（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的螺杆泵试验台测试系统研究.pdf

硕卜学位论文 摘要 螺杆泵是一种容积式泵，现已被广泛应用于石油、化工、造船、交通运输等 行业。随着对螺杆泵需求的增加，实际应用中对其运行效率和可靠性要求越来越 高。螺杆泵的性能测试是辨别产品优劣、保证系统性能和促进产品升级的重要手 段。 本课题是基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统的研究。根据螺杆泵试验方法 g b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2 和j b t8 0 9 1 1 9 9 8 标准，制定测试方案。其性能测试中需检测的 主要参数为泵的进、出口压力、流量、转速、电压、电流和功率等参数。测试系 统设计过程综合运用了电气控制技术、p l c 技术和数据库技术，设计了基于西门 子s 7 3 0 0p l c 的数据采集系统，主要实现螺杆泵性能参数的采集和检测功能；运 用s t e p 7b a s i s v 5 3 和w i n c cv 6 0 中文版软件开发了测试系统的上位操作软件， 使采集到的试验数据能在计算机上实时显示并生成试验报表和曲线，实现了计算 机对试验过程的控制和测试系统的自动化；同时测试系统还建立基于组态软件 w i n c c 的后台关系型数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 ，能够高效管理系统的设备信息和 试验数据，提供数据查询和共享功能，保证系统访问的有效性和安全性。 设计的试验台测试系统实现了螺杆泵性能参数检测的预期目标。将p l c 、数 据库等技术运用于本测试系统，保证了测试的实时性，提高了测试精度，实现了 测试过程的远程监控。 关键词：螺杆泵；试验台；测试系统；p l c ；w i a c c 基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 a b s t r a c t s c r e wp u m pi sak i n do fv ol u m ed e l i v e r yp u m p ，a n di th a sb e e nw i d e l yu s e di n p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，s h i p b u i l d i n g ，t r a n s p o r t a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s w i t ht h e i n c r e a s e dd e m a n df o rs c r e wp u m p s ，t h er u n n i n ge f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fs c r e w p u m p sa r er e q u i r e dh ig h e ri np r a c t i c a lp r o d u c t i o n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt e s to f s c r e wp u m pi sa ni m p o r t a n tm e a n so fd i s t i n g u i s ht h ec h a r a c t e ro ft h ep r o d u c t i o n ， e n s u r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n da l s oa c c e l e r a t i n gt h ep r o d u c t i o n d e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt e s ts y s t e mw a ss t u d i e db a s e do np l c ， t h et e s t i n gp l a nw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt og b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2a n dj b t8 0 9 1 - 1 9 9 8 t h em a i nt e s t i n gt a r g e t so ft h es c r e wp u m pa r e ：t h ee x p o r tp r e s s ，t h ef l o wr a t e ，t h e s p e e d ，t h ev o l t a g e ，t h ee l e c t r i cc u r r e n ta n dt h ep o w e r f i r s t ，u s i n ge l e c t r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y ，p l ct e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u