泵站性能測試虛擬仿真實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

方貴盛，邱海亮，尹世玉，謝榮盛

（浙江水利水電學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

泵站性能測試實驗裝置作為一種重要的實驗設(shè)備，為水利類院校機械、水利專業(yè)學(xué)生開展《水泵與水泵站》《水利機械模塊綜合實踐》課程教學(xué)，提供了很好的實踐平臺，對提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和實踐動手能力，起到了良好的促進作用［1-3］。在實際使用過程中，存在著實驗臺套數(shù)少、實驗成本高等問題。實驗裝置體型龐大，占地面積多，建設(shè)成本高，只能采購一套設(shè)備。學(xué)生在做實驗時，為了保證實驗教學(xué)的質(zhì)量，就必須進行分組教學(xué)，這給實驗教師帶來了多倍工作量的增加。另外做一次實驗，需要30～40 t水，實驗做完后水需要排空。如果不排空，會使儲水箱和管道銹蝕，影響設(shè)備的壽命。這不僅造成水資源的浪費，也導(dǎo)致實驗成本增高。為解決以上問題，借建設(shè)機械工程省級實驗教學(xué)示范中心的機會，進行了泵站性能測試虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)工作，并將其應(yīng)用到課程實驗教學(xué)過程中，作為實物裝置的補充，取得了良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真是時代發(fā)展的產(chǎn)物，隨著計算機、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)＋等技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生［4-5］。虛擬仿真實驗教學(xué)帶來眾多好處，學(xué)生可以不受時空限制開展線上實驗，節(jié)約實驗成本等［6-7］。近幾年來，國家和省市教育主管部門都把發(fā)展虛擬仿真作為一項提升高校教學(xué)質(zhì)量的重要舉措來抓，并出臺了虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心、虛擬仿真實驗教學(xué)項目等多項政策，受到了各高校的重視。目前對水利、水電類專業(yè)已開發(fā)出的典型實驗教學(xué)項目有水電站虛擬仿真實驗平臺［8］、污水處理虛擬仿真實驗平臺［9］、流體力學(xué)虛擬仿真實驗平臺［10］，以及其他虛擬仿真實驗平臺［11-14］。

1 泵站性能測試實驗裝置簡介

泵站綜合性能測試裝置由水循環(huán)、測量控制、動力與配電等系統(tǒng)組成，如圖1 所示。水循環(huán)系統(tǒng)由進水罐、出水罐、儲水罐及其管路組成，總長約60 m，水體容積約50 m3。水罐下方有補水、排水管路，中部設(shè)進入孔和斜向進出口，上部設(shè)集氣槽和集氣桶，方便排除罐體中的氣體，同時也方便外接真空管路、壓力管路等設(shè)施。水罐前后有進出水口，其中進水罐的出口和出水罐進口為大型平板封頭，用法蘭盤聯(lián)接固定，便于與各種流道連接。進水罐和出水罐內(nèi)部安放穩(wěn)流柵，用于減少試驗時的水流波動。測量控制系統(tǒng)包括各種傳感器、數(shù)據(jù)顯示儀表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理程序、動作執(zhí)行機構(gòu)、電腦、PLC等，主要用于對水泵的流量、壓力、壓差、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進行測量與顯示。動力與配電系統(tǒng)主要包括主電動機、輔助泵、真空泵、空壓機、電動閥、電磁閥和配電柜等，主要為整個實驗裝置提供動力，并進行自動控制。

泵站綜合性能測試裝置可實現(xiàn)封閉式與開放式兩套水循環(huán)工作方式。通過對試驗段的拆裝調(diào)整，可實現(xiàn)不同泵型、不同試驗內(nèi)容的改變。試驗內(nèi)容包括300 mm及以下多種類型水泵的能量性能、汽蝕性能、飛逸特性、動態(tài)過渡特性、內(nèi)特性試驗；水力機械水流脈動特性試驗；水泵葉輪開發(fā)測試等。配合現(xiàn)代激光測試設(shè)備，可對工作狀態(tài)的水泵、泵裝置、進出水流道、進水池等過流設(shè)施進行內(nèi)流場流態(tài)觀測。

圖1 泵站綜合性能測試實驗裝置

2 泵站虛擬仿真實驗平臺總體方案

泵站虛擬仿真實驗平臺以機電一體化仿真軟件（Virtual Universe Pro，VUP）為開發(fā)工具。VUP是一款集電工電子、液壓與氣動、PLC、單片機、機械自動化等多種功能的虛擬仿真系統(tǒng)，它能夠在三維環(huán)境下對控制對象進行帶物理屬性的仿真。這里的控制對象可以是系統(tǒng)自帶的三維模型，也可以是從其他三維設(shè)計軟件導(dǎo)入的三維模型，如Solidworks、CREO、UG 等。在VUP環(huán)境下，用戶可以對控制對象進行動作設(shè)置、I／O配置等。VUP軟件可用于企業(yè)進行產(chǎn)品開發(fā)，也可用于高校進行虛擬仿真教學(xué)?；赩UP軟件，目前已開發(fā)出多種虛擬仿真實驗，如啤酒生成線、機床虛擬仿真操作等［15］。通過Solidworks三維設(shè)計軟件進行泵站模型構(gòu)建，然后導(dǎo)入到VUP 環(huán)境中，進行父子層級關(guān)系設(shè)置，以及顏色材質(zhì)光照質(zhì)量重力等物理屬性設(shè)置，再通過PLC進行控制，達到可視化運動仿真的目的。整個平臺分為4 個部分：人機交互界面設(shè)計、虛擬仿真環(huán)境構(gòu)建、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、可視化運動控制仿真。其總體設(shè)計思路如圖2 所示。

