CN107424470A - 一种给水管网仿真模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种给水管网仿真模拟系统，包括立体管网系统、在线数据采集及储存系统、监测控制及管理运行系统。立体管网系统包括给水管组成的双环管网，给水管的连接处为模拟生活用水节点，模拟水源节点的低位水箱和模拟水塔节点的高位水箱分别接入双环管网。在线数据采集系统及储存系统，包括设置在给水管的电磁流量计和压力传感器，还包括PLC和电脑。检测控制和管理运行系统，包括配电设备、PLC、触摸屏人机控制系统及电磁阀和水泵，电磁阀设置在给水管上，水泵设置在低位水箱和双环管网系统之间。该给水管网仿真模拟系统结构简单、操作方便、反应迅速、节约能耗，能灵敏仿真模拟给水管网系统的水力状况。
Description
技术领域
本发明属于市政工程实验教学技术领域，具体涉及一种给水管网仿真模拟系统。
背景技术
给水管网的构建是城市基础设施建设的一个重要方面，随着社会经济的发展和城市化进程的加快，给水管网的改造和修建的任务日益增多。据调查，在城镇较大规模的给水管网设计中，经常出现管段管径较大、流速较低、设计方案不经济等问题。随着社会发展，人们对水量的需求更大，对水质的要求更高，而给水管网的设计与计算工作量也增大，如何优化给水管网设计以达最佳运行工况对社会的发展具有重大的意义。
给水管网的水力计算是基于质量守恒和能量守恒原理，得出连续性能量方程。在环状管网模型计算中，所有的环路都是由封闭的管段组成，规定回路中的管段流量和水头损失方向以顺时针为正，逆时针为负，则各管段的水头损失代数和一定为0。国外给水管网建模计算和建模技术等发展相对成熟，而国内起步较晚，哈尔滨工业大学开发的《给水管网建模与分析平台WNW》、上海三高计算机中心股份有限公司开发了《三高宏扬供水管网水力模拟软件NetSiu》，然而，目前国内各城市供水管网基础设施差异较大，基础资料尚不完备，这些技术未能很好地在国内进行应用。
现有技术在进行给水管网设计计算时，由于人工计算容易导致计算错误的出现，如若过程中出现小错误，则很难检查出来或者部分计算过程需要重新计算。
针对上述问题，研究如何进行给水管网仿真模拟，优化给水管网运行工况，为改善社会基础设施建设，同时有效利用水资源，对城镇给水管网体系的完善与推广具有较为重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种给水管网仿真模拟系统。
为实现上述技术目的，本发明提供一种给水管网仿真模拟系统，包括立体管网系统、在线数据采集及储存系统、监测控制及管理运行系统。
所述立体管网系统，包括由多根由管件连接的给水管组成的双环管网系统，双环管网系统的两根或者给水管的连接处为模拟生活用水的用户节点，立体管网系统还包括模拟水源节点的低位水箱和模拟水塔节点的高位水箱，低位水箱和高位水箱分别接入双环管网系统，所述给水管在横向和纵向上曲折折返，构成立体给水管网结构。
所述用户节点设置有出水口，并与低位水箱连通，所述高位水箱设置有溢流阀，并与低位水箱连通。
所述在线数据采集系统及储存系统，包括设置在给水管或者节点上的电磁流量计和压力传感器、设置在控制柜中的用于数据采集及存储的PLC，以及电脑，所述PLC分别与电磁流量计、压力传感器及电脑通过信号线连接。
所述检测控制和管理运行系统，包括配电设备、PLC、触摸屏人机控制系统及电磁阀和水泵，所述PLC和触摸屏人机控制系统设置在控制柜中，所述电磁阀设置在立体管网系统的给水管上，所述水泵设置在低位水箱和双环管网系统之间。
一种给水管网仿真模拟系统，进一步的，所述给水管固定在固定架上。
一种给水管网仿真模拟系统，进一步的，所述给水管网为透明有机玻璃管。
一种给水管网仿真模拟系统，进一步的，所述立体管网系统中，两根或者三根给水管之间通过管件进行连接，形成两个通过一根共用给水管连通的基本环，给水管连接处为用户节点，低位水箱和高位水箱分别通过一根给水管分别接入两个基本环。
一种给水管网仿真模拟系统，进一步的，所述给水管上设置有截止阀，所述节点旁段安装活接头，并安装有手动阀。