eo fd a t a b a s e ，ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w a sd e s i g n e db a s e do ns 7 3 0 0p l co fs i e m e n s ，i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no f p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc o l l e c t i n g a n dt e s t i n g a f t e r w a r d s ，t h et o p c o m p u t e r o p e r a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e du s i n gt h es t e p 7b a s i s v 5 3a n dw i n c ev 6 0 s o f t w a r em a i n l yt oa c h i e v er e a l t i m ed i s p l a ya n dr e p o r tg e n e r a t i o no ft h ea c q u i r e d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s l a s t ，t h eb a c k g r o u n dr e l a t i o n a ld a t a b a s es q ls e r v e r2 0 0 0 w a se s t a b l i s h e du s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c ，w h i c hc a nm a n a g et h es y s t e m e q u i p m e n ti n f o r m a t i o na n dt e s td a t ah i g h l ye f f i c i e n t ，p r o v i d ed a t aq u e r ya n ds h a r i n g f u n c t i o n ，a n dc a ne n s u r et h ee f f i c a c ya n ds a f e t yw h e na c c e s st h es y s t e m t h es y s t e md e s i g n e di nt h i sr e s e a r c hr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t e dg o a lo ft e s t i n gt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h es c r e wp u m p u s i n gt h ep l ca n dd a t a b a s et e c h n i q u ei n t h i st e s ts y s t e m ，t h er e a l - t i m et e s tw a se n s u r e d ，t h ep r e c i s i o nw a si m p r o v e da n d r e m o t em o n i t o r i n go ft h et e s t i n gp r o c e s sw a sr e l i z e d e d k e yw o r d s ：s c r e wp u m p ：t e s t b e d ；t e s ts y s t e m ；p l c ；w i n c e n 硕上学位论文 插图索引 图2 1测试系统试验台架的设计图。1 2 图2 2 测试系统总控制电路图1 3 图2 3 11 k w 变频器控制电路图1 3 图2 411 k w 变频器电气连接图1 4 图4 1测试系统硬件系统图2 4 图4 2欧姆龙e 3 z 型光电开关2 7 图4 3m m 4 4 0 参数p 0 7 0 0 接口2 9 图4 4m m 4 4 0 参数pl0 0 0 接口3 0 图4 57 m f 43 3 系列压力变送器电子单元原理图3 2 图4 6压力测量元件功能表示意图3 2 图4 7电磁流量计测量原理图3 3 图4 8压力调节系统控制原理3 6 图4 9过程控制系统结构示意图3 7 图4 10 定位控制结构示意图3 7 图4 1 1p i d 控制系统原理框图3 8 图5 1s t e p 7 的应用过程4 3 图5 2s t e p 7 中设备组态图4 5 图5 3符号表4 6 图5 4读写ll k w 变频器参数程序图4 7 图5 5 d b 3 l 背景数据块一4 7 图5 6w i n c c 的功能展示4 9 图5 7测试准入界面图5 2 图5 8机器码重复时测试准入界面图5 3 图5 9基本数据输入界面5 3 图5 1 0 主监控界面5 6 图5 1 1变量分组5 6 图5 1 2p i d 参数调节界面5 7 图5 1 3s q ls e r v e r2 0 0 0 中的试验数据记录5 7 图5 1 4 试验报表5 8 图5 1 5w i n c c 的函数趋势控件应用6 1 图5 1 6曲线生成v b s 脚本程序6 2 图5 1 7 试验曲线6 2 i n 硕仁学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义及背景 现代工业的蓬勃发展离不开泵的广泛应用，从日常生活到生产厂房，再到油 气开采、污水处理，到处都可以看到泵的存在。