泵站性能测试虚拟仿真实验平台设计与实现

方贵盛，邱海亮，尹世玉，谢荣盛

（浙江水利水电学院机械与汽车工程学院，杭州 310018）

0 引言

泵站性能测试实验装置作为一种重要的实验设备，为水利类院校机械、水利专业学生开展《水泵与水泵站》《水利机械模块综合实践》课程教学，提供了很好的实践平台，对提高学生的专业技术能力和实践动手能力，起到了良好的促进作用［1-3］。在实际使用过程中，存在着实验台套数少、实验成本高等问题。实验装置体型庞大，占地面积多，建设成本高，只能采购一套设备。学生在做实验时，为了保证实验教学的质量，就必须进行分组教学，这给实验教师带来了多倍工作量的增加。另外做一次实验，需要30～40 t水，实验做完后水需要排空。如果不排空，会使储水箱和管道锈蚀，影响设备的寿命。这不仅造成水资源的浪费，也导致实验成本增高。为解决以上问题，借建设机械工程省级实验教学示范中心的机会，进行了泵站性能测试虚拟仿真实验平台的开发工作，并将其应用到课程实验教学过程中，作为实物装置的补充，取得了良好的教学效果。

虚拟仿真是时代发展的产物，随着计算机、虚拟仿真、互联网＋等技术的发展而产生［4-5］。虚拟仿真实验教学带来众多好处，学生可以不受时空限制开展线上实验，节约实验成本等［6-7］。近几年来，国家和省市教育主管部门都把发展虚拟仿真作为一项提升高校教学质量的重要举措来抓，并出台了虚拟仿真实验教学示范中心、虚拟仿真实验教学项目等多项政策，受到了各高校的重视。目前对水利、水电类专业已开发出的典型实验教学项目有水电站虚拟仿真实验平台［8］、污水处理虚拟仿真实验平台［9］、流体力学虚拟仿真实验平台［10］，以及其他虚拟仿真实验平台［11-14］。

1 泵站性能测试实验装置简介

泵站综合性能测试装置由水循环、测量控制、动力与配电等系统组成，如图1 所示。水循环系统由进水罐、出水罐、储水罐及其管路组成，总长约60 m，水体容积约50 m3。水罐下方有补水、排水管路，中部设进入孔和斜向进出口，上部设集气槽和集气桶，方便排除罐体中的气体，同时也方便外接真空管路、压力管路等设施。水罐前后有进出水口，其中进水罐的出口和出水罐进口为大型平板封头，用法兰盘联接固定，便于与各种流道连接。进水罐和出水罐内部安放稳流栅，用于减少试验时的水流波动。测量控制系统包括各种传感器、数据显示仪表、数据采集设备、数据处理程序、动作执行机构、电脑、PLC等，主要用于对水泵的流量、压力、压差、扭矩、转速、温度等参数进行测量与显示。动力与配电系统主要包括主电动机、辅助泵、真空泵、空压机、电动阀、电磁阀和配电柜等，主要为整个实验装置提供动力，并进行自动控制。

泵站综合性能测试装置可实现封闭式与开放式两套水循环工作方式。通过对试验段的拆装调整，可实现不同泵型、不同试验内容的改变。试验内容包括300 mm及以下多种类型水泵的能量性能、汽蚀性能、飞逸特性、动态过渡特性、内特性试验；水力机械水流脉动特性试验；水泵叶轮开发测试等。配合现代激光测试设备，可对工作状态的水泵、泵装置、进出水流道、进水池等过流设施进行内流场流态观测。

图1 泵站综合性能测试实验装置

2 泵站虚拟仿真实验平台总体方案

泵站虚拟仿真实验平台以机电一体化仿真软件（Virtual Universe Pro，VUP）为开发工具。VUP是一款集电工电子、液压与气动、PLC、单片机、机械自动化等多种功能的虚拟仿真系统，它能够在三维环境下对控制对象进行带物理属性的仿真。这里的控制对象可以是系统自带的三维模型，也可以是从其他三维设计软件导入的三维模型，如Solidworks、CREO、UG 等。在VUP环境下，用户可以对控制对象进行动作设置、I／O配置等。VUP软件可用于企业进行产品开发，也可用于高校进行虚拟仿真教学。基于VUP软件，目前已开发出多种虚拟仿真实验，如啤酒生成线、机床虚拟仿真操作等［15］。通过Solidworks三维设计软件进行泵站模型构建，然后导入到VUP 环境中，进行父子层级关系设置，以及颜色材质光照质量重力等物理属性设置，再通过PLC进行控制，达到可视化运动仿真的目的。整个平台分为4 个部分：人机交互界面设计、虚拟仿真环境构建、PLC控制系统设计、可视化运动控制仿真。其总体设计思路如图2 所示。

