王連進(jìn)，趙一凡，儀垂杰，路全忠，夏浚銘

（1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071；2.華能青島熱電有限公司，青島 266400）

0 引言

流量平衡閥是調(diào)節(jié)水力平衡的重要元件，廣泛應(yīng)用于城市供水系統(tǒng)管網(wǎng)中尤其是供熱管網(wǎng)中，對于調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)中水力平衡起著至關(guān)重要的作用[1]。流量平衡閥的設(shè)計(jì)和制造加工精度直接影響供水管網(wǎng)的水力平衡的性能，為了保證流量平衡閥的高質(zhì)量、高精度、在實(shí)際工作中的安全性和高穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)出廠時(shí)必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢測。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于組態(tài)的流量平衡閥的試驗(yàn)平臺。本文設(shè)計(jì)的流量平衡閥檢測平臺具有檢測精度高、占地面積小、溫度范圍大、長期穩(wěn)定性好以及可以適用于不同口徑的平衡閥等特點(diǎn)，對于提高流量平衡閥的試驗(yàn)檢測水平和設(shè)計(jì)制造水平有著十分重要的意義。

1 試驗(yàn)平臺的硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺的硬件各部本試驗(yàn)平臺硬件結(jié)構(gòu)主要包括：試驗(yàn)管道、變頻水泵和變頻器、各種類型的傳感器等部件組成，整體布局如圖1所示。

1.2 水泵和變頻器的選型

為了保證本試驗(yàn)臺能夠連續(xù)調(diào)節(jié)流量平衡閥前后壓差和管道內(nèi)的流量，選用GWS-BS64-117型三相交流變頻潛水泵，水泵電機(jī)功率為37KW，最大揚(yáng)程157m，流量為30m3/h。該種類型水泵可實(shí)現(xiàn)高精度恒壓供水，同時(shí)還具有高可靠性、高穩(wěn)定性、缺水保護(hù)、低功耗、低噪音、價(jià)格相對低廉等特點(diǎn)，較好的滿足流量平衡閥的測試條件[2]。

在滿足變頻水泵的使用要求和研發(fā)經(jīng)濟(jì)性情況下，選用ABB公司型號為ACS510-01-157A-4，電機(jī)的額定功率為75KW、額定輸出電流為157A的變頻器。這款變頻器還具有噪音小、安裝簡單、隨著負(fù)載的降低時(shí)自動減低電機(jī)的磁同等特點(diǎn)，極大地降低了成本，同時(shí)內(nèi)置RS485接口使用Modbus協(xié)議便于和控制器相連接。

圖1 試驗(yàn)平臺硬件整體布局圖

表1 傳感器選型表

1.3 傳感器選型和布置

傳感器選型的一般原則如下：

工藝過程的條件：工藝過程的溫度、壓力、流量、粘度、腐蝕性、毒性等因素是決定儀表選型的主要條件，它關(guān)系到儀表選用的合理性、儀表的使用壽命及車間的防火、防爆、保安等問題。操作上的重要性：各檢測點(diǎn)的參數(shù)在操作上的重要性是儀表的指示、記錄、積算、報(bào)警、控制等功能的選定依據(jù)。經(jīng)濟(jì)性和統(tǒng)一性：儀表的選型也決定于投資的規(guī)模，應(yīng)在滿足工藝和自控的要求前提下，進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)核算，取得適宜的性價(jià)比。為便于儀表的維修和管理，在選型的時(shí)候也要注意到儀表的統(tǒng)一性。儀表的使用：選用的儀表應(yīng)是較為成熟的產(chǎn)品，經(jīng)現(xiàn)場使用證明性能可靠的[3]。

根據(jù)以上傳感器選型的一般原則，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，傳感器選型如表1所示。

根據(jù)閥門的安裝位置、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置和實(shí)驗(yàn)室條件，流量傳感器布置在閥門的出口位置，壓差傳感器布置在閥門進(jìn)出口兩端，將溫度傳感器布置在集水器上。該流量平衡閥試驗(yàn)平臺的管道實(shí)際布局如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室管理實(shí)際布局圖

2 試驗(yàn)平臺的軟件設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的流量平衡閥試驗(yàn)平臺控制器采用SNAP PAC系列（美國Opto22公司開發(fā)）。該系列的系統(tǒng)是一款基于工業(yè)以太網(wǎng)和PC的集散分布式I/O控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于石油化工、新能源電力、水處理、交通管控、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)檢測等領(lǐng)域。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可以根據(jù)檢測監(jiān)控現(xiàn)場不同的數(shù)據(jù)采集需要，形成從一個點(diǎn)到幾十萬個點(diǎn)的可多可少的檢測監(jiān)控系統(tǒng)。