泵作为一种通用机械，是机械工 业中的一类重要产品，在机械工业中占有很大的比重。通常泵可分为容积式泵和 动力式泵两大类。容积式泵包括往复泵、转子泵和齿轮泵等，离心泵、轴流泵等 则属于动力式泵。螺杆泵属于容积式泵的范畴，它与离心泵、往复泵、齿轮泵、 滑片泵等相比较，在某些方面( 如具有自吸能力、输送流量均匀延续、可以输送 黏度高的液体等) 具有明显的优越性【l 。3 j 。由于国民经济的发展，对泵用途的要 求也越来越特殊，目前各国一般用途的泵比重下降，而特殊用途的泵( 如螺杆泵、 计量泵、潜水泵、耐腐蚀泵等) 大量发展。螺杆泵作为一种特殊用途的泵，适应 范围非常广。目前，在许多领域螺杆泵己经逐渐取代了齿轮泵、离心泵等，产生 了很好的价值。 螺杆泵具有尺寸小、重量轻、维修方便、运动部件少、排量均匀等优点，现 已被广泛应用于石油、化工、制药、造纸、造船、食品、交通、运输等行业，输 送各种不同粘度的液体。随着生产发展的需要，螺杆泵的品种越来越多，产量越 来越大，于是一些问题也随之出现。在众多的现场试验中，曾出现定子与转子抱 死、转子脉动、定子橡胶脱落、杆断脱等状况，造成螺杆泵早期失效。分析认为， 这种失效主要是由于生产者对螺杆泵的工作特性认识和检验不足所致 4 - 7 j 。因此， 在产品交付使用前，必须对其进行严格的性能测试以确保质量。 螺杆泵的性能测试是辨别产品优劣、保证系统性能和促进产品升级的重要手 段。但是由于螺杆泵性能测试涉及的参数多、精度高，并且有些需要间接处理， 另外测试过程中还有很多相关条件需要保障，传统的螺杆泵自动测试系统多数是 传感器和智能仪表的简单连接，不仅结构单一，测试精度低，响应慢，而且不够 智能，难以实现远程数据的采集和系统监控，己经不能满足现代测试的需求。过 去的采集系统暴露出来的种种缺陷，需要运用现代的测试技术和方案进行改造和 完善。本课题所研究的基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统的开发目的是为了解决 此类问题，寻求一种合理的方案，在保证系统合理的性价比基础上能够满足用户 的需要。这是对现代测试新技术的尝试和探索，更能给螺杆泵的测试提供一个可 靠的实例，有利于现代测试技术在流体机械领域的广泛应用和发展。 本课题是基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统的研究与开发。按照螺杆泵试 验的国家标准规定，设计测试系统实时采集参数，对数据进行集中处理、分析、 基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 计算、存储、显示、传输、控制和维护。目的是改变传统的传感器和智能仪表的 简单连接、人工采集数据处理的方式，以期为螺杆泵制造企业测试产品性能提供 准确的数据，从而为企业分析产品质量、改进工艺提供决策依据。测试系统设计 试图综合运用p l c 控制技术、计算机网络技术、通讯技术和数据库技术来实现 信号采集、传输与分析处理一体化和系统网络化。与传统的测试方法相比，本文 提出的测试方法具有以下优点：一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，大 大降低系统成本；另一方面还有利于扩展测试系统和提高测试效率和精度。因此 本套测试系统的研究和开发有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1p l c 应用研究现状 p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计 时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控 制各种类型的机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控 制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 可编程控制器从1 9 6 9 年诞生，当时主要由分立元件和中小规模集成电路组 成，后经微处理器的引入直到进入实用化发展阶段，是一步一步的走过来的。可 编程控制器的进入成熟阶段的标志是大规模、高速度、高性能、产品系列化。2 0 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。随着系统能 力的提高，p l c 提供系统通信的能力，构成了可编程控制系统，人机界面逐步完 善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。从控制规模上来说，这个时 期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单 元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来 说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备 的配套更加容易。