：201-216. YANG Z Q，WEI G Y.A review on some new methods to generate random numbers［J］.Journal on numerical methods and computer applications，2001，22（3）：201-216.

［9］楊振海，張國志.隨機數(shù)生成［J］.數(shù)理統(tǒng)計與管理，2006，25（2）：244-252. YANG Z H，ZHANG G Z.Generating random variables［J］.Journal of applied of statistics and management，2006，25（2）：244-252.

［10］郭波，鄒麗梅.PLC隨機數(shù)發(fā)生器程序研究與設(shè)計［J］.佳木斯大學學報（自然科學版），2013（6）：899-901. GUO B，ZOU L M.Design and research of PLC random number generator［J］.Journal of Jiamusi university（Naturalscience edition），2013（6）：899-901.

［11］徐紅明.基于PLC的船舶供水系統(tǒng)設(shè)計［J］.裝備制造技術(shù)，2015（2）：93-94. XU H M.The fresh water supply system of ship based on PLC［J］.Equipment manufacturing technology，2015（2）：93-94.

［12］楊帆，王磊，龔君，等.基于PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2016（1）：188-190. YANG F，WANG L，GONG J，et al.Design of a PLC-basedwatersupplysystem［J］.Mechanical engineering&automation，2016（1）：188-190.

［13］張萬忠，劉明芹.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

［14］李長軍，關(guān)開芹.圖解PLC技術(shù)一點通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

本文編輯：陳小平

Simulation of Random Load of Typical Pipe Network Test System

GAO Xiang，ZHANG Kunzhuang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

To verify the rationality of the design of the centralized water supply system on a certain type of ship and the accuracy of the numerical simulation results，we designed a typical pipe network test system，taking the typical water supply unit of a centralized water supply system on a certain type of ship as a model，using the dif?ferential pressure relief valve to simulate the actual water head，and using the throttle to adjust the flow resis?tance loss，so as to achieve the balance of economy and validity of the test.We designed a set of programmable logic controller（PLC）system for regulating the resistance characteristic and load of each branch，detecting and recording pressure and flow on the important positions of the pipe network.We realized the random controlling of load by PLC，using the random number generated by linear congruence generator，and statistically analyzing the pressure and flow of each branch under random load.The results show that the flow at the end of each branch is sufficient under random load，and the probability of water shortage at the end of each branch is very low，thus verifying that the design of water supply system on the ship is reasonable and the simulation results are accurate in the design.

typical pipe network；simulation；random number

TH39

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2016.05.017

1674-2869（2016）05-0500-06

2016-07-12

高翔，博士，教授.E-mail：gxiangs@mail.wit.edu.cn