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【摘要】文章开发设计了一套自动恒压供水性能实验及远程监控系统，能够实现供水系统手动控制、PLC自动控制、变频控制，测定单泵性能曲线、双泵并联特性曲线、单泵变频性能曲线、变频与工频并联曲线等，模拟远程自动监控画面，功能比较完善，填补了专业实训设备和科研的空白，经教学实践检验，效果良好。
【关键词】自动恒压供水性能实验系统；离心泵性能测定；远程监控系统
随着科技发展，社会进步，自动恒压供水系统在物业小区供水、大型公共建筑供水、工业生产供水等领域得到了广泛的应用。掌握自动恒压供水系统的组成、设备安装及维修保养、运行操作及节能改造等知识技能是从事物业机电方向就业学生的必备技能，其相关课程也是职业技术学院、技师学院机电方向专业的必修课程。
自动恒压供水系统性能实验主要是离心泵特性曲线测定。离心泵特性曲线是指扬程H、轴功率N、效率η与流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现。离心泵的性能目前主流的理论计算方法有用FLUENT、FIDAP等商业软件模拟泵内部流场与泵外部特性的相互关系，实现数值模拟研究的流场计算法；通过一元流动理论来分析摩擦损失、扩散损失、混合损失等各项水力损失，构建水力损失预测模型的损失模型法等方法。但由于流体本身的非理想性以及流动的复杂性，至今为止还没有很好的理论计算方法能够准确描述这一特征，只能通过实验方法测定。因此，掌握离心泵性能测定方法是从事物业机电方向学生的必备技能。
目前，各院校有关自动恒压供水性能实验方面的教学设备主要为比较陈旧的离心泵性能实验台，功能一般为通过手动控制完成性能实验，仪器设备老化，精度差，人为因素的测量误差大，实验需要很长的时间，效率低，效果不佳。近几年，开始有部分院校对原有设备进行改造，增加PLC控制电机、阀门，传感器信号反馈给PLC，通过PLC程序实现自动控制，能够做单泵的性能曲线、双泵并联特性曲线和双泵串联的特性曲线。但是上述改造并没有实现离心泵的变频控制，不能做水泵变频控制曲线，不能直观地体现水泵变频控制的节能效果。由流体力学原理可知，水泵轴功率与转速的三次方成正比，节能效果非常显著，让学生操作及观察水泵变频带来的节能效果非常重要。本次开发的实训系统能够解决上述问题。
一、离心泵性能测定方法
水泵扬程的计算：
——泵出口/进口液体压强，单位；
——泵出口/进口液体流速，单位m/s；
——泵出口/进口截面中心到基准面的距离，单位m；
——液体密度，单位kg/m3.
水泵有效功率的计算：
——体积流量，单位m3/s；H——扬程，单位m；
水泵效率的计算：
绘制离心泵性能曲线：
图1 单台水泵定频、变频特性曲线
图2 水泵工频并联运行特性曲线
图3 变频泵与工频泵并联运行特性曲线
二、自动恒压供水性能实验系统研发
采用两路并联变频泵给水系统，公用一个不锈钢材质水箱，经出水母管后分支为三路并联给水，循环水回水箱。设置液位测量传感器，实现液位实时监控及对水泵启动、运行进行联锁保护。水泵进口、出口各设置一个电磁阀及手动阀配套，实现自动控制及联锁保护。进口电磁阀前设置真空压力变送器（-100kPa～0），实时监测水泵进口压力，出口电磁阀后设置压力传感器及流量传感器，实时监测出口压力及流量，以便进行性能分析计算。
图4 管路系统图
图5 主电路设计
（一）管理层
管理层配置计算机一台，与控制层设备通过USB-SC09-FX连接，并安装三菱PLC配套软件、北京亚控组态王6.55。开发组态监控画面，用于系统设备数据的采集与过程控制，并且可以编辑组态控制界面。
（二）控制层
控制层配置三菱PLC控制器一台，FX2N-64MR-001，扩展16点输入模块，FX2N-16EX，同时配置2个4通道模拟量输出模块，FX2N-4DA，4个4通道模拟量输入模块，FX2N-4AD。PLC控制器与模块间采用总线连接，水泵电机由FR-A740系列高性能矢量变频器控制，FR-A740-0.75K-CHT，闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制，无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制。