如今可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在 世界各地发挥着越来越大的作用 8 - 1 2 】。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归 纳为如下几类： ( 1 ) 开关量的逻辑控制。这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传 统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用 于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、 包装生产线、电镀流水线等。 ( 2 ) 模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、 2 硕卜学位论文 压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须 实现模拟量和数字量之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套的a d 和 d a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 ( 3 ) 运动控制。p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配 置来说，早期直接用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使 用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模 块。世界上各主要p l c 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、 机床、机器人、电梯等场合。 ( 4 ) 过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 尽管传统p l c 被应用于离散过程控制领域，但现在，p l c 已被广泛应用于连续过 程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在迸一步得到增长。作为 工业控制计算机，p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调 节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型p l c 都有p i d 模块，目前 许多小型p l c 也具有此功能模块。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控 制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。尽管离散和连续 过程控制应用都使用了同样的硬件产品和网络系统，可能还需要额外增加一些特 殊模件，但它们之间始终存在着一些不同的差异。只要将不同类型的应用软件装 入到同样的系统之中，就能够完成不同的过程控制应用。 ( 5 ) 数据处理。现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运 算) 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、 分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操 作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一 般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如 造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 ( 6 ) 网络通信与远程控制。网络通信与远程控制是指对系统的远程部分的 行为及其效果实施检测与控制。p l c 有多种通信接口，有很强的联网和通信的能 力，并不断有新的联网的模块与结构推出。所以，p l c 远程控制是很方便的。p l c 的通信包括主机与远程i o 之间的通信，多台p l c 之间的通信，p l c 与其它智能设 备，例如计算机、变频器或数据处理装置等之间的通信。p l c 与其它智能控制设 备一起，可以组成集中管理，分散控制式的分布式控制系统。 我国工业企业的自动化程度普遍较低，p l c 产品有很大的应用空间，如机械 行业8 0 以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。因此，p l c 在我国 的应用潜力远没有得到充分发挥。国内大中型企业普遍采用了先进的自动化系统 对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过 程进行控制。随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自 3 基于p i c 的螺杆泵试验台测试系统研究 动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。 近年来，作为基础工业之一的机械工业成为我国工业发展新的增长点，年均 增长率超过2 0 。