自動恒壓供水性能實驗及遠程監控系統研發

崔曉鋼

【摘要】文章開發設計了一套自動恒壓供水性能實驗及遠程監控系統，能夠實現供水系統手動控制、PLC自動控制、變頻控制，測定單泵性能曲線、雙泵并聯特性曲線、單泵變頻性能曲線、變頻與工頻并聯曲線等，模擬遠程自動監控畫面，功能比較完善，填補了專業實訓設備和科研的空白，經教學實踐檢驗，效果良好。

【關鍵詞】自動恒壓供水性能實驗系統；離心泵性能測定；遠程監控系統

隨著科技發展，社會進步，自動恒壓供水系統在物業小區供水、大型公共建筑供水、工業生產供水等領域得到了廣泛的應用。掌握自動恒壓供水系統的組成、設備安裝及維修保養、運行操作及節能改造等知識技能是從事物業機電方向就業學生的必備技能，其相關課程也是職業技術學院、技師學院機電方向專業的必修課程。

自動恒壓供水系統性能實驗主要是離心泵特性曲線測定。離心泵特性曲線是指揚程H、軸功率N、效率η與流量Q之間的關系曲線，它是流體在泵內流動規律的外部表現。離心泵的性能目前主流的理論計算方法有用FLUENT、FIDAP等商業軟件模擬泵內部流場與泵外部特性的相互關系，實現數值模擬研究的流場計算法；通過一元流動理論來分析摩擦損失、擴散損失、混合損失等各項水力損失，構建水力損失預測模型的損失模型法等方法。但由于流體本身的非理想性以及流動的復雜性，至今為止還沒有很好的理論計算方法能夠準確描述這一特征，只能通過實驗方法測定。因此，掌握離心泵性能測定方法是從事物業機電方向學生的必備技能。

目前，各院校有關自動恒壓供水性能實驗方面的教學設備主要為比較陳舊的離心泵性能實驗臺，功能一般為通過手動控制完成性能實驗，儀器設備老化，精度差，人為因素的測量誤差大，實驗需要很長的時間，效率低，效果不佳。近幾年，開始有部分院校對原有設備進行改造，增加PLC控制電機、閥門，傳感器信號反饋給PLC，通過PLC程序實現自動控制，能夠做單泵的性能曲線、雙泵并聯特性曲線和雙泵串聯的特性曲線。但是上述改造并沒有實現離心泵的變頻控制，不能做水泵變頻控制曲線，不能直觀地體現水泵變頻控制的節能效果。由流體力學原理可知，水泵軸功率與轉速的三次方成正比，節能效果非常顯著，讓學生操作及觀察水泵變頻帶來的節能效果非常重要。本次開發的實訓系統能夠解決上述問題。

一、離心泵性能測定方法

水泵揚程的計算：

——泵出口/進口液體壓強，單位；

——泵出口/進口液體流速，單位m/s；

——泵出口/進口截面中心到基準面的距離，單位m；

——液體密度，單位kg/m3.

水泵有效功率的計算：

——體積流量，單位m3/s；H——揚程，單位m；

水泵效率的計算：

繪制離心泵性能曲線：

圖1 單臺水泵定頻、變頻特性曲線

圖2 水泵工頻并聯運行特性曲線

圖3 變頻泵與工頻泵并聯運行特性曲線

二、自動恒壓供水性能實驗系統研發

采用兩路并聯變頻泵給水系統，公用一個不銹鋼材質水箱，經出水母管后分支為三路并聯給水，循環水回水箱。設置液位測量傳感器，實現液位實時監控及對水泵啟動、運行進行聯鎖保護。水泵進口、出口各設置一個電磁閥及手動閥配套，實現自動控制及聯鎖保護。進口電磁閥前設置真空壓力變送器（-100kPa～0），實時監測水泵進口壓力，出口電磁閥后設置壓力傳感器及流量傳感器，實時監測出口壓力及流量，以便進行性能分析計算。

圖4 管路系統圖

圖5 主電路設計

（一）管理層

管理層配置計算機一臺，與控制層設備通過USB-SC09-FX連接，并安裝三菱PLC配套軟件、北京亞控組態王6.55。開發組態監控畫面，用于系統設備數據的采集與過程控制，并且可以編輯組態控制界面。

（二）控制層

控制層配置三菱PLC控制器一臺，FX2N-64MR-001，擴展16點輸入模塊，FX2N-16EX，同時配置2個4通道模擬量輸出模塊，FX2N-4DA，4個4通道模擬量輸入模塊，FX2N-4AD。PLC控制器與模塊間采用總線連接，水泵電機由FR-A740系列高性能矢量變頻器控制，FR-A740-0.75K-CHT，閉環時可進行高精度的轉矩/速度/位置控制，無傳感器矢量控制可實現轉矩/速度控制。

（三）現場監控層

現場監控層由狀態監測設備及執行設備組成，分別由真空水管壓力變送器、水管壓力變送器、流量變送器、液位變送器、電磁閥、變頻水泵、電動調節閥及變頻器組成。各類變送器將管路運行狀態反饋至PLC控制器及其擴展模塊中，通過邏輯編程發送執行指令，控制變頻器的頻率，電磁閥的打開與關閉，變頻水泵的啟動、停止與調速，電動調節閥的開度等。

三、遠程監控系統研發

遠程監控系統采用組態軟件，設計包含自動給排水工藝流程圖、真空壓力實時曲線圖、水管壓力實時曲線圖、水管流量實時曲線圖、水泵運行狀態/頻率/時間數值顯示、電磁閥運行狀態顯示、電動調節閥運行狀態/開度位置數值顯示等監控畫面，可對水泵進行啟停控制及頻率設定，對電磁閥進行開關控制，對電動調節閥進行開度控制，并設置實訓裝置啟停止按鈕，顯示就地及遠程控制狀態。

圖6 遠程監控系統設計

四、結語

根據職業技術學院、技師學院機電方向專業的教學需要，在分析了現有相關院校的自動恒壓供水性能實驗系統特點及不足的基礎上，設計了本套自動恒壓供水性能實驗及遠程監控系統。本系統能夠實現供水系統手動控制、PLC自動控制、變頻控制，測定單泵性能曲線、雙泵并聯特性曲線、單泵變頻性能曲線、變頻與工頻并聯曲線等，并且模擬了遠程自動監控畫面，功能完善，填補了專業實訓設備和科研的空白，經教學實踐檢驗，效果良好。

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