PAC Project 9.6組態(tài)開發(fā)軟件是美國Opto22公司提供的一整套大型綜合性的工業(yè)過程控制應(yīng)用軟件，主要由PAC Control、PAC Manger、PAC Display等幾部分組成。這幾部分通過共同的COM接口連接，共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1 控制策略的設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)所設(shè)計(jì)的流量平衡閥試驗(yàn)平臺管路數(shù)量的實(shí)際需要和數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)選用了Opto22 SANPPAC-R2的控制器、Opto22 SNAP-PAC-RCK16的底板、4個Opto22 SNAP模擬量輸入I/O、2個模擬量輸出I/O、1個數(shù)字量輸入I/O、1個數(shù)字量輸出I/O，可完成對20個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。Opto22公司提供的軟件開發(fā)環(huán)境PAC Project9.6具備了完整的組態(tài)開發(fā)能力，具備強(qiáng)大的I/O和網(wǎng)絡(luò)通信分析處理能力，可以實(shí)現(xiàn)和具有相同通信協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

2.1.2 I/O模塊的配置

I/O控制策略主要是完成數(shù)據(jù)的采集和過程的控制的組態(tài)軟件單元。I/O控制策略的配置主要是依靠PAC Project9.6開發(fā)平臺的PAC Control軟件來編寫程序。

建立I/O策略，就是要配置控制引擎、I/O單元和I/O點(diǎn)。策略核心的部分為控制引擎，可以管理現(xiàn)場的所有控制器，指揮各個控制器完成自己相應(yīng)的工作[4]。本試驗(yàn)平臺系統(tǒng)需要的測點(diǎn)較少，因此只應(yīng)用了一個控制器c1（IP地址為192.168.1.101）。這樣上位操作機(jī)就可以訪問該控制器的注冊表獲取其數(shù)據(jù)信息。配置I/O單元，需要配置I/O單元的處理器和I/O模塊。每一控制策略可以包含多個I/O單元。如圖3、圖4所示。

2.1.3 流程圖編程和下載運(yùn)行

圖3 I/O單元控制器配置界面

圖4 I/O模塊配置界面

PAC Control為編程人員提供的是一種流程圖式的編程方式，這種編程方式十分形象展示了程序的運(yùn)行過程，通過一個個流程框圖來完成程序的編寫，復(fù)雜的程序可以用Opto Script腳本控制語言來編寫。這種編程方式給出了四類程序塊：動作塊、條件塊、繼續(xù)塊和腳本語言塊。通過連線將各個塊進(jìn)行連接，完成其流程圖的順序、循環(huán)和選擇的結(jié)構(gòu)。編寫好的程序?qū)⒁訡hart的形式保存下來，有相應(yīng)的處理器自動調(diào)用。

當(dāng)策略編寫調(diào)試完成后，通過PAC Control下載到控制器中，保存在控制器的閃存（Flash Memory）中，當(dāng)控制器上電和與上位機(jī)連接時(shí)，可完成系統(tǒng)的自動運(yùn)行。

2.2 檢測平臺軟件的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)

2.2.1 組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)

本流量平衡閥試驗(yàn)平臺的軟件核心是系統(tǒng)軟件構(gòu)架，主要是由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成?，F(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的作用是采集及匯總現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示控制界面和數(shù)據(jù)趨勢，及發(fā)生危險(xiǎn)情況的報(bào)警；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要作用是分析管理采集到的數(shù)據(jù)，報(bào)表輸出數(shù)據(jù)，和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的查詢。兩系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，才能實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)平臺的功能[5,6]。

2.2.2 人機(jī)交互界面（HMI）的實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)平臺應(yīng)用的PAC Display是PAC Project 9.6組態(tài)軟件開發(fā)平臺提供的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。本試驗(yàn)平臺的人機(jī)交互界面為操作人員展示各個管路的實(shí)時(shí)動態(tài)，各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)曲線，具有完備的聲光報(bào)警系統(tǒng)，簡單易操作，適用于各類型的用戶。人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)平臺人機(jī)交互界面

3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)用

應(yīng)用本流量平衡閥測試平臺對一種口徑為DN50的自力式流量平衡閥進(jìn)行動態(tài)性能的測試，測試條件為溫度室溫25℃，選擇回程壓差為100kPa，變頻器頻率25Hz，加速時(shí)間1800秒。該閥門流量特性曲線的如圖6所示。

圖6 流量平衡閥流量-壓差特性曲線

通過特性曲線的分析，回程曲線與進(jìn)程曲線基本重合，可以得出在該閥門的工作區(qū)間內(nèi)，誤差在1%以內(nèi)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求[7]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)臺采用先進(jìn)的DCS技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全范圍的連續(xù)測量和測試過程全參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，不但加快了測量的進(jìn)程，提高了測量的準(zhǔn)確性，而且便于調(diào)試，降低了實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)具有自動化和信息化程度高的特點(diǎn)，是流體平衡閥技術(shù)研究開發(fā)和制造生產(chǎn)的有力工具。該試驗(yàn)臺的主要功能有閥門流量特性曲線的連續(xù)測試、流體設(shè)備及管網(wǎng)流量-阻力特征測試、變頻恒流量控制系統(tǒng)測試和流體管網(wǎng)特征測試。通過實(shí)際應(yīng)用，該流量平衡閥試驗(yàn)平臺能夠獲得較好的試驗(yàn)檢測效果，在實(shí)際流量平衡閥設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。