机械工业需对开关量进行连锁及顺序控制，因此p l c 成为其控 制产品的首选。机械行业的高速增长和自动化日益普及的现状，为p l c 应用研究 提供了巨大的推动作用。 p l c 已经走过近4 0 年的历程，随着软硬件技术、通信和网络技术、半导体技 术飞速发展，工业生产过程的控制也出现了飞速的发展，现在p l c 已发展成为以 微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自 动控制装置。可以预见，p l c 将朝着集成化、智能化、标准化、开放化的方向发 展，故p l c 虽然面临着其他自控系统的挑战，但同时也在吸收他们的优点，互相 融合，不断创新。p l c 将进一步得到优化与发展，功能日臻完善，它与d c s ( 集 散控制系统) 、f c s ( 现场总线控制系统) 和m i c ( 信息管理系统) 一起将成为2 1 世 纪工业控制领域的主流产品，其应用必将具有广阔的发展前景 1 3 - 1 5 j 。 1 2 2 泵类测试系统国内外研究现状 螺杆泵作为重要的工农业生产和人们生活广泛使用的流体机械，发挥了积极 的作用，有着显著的经济效益和社会效益。螺杆泵性能试验和检测是进行螺杆泵 研发、生产、使用、评价、维护和保养的重要基础性工作。目前，螺杆泵性能试 验和检测问题的应用研究己成为重要的课题。 长期以来，国内的螺杆泵性能试验与检测手段和方法比较落后，很多以手工 操作试验、手工测量数据以及手工绘制曲线为主，因而测量精度低、劳动强度大。 随着产品的结构调整和更新换代速度的加快，市场对产品种类、质量、性能等方 面的要求更高，传统的实验方法在测试精度、试验速度等方面已难以满足新产品 研发和技术改造的要求。计算机技术、通信技术和智能控制技术的高速发展，自 动控制领域的日新月异，智能仪表、先进的控制方法等的层出不穷，给螺杆泵的 测试技术带来了契机。智能电磁流量计、超声波流量计、激光流量计、智能电容 式压力变送器、转矩转速传感器、微机扭矩仪、单片机、p l c 等先进的电子装置 迅速地被应用于智能的螺杆泵自动测试系统中，极大的提高螺杆泵测试系统的自 动化程度、测试精度、响应速度和人工效率【l6 。1 8 j 。 国内的螺杆泵性能测试系统有两种类型：一种是7 0 年代研制的以单片机为核 心外加许多分立元件组成的测试系统；另一种是8 0 年代以来采用智能测试仪器或 标准化仪器与计算机组成的测试系统。前者自动化程度不高，大部分已经瘫痪； 后者造价高，中小型螺杆泵厂难以承受。因此研制一种既能满足科研、生产和教 学检验使用要求，又操作方便、造价低、自动化程度高、能采用多种传感器信号 的螺杆泵多功能检测系统已是当务之急。到目前为止国内也研制出了一些先进的 泵类测试系统，主要有： 4 ( 1 ) 中国石油大学( 华东) 单螺杆泵输送气液两相介质的试验装置【l 9 j 该系统用清水和空气两相混合物做介质的单螺杆泵混输试验系统，能完成小 排量单螺杆泵的纯液试验和气液两相混输试验。但其自动化程度较低，试验过程 中各阀门的开启和关闭靠人工操作来完成，压力、温度、流量、电流、转速等测 试数据在仪表盘上显示后，需要人工手工记录，然后人工输入微机进行数据处理， 效率较低，而且该系统试验范围较窄，仅限于一种型号的单螺杆泵进行测试，整 个试验流程不能进行泵的更换，不能完成不同型号的不同排量的单螺杆泵的试 验，试验系统的更换性较差，实用性不强。 ( 2 ) 西安石油大学机械工程学院于2 0 0 0 年研制的螺杆泵信息采集装置【2 0 j 该装置是一种非接触式扭矩、轴向力、转速一体化测试传感器及其信息采集 仪，可以将螺杆泵系统杆柱的扭矩、轴向力和转速等信息进行采集，并且能将其 送入计算机。相对中国石油大学( 华东) 单螺杆泵输送气液两相介质的试验装置而 言，其自动化程度得到了提升。 ( 3 ) 西安石油学院和上海东方石油设备有限公司合作研制开发的螺杆抽油 泵性能试验自动测试系统【2 l j 该测试系统采用v b 开发工具，对压力、流量、转速、温度、扭矩、泵功率、 轴功率等多项性能参数进行自动检测。实现了性能试验中数据的自动采集与分 析，螺杆泵转速及运行工况的自动控制，螺杆泵压力流量、效率流量( 压力) 、 轴功率流量( 压力) 等性能曲线的自动绘制及试验数据存储、查询、打印等功能， 具有直观方便的人机界面。该系统省时、省力，测试效率高，可靠性好，是螺杆 泵的新型高效检验设备，实现了小排量油气混输泵的纯液试验流程。 ( 4 ) 天津瑞德泵业有限公司开发的双螺杆泵出厂测试系统【2 2 】 天津瑞德泵业有限公司根据自己多年的研发经验和实际情况，开发了双螺杆 泵出厂测试系统。该测试系统能够完成排量从5 m 3 h 至l j 3 0 0 m 3 h 的混输泵的纯液测 试试验。它的试验底座和连接管线根据不同的泵型可以更换，以适应不同型号和 不同排量的双螺杆泵的测试安装固定。但系统不能进行油气混输性能试验，而且 压力、温度、流量、电流、转速等试验数据全靠人工记录，最终需要人工处理试 验数据，手工计算泵的轴功率、效率等。依靠人力操作和读取数据，不但劳动强 度大，工作效率低，而且测试数据的可靠性往往受人为因素的影响，造成试验结 果的偏差较大。 ( 5 ) 安徽黄山工业泵厂螺杆杆泵检测中心的螺杆泵测试系统 安徽黄山工业泵厂是国内生产螺杆泵的骨干企业，一直致力于螺杆泵性能测 试系统的研究，拥有国内一流的螺杆泵检测中心，可对螺杆泵的流量、压力、振 动、噪音等所有性能进行检测。 