（三）现场监控层
现场监控层由状态监测设备及执行设备组成，分别由真空水管压力变送器、水管压力变送器、流量变送器、液位变送器、电磁阀、变频水泵、电动调节阀及变频器组成。各类变送器將管路运行状态反馈至PLC控制器及其扩展模块中，通过逻辑编程发送执行指令，控制变频器的频率，电磁阀的打开与关闭，变频水泵的启动、停止与调速，电动调节阀的开度等。
三、远程监控系统研发
远程监控系统采用组态软件，设计包含自动给排水工艺流程图、真空压力实时曲线图、水管压力实时曲线图、水管流量实时曲线图、水泵运行状态/频率/时间数值显示、电磁阀运行状态显示、电动调节阀运行状态/开度位置数值显示等监控画面，可对水泵进行启停控制及频率设定，对电磁阀进行开关控制，对电动调节阀进行开度控制，并设置实训装置启停止按钮，显示就地及远程控制状态。
图6 远程监控系统设计
四、结语
根据职业技术学院、技师学院机电方向专业的教学需要，在分析了现有相关院校的自动恒压供水性能实验系统特点及不足的基础上，设计了本套自动恒压供水性能实验及远程监控系统。本系统能够实现供水系统手动控制、PLC自动控制、变频控制，测定单泵性能曲线、双泵并联特性曲线、单泵变频性能曲线、变频与工频并联曲线等，并且模拟了远程自动监控画面，功能完善，填补了专业实训设备和科研的空白，经教学实践检验，效果良好。
【参考文献】
[1]马菊莲.离心泵性能实验设备综合改造及实践[J].实验技术与管理，2016，33（10）：90-92，98.
[2]胡彤宇，胡瑞杰，郭翠梨.离心泵性能测定远程实验系统的开发与设计[J].实验室科学，2014，17（02）：57-60.
[3]刘在伦，车琴琴.基于RS485总线的离心泵性能测试系统[J].排灌机械，2007，25（05）：47-50.
[4]王刚.离心泵性能与流量计校正研究型综合实验装置[J].安徽化工，2013，39（05）：91-94.
【关键词】自动恒压供水性能实验系统；离心泵性能测定；远程监控系统
随着科技发展，社会进步，自动恒压供水系统在物业小区供水、大型公共建筑供水、工业生产供水等领域得到了广泛的应用。掌握自动恒压供水系统的组成、设备安装及维修保养、运行操作及节能改造等知识技能是从事物业机电方向就业学生的必备技能，其相关课程也是职业技术学院、技师学院机电方向专业的必修课程。
自动恒压供水系统性能实验主要是离心泵特性曲线测定。离心泵特性曲线是指扬程H、轴功率N、效率η与流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现。离心泵的性能目前主流的理论计算方法有用FLUENT、FIDAP等商业软件模拟泵内部流场与泵外部特性的相互关系，实现数值模拟研究的流场计算法；通过一元流动理论来分析摩擦损失、扩散损失、混合损失等各项水力损失，构建水力损失预测模型的损失模型法等方法。但由于流体本身的非理想性以及流动的复杂性，至今为止还没有很好的理论计算方法能够准确描述这一特征，只能通过实验方法测定。因此，掌握离心泵性能测定方法是从事物业机电方向学生的必备技能。
目前，各院校有关自动恒压供水性能实验方面的教学设备主要为比较陈旧的离心泵性能实验台，功能一般为通过手动控制完成性能实验，仪器设备老化，精度差，人为因素的测量误差大，实验需要很长的时间，效率低，效果不佳。近几年，开始有部分院校对原有设备进行改造，增加PLC控制电机、阀门，传感器信号反馈给PLC，通过PLC程序实现自动控制，能够做单泵的性能曲线、双泵并联特性曲线和双泵串联的特性曲线。但是上述改造并没有实现离心泵的变频控制，不能做水泵变频控制曲线，不能直观地体现水泵变频控制的节能效果。由流体力学原理可知，水泵轴功率与转速的三次方成正比，节能效果非常显著，让学生操作及观察水泵变频带来的节能效果非常重要。本次开发的实训系统能够解决上述问题。
一、离心泵性能测定方法
水泵扬程的计算：
——泵出口/进口液体压强，单位；
——泵出口/进口液体流速，单位m/s；
——泵出口/进口截面中心到基准面的距离，单位m；
——液体密度，单位kg/m3.