3 泵站實驗平臺虛擬模型構(gòu)建

圖2 泵站綜合性能測試虛擬仿真實驗平臺總體方案

設(shè)計逼真的虛擬仿真實驗項目，需要構(gòu)造三維場景模型。VUP提供了一些基本的3D零件和特制的零件組合模塊供用戶使用，如立方體、圓柱體、輸送帶等。但是這些零件庫不能滿足像泵、閥這樣復(fù)雜的模型，需要借助于專業(yè)化三維CAD軟件進行復(fù)雜零件建模，再導(dǎo)入到VUP 環(huán)境中，進行后續(xù)控制仿真。由于VUP軟件可以直接將Solidworks軟件構(gòu)建的三維模型通過3DXML格式導(dǎo)入到虛擬仿真環(huán)境中，不需要其他的格式轉(zhuǎn)換，因此本項目所需要的泵站3D 模型均通過SolidWorks三維CAD軟件來構(gòu)建。

泵站裝置尺寸較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不易測量等問題，導(dǎo)致可測量尺寸的不完整，在實際測量過程中，難免會存在誤差，所以部分尺寸需要根據(jù)已測得尺寸通過查表配對補充。再根據(jù)所繪草圖使用AutoCAD軟件繪制出完整的CAD二維圖，以及用SolidWorks軟件構(gòu)造出其三維模型圖。經(jīng)零部件裝配后通過3DXML格式將三維模型裝配圖導(dǎo)入到VUP 虛擬仿真環(huán)境中，具體繪制的模型如圖3 所示。

圖3 泵站性能測試實驗裝置三維虛擬仿真模型

4 泵站虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

4.1 人交互界面

整個人機交互界面分為3 個部分：泵站虛擬仿真模型操作區(qū)域、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與手動操作界面。在泵站虛擬仿真模型操作區(qū)域（中間區(qū)域），用戶可以通過鼠標中鍵和右鍵對3D 模型進行平移、縮放和視角調(diào)整等。在參數(shù)設(shè)置人機交互界面區(qū)（右下角區(qū)域），用戶可以對系統(tǒng)啟、停進行控制、對手動與自動操作模式進行切換，對3 種流道類型進行選擇，對閘閥的開度、主泵電動機的轉(zhuǎn)速、主泵電動機的啟動時長等參數(shù)進行設(shè)置。在數(shù)據(jù)顯示與手動操作界面區(qū)（左側(cè)區(qū)域），用戶可對閘閥、蝶閥、主泵、輔助泵等進行單獨控制，可以觀看5 個蝶閥的工作狀態(tài)，可查看當(dāng)前的流量、揚程、軸功率、效率等數(shù)據(jù)，也可以觀看H、N、η 隨流量變化的動態(tài)曲線等。

圖4 系統(tǒng)人機交互界面

4.2 可視化數(shù)據(jù)驅(qū)動機制

仿真平臺的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理需要依托虛擬3D元件來創(chuàng)建。為在構(gòu)建仿真系統(tǒng)時便于分辨不同的功能塊，將元件分模型塊、數(shù)據(jù)塊、控制塊三部分分塊添加。其中模型塊元件通過對外部SolidWorks三維軟件建立的3D模型導(dǎo)入得到的3D元件；數(shù)據(jù)塊元件為系統(tǒng)內(nèi)部直接添加的對象，主要用于承載、傳遞、處理數(shù)據(jù)；控制塊元件也為系統(tǒng)內(nèi)部直接添加的對象，主要用于PLC 控制器的設(shè)置和調(diào)試，對不同功能PLC控制器的分類等，如圖5 所示。

各數(shù)據(jù)的驅(qū)動主要通過腳本程序來實現(xiàn)。腳本程序是VUP軟件用于完成某項工作任務(wù)的程序，是一些命名語句的集合，如揚程（H）隨流量（Q）實時變化的腳本程序如圖6 所示。

4.3 PLC虛擬控制系統(tǒng)

PLC虛擬控制系統(tǒng)是通過PLC 程序?qū)λ袛?shù)據(jù)、動作、功能進行綜合、統(tǒng)一控制，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)與動作”“動作與動作”的聯(lián)動。PLC 虛擬控制系統(tǒng)對于整個虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建起著決定性的作用，直接影響最終的仿真結(jié)果。