从上面几家的螺杆泵测试系统可以看出，目前国内研发出的部分测试系统仍 5 幂于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 存在着仪器仪表众多，成本高，系统庞大，接口复杂，计算机通讯接口资源紧张， 维护困难，程序编写困难和应用软件界面不友好等缺点。而且这些测试系统多存 在于科研单位、高校及大型生产企业，很多螺杆泵测试系统还是传统的半自动化， 测位分散，全部测量信号没有综合管理，真正建立有螺杆泵智能自动化试验平台 的单位还不多。 在国外，由于微机和电子技术发展较快较早，欧美等发达国家对泵测试技术 的研究也就相对较早，对于特殊泵的研制、泵的特性测试等方面国外技术更为成 熟，很多方面仍领先于国内【2 3 1 。对泵的外特性测试装置而言，早在1 9 6 1 年，英 国国立工程实验室( n e l ) 就建立了自己的水力机械试验台，可用于水泵和模型水 轮机的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率和汽蚀试验，部分参 数实现了半自动控制，试验数据由计算机自动采集和处理，并能自动绘制试验曲 线和打印试验结果【2 4 1 。据大量外文书刊及互联网资料显示，目前国外的水泵测 试系统已经比较成熟，美、德等发达国家较为普遍，并且呈现出集成化高、体积 小、可移动、多功能、易操作等特点。其中比较典型的有【2 5 。2 7 】： 英国t qe d u c a t i o na n dt r a i n i n gc o l t d 公司研发的离心泵测试台结构简洁， 操作方便，采用数字式仪表实时显示测得的转速、转矩和功率，采用文丘里管测 量流量，研究水泵的汽蚀现象。通过使用通用数据采集系统和相关软件，可以得 到所测离心泵的性能，如流量和扬程特性，流量和效率特性等。 英国的a r m f i e l dl i m i t e d 公司设计的水泵试验台可以得到不同类型泵的运行 特性，通过用直流半导体闸流管控制器进行变速调节，能够测量涡轮泵、轴流泵、 离心泵和齿轮泵的流量、扬程、扭矩和功率等参数，并绘制出性能曲线，得到不 同类型泵的特性以及泵的汽蚀对泵本身的影响。 德国公司f l u i d o nc o m p a n y 生产的汽车冷却水泵试验台用于测量快速转动 泵的流量、效率和磨损，可测试高转速的旋转泵，允许的最大流量和电动机的最 大扭矩比较高，试验台的结构可以灵活配置，使用压力控制阀门，电动机的速度 采用闭环控制，同时还有加热器和冷却器。 俄罗斯伏尔加铁路局谢纳亚机务段开发的2 t 0 1 0 m 型内燃机车水泵试验台可 实时显示水泵压力，并设有固定用的支架和移动式滑板，可检查水泵质量及其排 量，从而缩短机车的停留时间。 印度d y n a m i ce n g i n e e r i n ge q u i p m e n t s 公司研发的离心泵试验台由三相交流 电动机驱动，在进口管路上安装真空计，出口管路上安装压力测量仪表和调节阀 门，可以比较方便地得到泵的特性。 还有一些螺杆泵测试系统如美国的s u n d s t r o n 公司的液压传动试验室的 测试系统、日本制钢所开发的柱塞泵效率试验台、英国国家实验室研制的机算机 控制的i s o 标准试验系统、法国机械工业研究中心( e t i t ) 的测试系统都是比较先 6 硕卜学位论文 进的泵测试系统【2 8 - 3 2 1 。 综上可知，目前国内泵测试装置的自动化程度还不如人意，国外发达国家的 泵测试系统的自动化水平普遍高于国内。究其原因，主要是由于国内研究起步较 晚，基础相对薄弱，目前仍受到经济状况、试验手段、科研环境等条件的限制。 随着市场经济的不断深入和完善，技术理论的日趋成熟，生产检测自动化水平的 提高以及市场对高精度检测的不断需求，螺杆泵泵测试技术将逐渐向测量仪器的 自动原位校正标定、宽测量范围、多功能融合、智能化、方便的网络控制和数据 共享等方向发展。 1 3 课题的研究内容 在综合考虑螺杆泵机械特征和工作性能、p l c 电气控制技术、工业以太网 技术、数据采集处理技术以及通信技术的基础上，提出解决方案，探讨一种实用 简单、易于调整、收效高的螺杆泵试验台测试系统方案，将可编程序控制器、组 态软件与工控机相结合，并应用相应的数据库技术，以实现螺杆泵的性能测试。 具体研究内容如下： ( 1 ) 螺杆泵性能检测试验台总体设计。根据系统的具体要求，深入分析系 统的实现原理，结合先进的测试思想，确定详细可靠的技术方案，力争提高系统 的实用性、可靠性和合理的性价比，满足生产厂家的测试要求。 ( 2 ) 基于p l c 的螺杆泵试验台电气控制设计。运用西门子公司的模块化中 小型p l c 系统s 7 3 0 0 、m i e r o m a s t e r 4 4 0 多功能标准变频器、西门子公司的智能 压力变送器以及相应的流量、速度、温度检测元件，设计合理的电气控制系统， 并实现各种器件之间的有效通讯。 ( 3 ) 测试信号采集在系统中的实现。使上位工控机与p l c 通过c p 5 6 1 1 网 卡进行通讯连接，将变频器m m 4 4 0 与p l c 组成p r o f i b u s 现场总线网络，通过 p l c 的a d 转换模块采集现场的压力和流量信号，利用p l c 的d a 转换模块对 电动调节阀进行p i d 闭环控制。对于电动机的电压、电流、功率、转速等参数 通过变频器和p l c 的p r o f i b u s 通讯网络采集，对电机温度既可以通过网络采集， 也可以通过p l c 的a d 模块采集( 前提是在电动机上安装能测温的热敏电阻) 。 