水泵有效功率的计算：
——体积流量，单位m3/s；H——扬程，单位m；
水泵效率的计算：
绘制离心泵性能曲线：
图1 单台水泵定频、变频特性曲线
图2 水泵工频并联运行特性曲线
图3 变频泵与工频泵并联运行特性曲线
二、自动恒压供水性能实验系统研发
采用两路并联变频泵给水系统，公用一个不锈钢材质水箱，经出水母管后分支为三路并联给水，循环水回水箱。设置液位测量传感器，实现液位实时监控及对水泵启动、运行进行联锁保护。水泵进口、出口各设置一个电磁阀及手动阀配套，实现自动控制及联锁保护。进口电磁阀前设置真空压力变送器（-100kPa～0），实时监测水泵进口压力，出口电磁阀后设置压力传感器及流量传感器，实时监测出口压力及流量，以便进行性能分析计算。
图4 管路系统图
图5 主电路设计
（一）管理层
管理层配置计算机一台，与控制层设备通过USB-SC09-FX连接，并安装三菱PLC配套软件、北京亚控组态王6.55。开发组态监控画面，用于系统设备数据的采集与过程控制，并且可以编辑组态控制界面。
（二）控制层
控制层配置三菱PLC控制器一台，FX2N-64MR-001，扩展16点输入模块，FX2N-16EX，同时配置2个4通道模拟量输出模块，FX2N-4DA，4个4通道模拟量输入模块，FX2N-4AD。PLC控制器与模块间采用总线连接，水泵电机由FR-A740系列高性能矢量变频器控制，FR-A740-0.75K-CHT，闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制，无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制。
（三）现场监控层
现场监控层由状态监测设备及执行设备组成，分别由真空水管压力变送器、水管压力变送器、流量变送器、液位变送器、电磁阀、变频水泵、电动调节阀及变频器组成。各类变送器將管路运行状态反馈至PLC控制器及其扩展模块中，通过逻辑编程发送执行指令，控制变频器的频率，电磁阀的打开与关闭，变频水泵的启动、停止与调速，电动调节阀的开度等。
三、远程监控系统研发
远程监控系统采用组态软件，设计包含自动给排水工艺流程图、真空压力实时曲线图、水管压力实时曲线图、水管流量实时曲线图、水泵运行状态/频率/时间数值显示、电磁阀运行状态显示、电动调节阀运行状态/开度位置数值显示等监控画面，可对水泵进行启停控制及频率设定，对电磁阀进行开关控制，对电动调节阀进行开度控制，并设置实训装置启停止按钮，显示就地及远程控制状态。
图6 远程监控系统设计
四、结语
根据职业技术学院、技师学院机电方向专业的教学需要，在分析了现有相关院校的自动恒压供水性能实验系统特点及不足的基础上，设计了本套自动恒压供水性能实验及远程监控系统。本系统能够实现供水系统手动控制、PLC自动控制、变频控制，测定单泵性能曲线、双泵并联特性曲线、单泵变频性能曲线、变频与工频并联曲线等，并且模拟了远程自动监控画面，功能完善，填补了专业实训设备和科研的空白，经教学实践检验，效果良好。
【参考文献】
[1]马菊莲.离心泵性能实验设备综合改造及实践[J].实验技术与管理，2016，33（10）：90-92，98.
[2]胡彤宇，胡瑞杰，郭翠梨.离心泵性能测定远程实验系统的开发与设计[J].实验室科学，2014，17（02）：57-60.
[3]刘在伦，车琴琴.基于RS485总线的离心泵性能测试系统[J].排灌机械，2007，25（05）：47-50.
[4]王刚.离心泵性能与流量计校正研究型综合实验装置[J].安徽化工，2013，39（05）：91-94.