CN107452243A - 一种给水管网综合实验教学平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种给水管网综合实验教学平台，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。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。本发明运行简单，操作方便，可以进行给水管网平差验证试验、水泵性能曲线试验及水泵调速运行工况试验。

Description

一种给水管网综合实验教学平台

技术领域

本发明涉及一种给水管网综合实验教学平台，特别的，为用于给排水科学与工程等专业的《给水管网系统》、《泵与泵站》及《城市水工程仪表与控制》等课程相关的教学实验的平台。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市公共基础设施建设的完善性显得尤为重要。市政给水排水管道作为基础设施建设的重要组成部分，当然也不容忽视。在高校给排水专业的教学中，市政管网作为专业学习的核心内容，目前已经具备了完善的理论知识体系。给水管网的设计、管网水力计算(管网平差)等内容都是学生学习的重点，由于教材上抽象的概念难以理解，而给水管网管线较长，成环复杂，占地面积大，无法在室内搭建模型等，大部分学校都缺少给水管网相关的实验教学环节，增加了学习的难度，也成为学生学习的难点。

现有技术也有一些给水管网模拟系统，但只能进行单方面的模拟，不能满足多种形式的模拟实验；有些模拟系统局部损失和沿程损失与实际相差太大，跟实际不符；有些给水管网模拟系统没有对节点流出的水进行回收利用，造成浪费；有些模拟系统没有考虑二次调节；有些成环过于复杂，占地面积略大，安装繁琐，且不适合初学者的学习与探究。

针对上述问题，发明人设计了一套立体的管网系统，以减少占地面积；设计电磁阀、变频泵，以模拟不同工况；增加自控设备，以记录、存储数据；并编程制作仿真系统，可与实测数据相互验证，实现模型参数优化及在线监测系统精度优化等。这样一套系统可同时开展给水管网系统、水泵与水泵站、城市水工程仪表与控制等课程的相关教学实验，加强学生对相关知识的理解，提高学生的实践能力。

发明内容

本发明设计的目的是提供一种用于给水管网、水泵及仪表与控制的综合实验教学平台，通过两个立体基本环来模拟实际的市政给水管网，采用电磁阀、变频水泵模拟生活用水变化的工况，采用控制系统来采集、储存数据及编程仿真模拟，使学生加深对管网系统运行计算的理解，同时还可让学生开展水泵工况实验及仪表与控制的相关实验。

为实现上述技术目的，本发明提供一种给水管网综合实验教学平台，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。

所述水泵为带有变频控制装置的变频泵。

一种水管网综合实验教学平台，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。

一种水管网综合实验教学平台，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。

一种给水管网综合实验教学平台给水管网平差验证试验方法，包括以下步骤：

步骤一，打开控制柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源；

步骤二，调节用户节点的电磁阀开关量为0％～100％，设置水泵启动频率为10～50HZ；

步骤三，开启水泵，观察各给水管水流流动情况；

步骤四，待系统稳定运行5min以上，记录各给水管的流量和压力数值；

步骤五，改变各用户节点的电磁阀开关量及水泵运行频率，记录水泵出口流量和压力，以及各管段流量和压力数值；

步骤六，关闭立体管网系统某一给水管的截止阀，观察各给水管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；

步骤七，关闭水泵，打开高位水箱的出水阀门，观察高位水箱供水状况，记录各给水管流量计压力数值，模拟水塔调节工况管网平差；

步骤八，关闭控制柜电源，进行数据整理及撰写实验报告。

利用给水管网综合实验教学平台进行水泵流量——压力特性曲线实验，包括以下步骤：

步骤一，打开电控柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源；

步骤二，调节模拟生活用水节点的电磁阀开关量为0％～100％，设置水泵启动频率为10～50HZ；

步骤三，开启水泵，观察各给水管水流流动情况；

步骤四，待系统稳定运行5min以上，记录一组水泵出口流量及压力数值；

步骤五，改变各用户节点的电磁阀的开关量，记录一组水泵出口流量和压力数据，继续改变各用户节点的电磁阀的开关量，再记录一组水泵出口流量和压力数据，如此循环，总共记录至少五组水泵出口流量和压力数据；