对螺杆泵扭矩的测量方法用间接测量法实现，即p l c 通过通讯网络测得电动机 的电磁功率，再乘上螺杆泵的机械传动效率，得到螺杆泵轴端的功率，根据公式 t = 9 5 5 0 p n ，最终算出螺杆泵轴端的扭矩。通过光电开关测出螺杆泵轴端单位时 间内的脉冲数，再利用p l c 的高速计数器采集该信号，并通过相应的控制程序 计算出螺杆泵轴端转速。 ( 4 ) 数据分析处理在系统中的实现。研究数字信号的读取方法，有效剔除 干扰数据，减少由数据造成的测试误差，提高数据分析处理的准确性和合理性， 7 基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研冗 以期生成精确的实验结果曲线，生成并输出实验报表，从而为生产厂家分析螺杆 泵性能提供可靠依据。 ( 5 ) 测试系统数据的数据库管理。建立组态软件w i n c c 的数据后台关系型 数据库s q ls e r v e r ，采用合理的通讯方式和数据库访问技术，能够高效管理系统 的设备信息和试验数据，提供强大的数据查询和共享功能，保证系统访问的有效 性和安全性。 ( 6 ) 对测试系统进行软硬件两方面的调试，确保系统能够稳定运行。 ( 7 ) 所建测试系统在实际工程中的应用。 8 硕一t 学位论文 第2 章螺杆泵测试系统的总体设计 螺杆泵测试系统的总体设计，应当遵从完整可靠、经济适用、灵活可变的原 则，以适应不同试验方法、不同泵型号的测试要求，使所设计的系统具有较高的 适应性、灵活性和性价比，能够长期稳定可靠的运行，为用户带来较高经济效益 和实用价值【3 3 3 4 1 。 2 1 测试系统的设计内容及功能 2 1 1 设计内容 本测试系统是根据耐驰( 兰州) 泵业有限公司提出的技术要求，开发研制的 一套单螺杆泵自动控制测试系统，使其通过试验的方法检验单螺杆泵产品的技术 性能与质量的可靠性。为该公司今后的生产、开发高性能产品提供可靠的、必备 的技术手段。 测试系统的开发依据了中华人民共和国国家标准g b 9 0 6 4 8 8 螺杆泵试验方 法和中华人民共和国机械行业标准j b t 8 0 9 1 1 9 9 8 螺杆泵试验方法。根据测 试系统要实现的功能及测试要求，主要进行试验台硬件和软件两方面的设计。硬 件方面的设计主要有：试验台架设计、电气控制系统设计、试验数据采集系统设 计等。软件方面设计的内容有：测试系统控制程序的设计、测试监控软件的设计、 数据处理设计、试验报表和曲线生成设计等。按照现场实际情况及试验要求，尽 量使单螺杆泵性能测试系统试验方案正确、合理、易于实现、操作方便并且占用 空间小。通过选用合适的试验台使用部件，对各分系统所使用的测试仪器仪表也 进行标准化和通用化选取，尽可能使试验台设计最优化。在试验过程中，能够对 试验过程实时监控，对试验数据及时读取和采集得出试验报表和曲线，通过与标 准试验报表和曲线比对，从而判定螺杆泵性能优劣，为改进工作提供技术资料和 参考。 2 1 2 测试系统的功能 本测试系统主要是对螺杆泵出厂性能的试验及检测，考虑到现场实际环境因 素，设计合理的试验装置，采用实用的数据采集与数据处理方法，采集出螺杆泵 试验过程中的流量、压力、转速、轴功率、扭矩等主要参数，并能够将这些数据 保存在指定数据库中。通过上位测试软件的处理和操作，能够得出反映螺杆泵性 能的试验报表和试验曲线。整个测试系统最终实现的功能主要包括： ( 1 ) 螺杆泵各种性能参数的采集：包括螺杆泵测试过程中的流量、压力、转 速、轴功率、扭矩等参数。 9 幕于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 ( 2 ) 性能参数的存储：将采集到的性能参数能够保存到指定的数据库中，便 于日后的统计和查询。 ( 3 ) 数据的传输：试验过程中产生的试验数据能够及时有效地传输到上位机 中进行数据处理和计算。 ( 4 ) 试验报表生成和试验曲线绘制：下位传输上来的数据，在上位计算机中 通过开发后测试软件进行数据归档、保存，能够填写到预先设计好的试验报表中。 表征螺杆泵性能的特征参数如转速、流量、压力、功率、扭矩等参数，依据各试 验参数之间的关系，绘制出反映实验过程的试验曲线，并能够打印出来报表和曲 线图。 2 2 试验流程设计 根据实际情况和用户要求，本测试系统试验流程设计主要包括静压试验、运 转试验及性能试验。具体试验流程设计方案如下： ( 1 ) 静压试验 试验人员首先完成静压试验的前期工作，如安装盲板，给泵体里注入试验介 质，安装管堵，此时管堵应有与打压机相连的管线。前期工作完成后进入试验阶 段，试验人员可以在电脑面前在该测试系统组态的操作界面前进行试验，由于打 压机与测试系统相连，试验人员在操作界面上输入指定的压力值，自动控制系统 就会控制打压进行打压，又由于打压机管口装有智能的压力表，当打压机打压到 输入的指定压力值时，智能压力表就会将信息反馈到测试系统，测试系统就会控 制打压机停止打压。此时试验人员可以通过观测智能压力表或者操作界面上该智 能压力表的示值界面一段时间的压力值变化来判断螺杆泵有无泄漏现象。试验完 成后启动报表程序，填写相关数据信息并保存。 ( 2 ) 运转试验 一般运转试验都是在静压试验完成后进行。进行运转试验时，首先是试验人 员根据泵的型号，将泵与电气控制柜中变频器适宜的出线端子相连，在泵的输入 轴上贴测速条并安装光电开关以便测转速。