3 泵站实验平台虚拟模型构建

图2 泵站综合性能测试虚拟仿真实验平台总体方案

设计逼真的虚拟仿真实验项目，需要构造三维场景模型。VUP提供了一些基本的3D零件和特制的零件组合模块供用户使用，如立方体、圆柱体、输送带等。但是这些零件库不能满足像泵、阀这样复杂的模型，需要借助于专业化三维CAD软件进行复杂零件建模，再导入到VUP 环境中，进行后续控制仿真。由于VUP软件可以直接将Solidworks软件构建的三维模型通过3DXML格式导入到虚拟仿真环境中，不需要其他的格式转换，因此本项目所需要的泵站3D 模型均通过SolidWorks三维CAD软件来构建。

泵站装置尺寸较大、内部结构较为复杂、不易测量等问题，导致可测量尺寸的不完整，在实际测量过程中，难免会存在误差，所以部分尺寸需要根据已测得尺寸通过查表配对补充。再根据所绘草图使用AutoCAD软件绘制出完整的CAD二维图，以及用SolidWorks软件构造出其三维模型图。经零部件装配后通过3DXML格式将三维模型装配图导入到VUP 虚拟仿真环境中，具体绘制的模型如图3 所示。

图3 泵站性能测试实验装置三维虚拟仿真模型

4 泵站虚拟仿真实验平台设计

4.1 人交互界面

整个人机交互界面分为3 个部分：泵站虚拟仿真模型操作区域、参数设置、数据显示与手动操作界面。在泵站虚拟仿真模型操作区域（中间区域），用户可以通过鼠标中键和右键对3D 模型进行平移、缩放和视角调整等。在参数设置人机交互界面区（右下角区域），用户可以对系统启、停进行控制、对手动与自动操作模式进行切换，对3 种流道类型进行选择，对闸阀的开度、主泵电动机的转速、主泵电动机的启动时长等参数进行设置。在数据显示与手动操作界面区（左侧区域），用户可对闸阀、蝶阀、主泵、辅助泵等进行单独控制，可以观看5 个蝶阀的工作状态，可查看当前的流量、扬程、轴功率、效率等数据，也可以观看H、N、η 随流量变化的动态曲线等。

图4 系统人机交互界面

4.2 可视化数据驱动机制

仿真平台的控制系统、数据采集和处理需要依托虚拟3D元件来创建。为在构建仿真系统时便于分辨不同的功能块，将元件分模型块、数据块、控制块三部分分块添加。其中模型块元件通过对外部SolidWorks三维软件建立的3D模型导入得到的3D元件；数据块元件为系统内部直接添加的对象，主要用于承载、传递、处理数据；控制块元件也为系统内部直接添加的对象，主要用于PLC 控制器的设置和调试，对不同功能PLC控制器的分类等，如图5 所示。

各数据的驱动主要通过脚本程序来实现。脚本程序是VUP软件用于完成某项工作任务的程序，是一些命名语句的集合，如扬程（H）随流量（Q）实时变化的脚本程序如图6 所示。

4.3 PLC虚拟控制系统

PLC虚拟控制系统是通过PLC 程序对所有数据、动作、功能进行综合、统一控制，实现“数据与动作”“动作与动作”的联动。PLC 虚拟控制系统对于整个虚拟仿真系统的构建起着决定性的作用，直接影响最终的仿真结果。