步骤六，利用步骤五得到的水泵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；

步骤七，改变水泵启动频率，重复步骤四到步骤六，可得到不同频率下水泵的流量——压力特性曲线；

步骤八，实验结束，关闭控制柜电源。

本发明采用以上的技术方案，取得了如下的技术效果：

1、本发明通过PLC系统控制调节每个用户节点上的电磁阀，可以改变模拟生活用水节点的用水量的大小，根据水量的改变重新进行各个管段的流量初分配，从而环上各个管段的流量和压力也会随之变化，数据收集、处理、分析后可在显示屏上显示，这样可以模拟不同流量下的管网流量分配及压力变化情况。

2、本发明在立体管网系统的每个管段上安装有手动阀，可通过手动阀的启闭，模拟市政管网的故障管段，进行事故校核。

3、本发明使用变频泵，当流量不同时，水泵的工况也有所不同，通过控制调节阀门，改变管网的总流量，来记录水泵实际扬程与功率的变化，除了可以做给水管网系统的教学以外，还可以做水泵的特性曲线研究实验。

4、本发明设置有电磁阀，电磁流量计，压力传感器以及控制柜和操作系统等，在城市水工程仪表与控制课程的教学中，也可带同学们参观学习，熟悉给排水管网在线监测系统。

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。

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综合实验教学平台，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。

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综合实验教学平台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综合实验教学平台水泵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。

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 (5)

1.一种给水管网综合实验教学平台，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；

所述水泵为带有变频控制装置的变频泵。

2.根据权利要求1所述的给水管网综合实验教学平台，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。

3.根据权利要求2所述的给水管网综合实验教学平台，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。

4.一种给水管网综合实验教学平台给水管网平差验证试验方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一所述的给水管网综合实验教学平台进行给水管网平差验证试验，包括以下步骤：

步骤一，打开控制柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源；

步骤二，调节用户节点的电磁阀开关量为0％～100％，设置水泵启动频率为10～50HZ；

步骤三，开启水泵，观察各给水管水流流动情况；

步骤四，待系统稳定运行5min以上，记录各给水管的流量和压力数值；

步骤五，改变各用户节点的电磁阀开关量及水泵运行频率，记录水泵出口流量和压力，以及各管段流量和压力数值；

步骤六，关闭立体管网系统某一给水管的截止阀，观察各给水管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；

步骤七，关闭水泵，打开高位水箱的出水阀门，观察高位水箱供水状况，记录各给水管流量计压力数值，模拟水塔调节工况管网平差；

步骤八，关闭控制柜电源，进行数据整理及撰写实验报告。

5.一种给水管网综合实验教学平台水泵流量——压力特性曲线实验方法，其特征在于：采用权利要求1至3任一所述的给水管网综合实验教学平台进行水泵流量——压力特性曲线实验，包括以下步骤：

步骤一，打开电控柜总电源，开启触摸屏人机控制系统电源；

步骤二，调节模拟生活用水节点的电磁阀开关量为0％～100％，设置水泵启动频率为10～50HZ；

步骤三，开启水泵，观察各给水管水流流动情况；

步骤四，待系统稳定运行5min以上，记录一组水泵出口流量及压力数值；

步骤五，改变各用户节点的电磁阀的开关量，记录一组水泵出口流量和压力数据，继续改变各用户节点的电磁阀的开关量，再记录一组水泵出口流量和压力数据，如此循环，总共记录至少五组水泵出口流量和压力数据；

步骤六，利用步骤五得到的水泵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；

步骤七，改变水泵启动频率，重复步骤四到步骤六，可得到不同频率下水泵的流量——压力特性曲线；

步骤八，实验结束，关闭控制柜电源。