注入试验介质，启动电机，起始时先 正传后反转或先反转后正转，使螺杆泵定子与转子之间充分润滑，待试验泵运转 稳定后，光电传感器将测得脉冲量传输到p l c 模块中，p l c 依据相应算法得出 单螺杆泵在一定时间内的平均转速，并将转速值传输到制定数据接收单元。其他 需要测量的参数如电流、功率、电压及频率由控制变频器的传感器检测并传输到 相应数据接收单元。 若不需要进行性能试验，在运转试验完成后启动报表程序，将静压试验和运 转试验产生的数据生成实验报表并打印出来。 ( 3 ) 性能试验 1 0 硕卜学位论文 进行运转试验时，先是试验人员根据泵的型号，将试验泵安装到适宜的管道、 泵电源线与电气控制柜中变频器适宜的出线端子相连，在泵的输入轴上贴测速条 并安装光电开关以便测转速。接通电源线，在操作界面上输入指定的转速，控制 单元就会控制电磁阀的开合以使测试泵输入轴达到指定转速，同时该测试泵的排 出端压力值通过压力变送器读取并传输到指定的数据处理单元，流量值则由电磁 流量计读取并传输，吸入端压力值由吸入端压力变送器读取并传输，其他电流， 电压，功率，频率由变频器读取并传输。对于一个指定的转速值，试验测的的数 据参数会保存到指定的数据库中。根据试验要求，用相同的方法依次测出指定的 不同转速值下的各个试验数据。测试完成后启动报表程序，填写实验报告，拟合 绘制出转速流量及转速功率试验曲线图，并提供打印服务。 2 3 试验装置设计 试验装置设计主要包括试验台架设计、电气控制系统设计、数据采集及处理 系统设计等部分组成。 2 3 1 试验台架设计 按照设计要求，本试验装置的设计目的主要是进行单螺杆泵单台性能试验， 试验过程控制与试验数据采集能够实现计算机自动控制。综合考虑到本测试系统 需要测试的螺杆泵小到计量泵，大到输油泵，各种功能型号及用途的螺杆泵都有， 再尽可能控制投入成本的同时能够满足测试需求，而且不占用空间。试验装置最 终定为四套相对独立的测试管路，且共用一个循环水箱，水箱设计容积为1 2 m 3 。 四套试验装置具体设计如下： 1 撑测试装置由1 群变频柜控制( 容量为1 1 k w ) ，额定压力为2 5 m p a ，可测 流量范围为0 0 3 8 5 m 3 h 泵的性能试验。 2 群测试装置由2 群变频柜控制( 容量为4 5 i ( w ) ，额定压力为4 0 m p a ，可测 流量范围为2 5 0 m 3 h 泵的性能试验。 3 群测试装置由3 撑变频柜控制( 容量为1 3 2 k w ) ，额定压力为4 0 m p a ，可 测流量范围为1 0 1 0 0 m 3 h 泵的性能试验。 4 群测试装置由4 群变频柜控制( 容量为1 6 0 k w ) ，额定压力为6 4 m p a ，可 测流量范围为2 0 4 0 0 m 3 h 泵的性能试验。 根据以上要求，测试系统试验台架的设计如图2 1 所示。 基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 图2 1 测试系统试验台架的设计图 2 3 2 电气控制系统 根据螺杆泵性能试验的基本参数及试验台的功能要求，电气控制系统应具备 如下功能【3 5 - 3 6 】： ( 1 ) 实现整个测试系统的远程操作及控制； ( 2 ) 实现螺杆泵转子转速无级调节，完成转速、转矩参数的检测及数据采集； ( 3 ) 实现螺杆泵的入口压力、出口压力的无级调节，完成压力参数的检测及 数据采集； ( 4 ) 螺杆泵出口流量的检测及数据采集； ( 5 ) 实现对试验电机电流、电压和运行频率的数据采集； ( 6 ) 控制电动调节阀开启关闭及任意角度调节： ( 7 ) 实现对现场温度及液位的采集； ( 8 ) 能够对整个测试系统起到电气保护作用。 依据以上功能，设计测试系统总控制电路图如2 2 所示。 1 2 硕十：学位论文 射例嘲 钢 1 5 i c w 觚秉 图2 2 测试系统总控制电路图 图中v f l 、v f 2 、v f 3 、v f 4 分别为11 k w 、4 5 k w 、1 3 2 k w 、1 6 0 k w 变频器， f r l 为1 5 k w 加压泵保护电阻。l 1 、n 1 ，l 2 、n 2 ，l 3 、n 3 ，l 4 、n 4 分别接四种 型号变频器控制电路，11 k w 变频器控制电路图如图2 3 所示，其余型号变频器控 制电路同1 1 k w 变频器控制电路一致。l 5 、n 5 接1 5 k w 加压泵控制电路，其控制 电路也同11 k w 变频器控制电路一致。l 6 、n 6 接p l c 控制柜电路，l 7 、n 7 用于控 制柜散热风扇电源，l 8 、n 8 为备用电源。 图2 31 1k w 变频器控制电路图 在变频器的使用过程中为了能够实现螺杆泵转子转速的无级调节，对试验电 机电流、电压和运行频率的数据采集及出现故障时能够及时反馈等功能，需要在 对各变频器实现通讯良好的情况下进行一系列操作，而要完成这些操作，必须对 基于p l c 的螺杆泵试验台测试系统研究 变频器一些功能端子实现电气连接，以西门子m m 4 4 01 1 k w 变频器使用为例， 图2 4 显示了m m 4 4 01 1 k w 变频器怎样接入控制电路。 rst 1 9期 辑2 2 v f l u vw 9i趋嚣 u v w 1 牛默 i，l， i， 缋j 1 1 k w 越t 瓣漾 图2 411 k w 变频器电气连接图 2 3 3 数据采集及处理系统 本测试系统不但要实现螺杆泵的性能检测的各种试验，而且要实现控制自动 化，数据采集自动化，并能实现计算机现场监控参