一种给水管网仿真模拟系统的实验方法，使用权利要求1至5任一所述的给水管网仿真模拟系统，进行校准仿真模型设计参数校正，首先开启变频泵向立体管网系统供水，改变模拟用户节点的电磁阀的开度模拟用户水量，通过节点连续流方程和环能量方程，分配各给水管流量，达到一个稳定运行状态，记录各给水管的流量、节点压力及节点流量，得到相应工况的一组数据，与采用人工计算或软件计算的管网平差结果进行对比验证，进行校准仿真模型设计参数的校正。
本发明采用以上的技术方案，取得了如下的技术效果：
1、本发明给水管网仿真模拟系统，通过给水管网的仿真模拟，可以验证设计计算的合理性，并且优化给水管网运行工况。
2、本发明的给水管网仿真模拟系统，给水管网设置成立体结构，增加管路长度，同时控制给水管网模型占地面积较小；
3、本发明的同时本水管网仿真模拟系统，可用于给排水科学与工程专业的教学演示，对给水管网的模拟仿真加强学生对给水管网系统的认知能力，并通过对环状给水管网运行状况的观察加深对管网平差的流程和方法的了解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的原理的结构示意图。
图2是本发明的立体管网系统的计算模型图。
图3是本发明的立体管网系统的结构示意图。
图4是本发明的带固定架的立体管网系统的结构示意图。
图中包括：1-给水管，2-低位水箱，3-水泵，4-高位水箱，5-电磁流量计，6-压力传感器，7-电磁阀，8-截止阀，9-固定架。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图，对本发明进行更清晰，完整的描述。
参见图1及图2，本发明提供一种给水管网仿真模拟系统，所述的给水管网实验教学平台包括立体管网系统、在线数据采集及储存系统、监测控制及管理运行系统。
所述的立体管网系统包括低位水箱2、水泵3、高位水箱4、给水管1、管件。
具体的，立体管网系统包括多根给水管1，两根或者多根给水管1通过弯头、三通、异径接头等管件进行连接，组成9个管段，8个节点，构成2个基本环的双环管网系统，形成封闭的网状结构。
如图2所示，管段b、管段c、管段g和管段e首尾相连，形成一个环；管段d、管段h、管段g和管管f首尾相连，形成一个环，两个环共用管段g，构成2个基本环。
低位水箱2位于立体管网系统的下部，通过输水管与水泵3相连，低位水箱2中存储的水源经水泵3加压，被输送至管段a，然后在管段b和管段e的连接处接入双环管网系统。
高位水箱4位于立体管网系统的上部，通过管段i在管段f和管段h的连接处接入双环管网系统。
通过如上设置，立体管网系统共设了8个节点：分别为模拟水源节点A，对应低位水箱2，用以供给水源；模拟水塔节点H，对应高位水箱4，用以进行二次调节。基本环上两个管段或者三个管段的连接处，分别为模拟生活用水节点，为节点B至节点G。
作为一种作为优选的方案，所有节点都设置有出水口，出水口通过连接低位水箱2，实验时，所有出水都自流进入低位水箱2，实现水的循环使用，节约实验用水。
优选的，低位水箱2的容积为2200*1000*500mm，高位水箱4的容积为1200*1000*500mm。高位水箱4设置有溢流管，溢流管连接低位水箱2，溢流管中的水自流进入低位水箱2，同样实现水的循环利用，节约实验用水。
在本发明中，给水管1的管径分别有De63、De40、De32、De25和De20。各管径的给水管1使用位置参见图2及图3，管段a采用De63，管段b采用De32，管段c采用De25，管段d采用De20，管段e采用De40，管段f采用De32，管段g采用De20，管段h采用De20，管段i采用De25。
作为一种优选的方案，为了增强立体管网系统的支撑给水管1固定在固定架9上。
管段a至管段i，每个管段上均设置截止阀8，共计9个，且每个用户节点旁段安装活接头及手动阀，通过开关手动阀，便于维护、灵活调整工况。
作为一种优选的方案，所述给水管1，管材为优选为透明有机玻璃管，在实验过程中可直观地观察水流状态，使学生能够更加直观的理解，加深印象。