圖5 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)元件

圖6 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的腳本程序

VUP通過設(shè)置3D元件中預(yù)定義和可配置的動作來實現(xiàn)I／O的設(shè)置。如驅(qū)動電動機的啟、停控制，需要為元件“驅(qū)動電機”添加主控制器參數(shù)“main＿n”，動作參數(shù)“start ＿ time ＿ n”“setspeed ＿ n”“count ＿ n”“ADDcontrol＿n”“start＿delay＿n”“start＿n”“stop＿n”“stop＿delay＿n”“x＿n”以及腳本動作參數(shù)“sum＿n”。在主控制器“main＿n”中設(shè)計PLC梯形圖，如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動電機的PLC梯形圖程序

該PLC梯形圖的控制功能為：每隔10 ms，往變量count＿n 的值上加一次變量x＿n 的數(shù)值，實現(xiàn)變量count＿n 周期性累加，累加值的大小為x＿n 的數(shù)值，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速逐步上升到設(shè)定值的過程。

5 系統(tǒng)仿真與實驗項目設(shè)計

泵站性能測試虛擬仿真實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)手動控制和自動控制兩種方式，其主要控制對象有閘閥、蝶閥、軸流泵、電動機、流道選擇及水流方向等，如閘閥、蝶閥的開閉，電動機的啟、停等。下面以流道選擇說明系統(tǒng)的工作過程。

在裝置運行狀態(tài)下，打開電源，系統(tǒng)立即根據(jù)預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)相應(yīng)的蝶閥打開預(yù)設(shè)流道“流道1”（此時混流泵與蝶閥2＃、3＃、4＃開啟，蝶閥1＃、5＃閉合，見圖8）。同時，也可以通過人工操作來選擇流道。其中有3 個流道方案可供選擇（見圖9），只須點擊相應(yīng)的按鍵，裝置中的5 個蝶閥和混流泵便會根據(jù)系統(tǒng)程序自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換。3 個流道的相應(yīng)按鍵上還設(shè)有指示燈，若以“流道1”運行時，其對應(yīng)的按鍵就會一直點亮，提示此時的流道選擇狀態(tài)。在系統(tǒng)運行過程中，人機交互界面上的數(shù)據(jù)顯示區(qū)會顯示各蝶閥的工作狀態(tài)，以及各參數(shù)值的動態(tài)曲線，如圖10 所示。

圖8 流道選擇的布局圖

圖9 流道選擇控制按鈕

圖10 虛擬仿真平臺動態(tài)數(shù)據(jù)顯示

借助仿真實驗平臺，師生可開展以下實驗。

（1）認知類實驗項目。對組成泵站性能測試實驗裝置的軸流泵、混流泵、閘閥、蝶閥、電動機、PLC、變頻器、傳感器等元器件的結(jié)構(gòu)與工作原理進行認知。

（2）操作類實驗項目。熟悉泵站虛擬仿真實驗設(shè)備的操作，如泵閥的開、閉及其開、閉順序、流道的選擇、電動機轉(zhuǎn)速的設(shè)置等。

（3）設(shè)計類實驗項目。進行PLC 程序設(shè)計與調(diào)試，以實現(xiàn)電動機的軟啟動、手動與自動控制、閘閥的開、閉控制和蝶閥的聯(lián)動控制等。

（4）綜合類實驗項目。進行量、揚程、軸功率、效率等水泵性能參數(shù)測試，并可對所測得的流量、速度等數(shù)據(jù)進行分析與處理。如可在轉(zhuǎn)速不變的條件下，調(diào)節(jié)閘閥開度，測量不同開度時泵站裝置穩(wěn)定運行下的流量、揚程、軸功率、效率等參數(shù)的數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制Q-H、Q-N、Q-η性能曲線圖，觀察、比較、分析理論性能曲線與仿真性能曲線的區(qū)別；分析各性能曲線的特點?；蛟陂l閥開度合適且不變的條件下，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，測量不同轉(zhuǎn)速下泵站裝置穩(wěn)定運行下的流量、揚程、軸功率、效率等參數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制Q-H、Q-N、Q-η性能曲線圖，觀察、比較、分析理論性能曲線與仿真性能曲線的區(qū)別；分析各性能曲線的特點。

6 結(jié)語

利用計算機、虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)＋等先進技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實驗平臺，開展相關(guān)實驗教學(xué)，能夠有效解決大型實驗裝置存在的實驗臺套數(shù)不足、實驗成本過高等問題，是對傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ降挠行аa充。本文針對泵站綜合性能測試裝置，利用機電一體化虛擬仿真軟件VUP對其進行虛擬仿真實驗平臺開發(fā)，并將其應(yīng)用到《水泵與水泵站》等課程的實驗教學(xué)過程中，取得了良好的應(yīng)用效果。實際使用過程中，要求學(xué)生先通過虛擬仿真實驗平臺對泵站性能測試實驗裝置進行全方位的認識和了解，熟悉實驗流程，進行虛擬仿真，然后再到實驗裝置上進行實物操作實驗。這樣通過虛、實結(jié)合，相互比較，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的實驗探究能力，值得應(yīng)用和推廣。