图5 虚拟仿真实验系统的数据元件

图6 虚拟仿真实验系统的脚本程序

VUP通过设置3D元件中预定义和可配置的动作来实现I／O的设置。如驱动电动机的启、停控制，需要为元件“驱动电机”添加主控制器参数“main＿n”，动作参数“start ＿ time ＿ n”“setspeed ＿ n”“count ＿ n”“ADDcontrol＿n”“start＿delay＿n”“start＿n”“stop＿n”“stop＿delay＿n”“x＿n”以及脚本动作参数“sum＿n”。在主控制器“main＿n”中设计PLC梯形图，如图7 所示。

图7 驱动电机的PLC梯形图程序

该PLC梯形图的控制功能为：每隔10 ms，往变量count＿n 的值上加一次变量x＿n 的数值，实现变量count＿n 周期性累加，累加值的大小为x＿n 的数值，从而实现电动机转速逐步上升到设定值的过程。

5 系统仿真与实验项目设计

泵站性能测试虚拟仿真实验平台能够实现手动控制和自动控制两种方式，其主要控制对象有闸阀、蝶阀、轴流泵、电动机、流道选择及水流方向等，如闸阀、蝶阀的开闭，电动机的启、停等。下面以流道选择说明系统的工作过程。

在装置运行状态下，打开电源，系统立即根据预设程序调节相应的蝶阀打开预设流道“流道1”（此时混流泵与蝶阀2＃、3＃、4＃开启，蝶阀1＃、5＃闭合，见图8）。同时，也可以通过人工操作来选择流道。其中有3 个流道方案可供选择（见图9），只须点击相应的按键，装置中的5 个蝶阀和混流泵便会根据系统程序自动调节，实现流道转换。3 个流道的相应按键上还设有指示灯，若以“流道1”运行时，其对应的按键就会一直点亮，提示此时的流道选择状态。在系统运行过程中，人机交互界面上的数据显示区会显示各蝶阀的工作状态，以及各参数值的动态曲线，如图10 所示。

图8 流道选择的布局图

图9 流道选择控制按钮

图10 虚拟仿真平台动态数据显示

借助仿真实验平台，师生可开展以下实验。

（1）认知类实验项目。对组成泵站性能测试实验装置的轴流泵、混流泵、闸阀、蝶阀、电动机、PLC、变频器、传感器等元器件的结构与工作原理进行认知。

（2）操作类实验项目。熟悉泵站虚拟仿真实验设备的操作，如泵阀的开、闭及其开、闭顺序、流道的选择、电动机转速的设置等。

（3）设计类实验项目。进行PLC 程序设计与调试，以实现电动机的软启动、手动与自动控制、闸阀的开、闭控制和蝶阀的联动控制等。

（4）综合类实验项目。进行量、扬程、轴功率、效率等水泵性能参数测试，并可对所测得的流量、速度等数据进行分析与处理。如可在转速不变的条件下，调节闸阀开度，测量不同开度时泵站装置稳定运行下的流量、扬程、轴功率、效率等参数的数据，再根据所得数据绘制Q-H、Q-N、Q-η性能曲线图，观察、比较、分析理论性能曲线与仿真性能曲线的区别；分析各性能曲线的特点。或在闸阀开度合适且不变的条件下，调节电动机的转速，测量不同转速下泵站装置稳定运行下的流量、扬程、轴功率、效率等参数，根据所得数据绘制Q-H、Q-N、Q-η性能曲线图，观察、比较、分析理论性能曲线与仿真性能曲线的区别；分析各性能曲线的特点。

6 结语

利用计算机、虚拟现实、虚拟仿真、互联网＋等先进技术开发虚拟仿真实验平台，开展相关实验教学，能够有效解决大型实验装置存在的实验台套数不足、实验成本过高等问题，是对传统实验模式的有效补充。本文针对泵站综合性能测试装置，利用机电一体化虚拟仿真软件VUP对其进行虚拟仿真实验平台开发，并将其应用到《水泵与水泵站》等课程的实验教学过程中，取得了良好的应用效果。实际使用过程中，要求学生先通过虚拟仿真实验平台对泵站性能测试实验装置进行全方位的认识和了解，熟悉实验流程，进行虚拟仿真，然后再到实验装置上进行实物操作实验。这样通过虚、实结合，相互比较，能够有效激发学生学习的兴趣，提高学生的实验探究能力，值得应用和推广。