由于立体管网系统的管线较长，占地面积较大，为尽量符合实际考虑占地面积，本发明的给水管网系统采用立体状，给水管1形成的管段在水平和竖直方向上弯曲环绕，可以充分利用空间，总占地面积低于10㎡，非常适合学校教学使用。
在线数据采集及储存系统包括电磁流量计5、压力传感器6、PLC及电脑，PLC与电磁流量计5及压力传感器6通过信号线连接，并与电脑连接。
数据采集系统包括在管段a、管段e、管段f上各安装的电磁流量计5，以及每个用户节点上安装的电磁流量计5，共计9个。还包括设置在每个用户节点的出水管上的压力传感器6，以及水泵3出水管段a的压力传感器6，共计7个。
数据存储系统包括PLC及电脑，PLC用信号线和电磁流量计5、压力传感器6及电脑连接，用以自动记录和储存用水量以及节点流量和压力的变化情况。
数据采集系统用以采集流量和压力的相关数据，通过数据处理系统的处理和数学模型的分析，最终可以在控制柜中的触摸屏人机系统的显示屏上清楚直观的看到流量的分配情况以及压力的变化情况。通过记录管道流量和压力，校核流量连续流方程和环能量方程。
监测控制及管理运行系统包括：配电设备及PLC、触摸屏人机控制系统及执行设备，执行设备为电磁阀7、水泵3。
PLC及触摸屏人机控制系统具有数据转换、储存、数据处理和仿真模型等功能，此系统设置在控制柜中。
执行设备在立体管网系统相应位置，如图2和图3中的电磁阀7和水泵3。优选的，所述水泵3为变频泵，二者之间通过信号线连接。具体的，在节点B至节点G，每个用户节点的出水管均设置有一个电磁阀7，共计6个，管段i上设电磁阀7，共1个。
在运行过程中，数据采集系统中电磁流量计5和压力传感器6采集数据如流量、压力等，监测系统将传感器信号转换为可显示的数据；通过触摸屏人机控制系统控制水泵3、电磁阀7的开启；通过调节电磁阀7开度、水泵3频率调整实验运行参数，达到管理运行的目的。
进一步的，所述水泵3功率为2.2kW，额定流量为20m3/h，扬程为22m。当流量不同时，水泵3的工况也有所不同。
通过控制调节系统中所有用户节点的电磁阀7的开度和高位水箱4的出水管，即管段i的电磁阀7的开度，改变立体管网的总流量，来记录水泵3实际扬程与功率的变化，除了可做给水管网系统的教学以外，还可以做水泵3的特性曲线研究实验。
本发明的一种给水管网仿真模拟系统给水管网平差验证试验方法如下：
1、实验准备。检查并确保低位水箱2里面水量充足；检查并确认立体管网系统的所有的截止阀8全部打开。
2、打开电源。打开电控柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源。
3、进入控制屏操作界面，设定各用户节点电磁阀7的开度，在0％～100％之间选择，设置水泵3启动频率，在10～50HZ之间选择。
4、开启水泵3，观察各给水管1水流流动情况。
5、待系统稳定运行5min以上，记录各给水管1流量及压力数值。
6、改变各用户节点电磁阀7开关量及水泵3运行频率，记录水泵3出口流量和压力，以及各给水管1流量和压力数值。
7、关闭立体管网系统某一给水管1的截止阀8，观察各管段的流量计压力数值变化，并记录数值，模拟事故工况管网平差。
8、关闭水泵3，打开高位水箱4的出水阀门，观察高位水箱4供水状况，记录各管段流量计压力数值，模拟水塔调节工况管网平差。
9、实验结束后关闭系统电源，将高位水箱4储水排空。
10、数据整理及撰写实验报告
本发明的一种给水管网仿真模拟系统水泵3流量——压力特性曲线实验方法如下：
1、实验准备。检查并确保低位水箱2里面水量充足；检查并确认立体管网系统的所有的截止阀8全部打开。
2、打开电源。打开电控柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源。
3、进入控制屏操作界面，设定各用户节点的电磁阀7开关量，在0％～100％之间选择，设置水泵3启动频率，在10～50HZ之间选择。
4、开启水泵3，观察各给水管1水流流动情况。
5、待系统稳定运行5min以上，记录一组水泵3出口流量及压力数值。
6、改变各用户节点电磁阀7的开关量，记录一组水泵3出口流量和压力数据；继续改变各用户节点电磁阀7开关量，再记录一组水泵3出口流量和压力数据；如何循环，总共记录至少五组水泵3出口流量和压力数据。
7、利用上述水泵3出口流量和压力数据在坐标纸上画出离心泵流量——压力特性曲线。
8、改变水泵3启动频率，重复4～7的步骤，可得到不同频率下离心泵的流量——压力特性曲线；至少绘三个不同频率的离心泵的流量——压力特性曲线。
9、实验结束后关闭系统电源，将高位水箱4储水排空。
10、数据整理及撰写实验报告。
所述触摸屏人机控制系统能实时调控给水管网的运行参数(水量、水压)，及显示管网模拟试验系统及管网模拟系统的运行或计算结果。
所述管网模拟试验系统通过开启变频泵向立体管网系统供水，通过改变用户节点处电磁阀7开度模拟用户水量，由节点连续流方程和环能量方程，自动分配各给水管1的流量，达到一个稳定运行状态，自动记录各给水管1的流量、节点压力、节点流量，得到相应工况的一组数据。与采用人工计算或软件计算(或给水管网仿真模拟系统)的管网平差结果进行对比验证，可起到校准仿真模型(软件平差计算)设计参数的作用。
所述给水管网仿真模拟系统，在管网模拟试验系统不运行的情况下，内置管网平差计算软件，可进行仿真动态模拟管网运行工况，可虚拟调节水泵3运行参数(调节水泵频率)、用户流量(调节用户节点电磁阀7的开度)，通过内置平差软件自动计算，得到给水管1的流量、节点压力等参数；可与管网模拟试验系统实际运行时的相关数据对比验证，可反向校准在线监测设备的信号传输准确度(如压力传感器6、电磁流量计5等的精度)的作用。
依据本发明的理想实例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员可以在不偏离本发明技术思想的范围内进行多样的变更以及修改。本发明的及属性范围并不局限于说明书上的内容，必须根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种给水管网仿真模拟系统，其特征在于：包括立体管网系统、在线数据采集及储存系统、监测控制及管理运行系统；
所述立体管网系统，包括由多根由管件连接的给水管组成的双环管网系统，双环管网系统的两根或者给水管的连接处为模拟生活用水的用户节点，立体管网系统还包括模拟水源节点的低位水箱和模拟水塔节点的高位水箱，低位水箱和高位水箱分别接入双环管网系统，所述给水管在横向和纵向上曲折折返，构成立体给水管网结构；
所述用户节点设置有出水口，并与低位水箱连通，所述高位水箱设置有溢流阀，并与低位水箱连通；
所述在线数据采集系统及储存系统，包括设置在给水管或者节点上的电磁流量计和压力传感器、设置在控制柜中的用于数据采集及存储的PLC，以及电脑，所述PLC分别与电磁流量计、压力传感器及电脑通过信号线连接；
所述检测控制和管理运行系统，包括配电设备、PLC、触摸屏人机控制系统及电磁阀和水泵，所述PLC和触摸屏人机控制系统设置在控制柜中，所述电磁阀设置在立体管网系统的给水管上，所述水泵设置在低位水箱和双环管网系统之间。
2.根据权利要求1所述的给水管网仿真模拟系统，其特征在于：所述给水管固定在固定架上。
3.根据权利要求1所述的给水管网仿真模拟系统，其特征在于：所述给水管网为透明有机玻璃管。
4.根据权利要求3任一所述的给水管网仿真模拟系统，其特征在于：所述立体管网系统中，两根或者三根给水管之间通过管件进行连接，形成两个通过一根共用给水管连通的基本环，给水管连接处为用户节点，低位水箱和高位水箱分别通过一根给水管分别接入两个基本环。
5.根据权利要求4所述的给水管网仿真模拟系统，其特征在于：所述给水管上设置有截止阀，所述节点旁段安装活接头，并安装有手动阀。
6.一种给水管网仿真模拟系统的实验方法，其特征在于：使用权利要求1至5任一所述的给水管网仿真模拟系统，进行校准仿真模型设计参数校正，首先开启变频泵向立体管网系统供水，改变模拟用户节点的电磁阀的开度模拟用户水量，通过节点连续流方程和环能量方程，分配各给水管流量，达到一个稳定运行状态，记录各给水管的流量、节点压力及节点流量，得到相应工况的一组数据，与采用人工计算或软件计算的管网平差结果进行对比验证，进行校准仿真模型设计参数的校正。
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