（精密仪器及机械专业论文）便携式水泵综合参数测试装置的设计和开发.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：李吃匆专货锨式专救 委员：铘次向修咄太吝蜘友 导师： 罐乏易触棚纠加旗 方牛钚埘次承 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得金日曼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- n i 作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：商冉签字日期：2 0 年孕月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名肉冉 签字日期：2 0 t 1 年4 月爱鬼 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 便携式水泵综合参数测试装置的设计和开发 摘要 本文首先介绍了国内外水泵测量与控制技术的发展现状与趋势，阐述了现代测量 控制技术中，分布式系统与便携式系统的发展情况。其次，本文对便携式水泵综合参 数测控装置的设计方案及水泵综合参数的测量与控制的方案进行了理论论证，通过分 析各种传感器的工作原理，介绍了本系统的系统构成，以及水泵综合参数如流量、进 水口压力、出水口压力、扬程以及电机的三相电流、三相电压、总有功功率等不同参 数的测量原理与测量方法。再次，根据工业现场的实际情况，为了实现数据自动采集 和存储，以单片机为核心，设计了相应的信号处理电路，和下位机硬件系统电路，并 采用r s 4 8 5 总线实现了上下位机间的通讯。软件方面，系统采用c 语言编写了下位机 的测量和控制软件，在上位机方面，采用l a b v i e w 平台开发了远程控制和测量软件。 最后，对系统进行了误差以及工业现场抗干扰能力分析。 整个系统采用分布式设计，测量与控制的单元节点采用便携式设计，这使得整个 装置安装方便，通用性好，易于用户对系统的扩充和升级。同时，本文论述的便携式 水泵综合参数测控装置测量结果精确可靠。总体说，本装置克服了传统水泵测试系统 的低效率和不确定性高的缺点，对于今后分布式水泵参数测控系统的研究和设计具有 重要的经济和社会意义。 关键词：便携式水泵测量与控制r 8 4 8 5 总线l a b v i e w d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fp o r t a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo fw a t e rp u m p si n t e g r a t e dp a r a m e t e r s a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m e sf r o mab u s i n e s sp r o je c to fa ne l e c t r i cp u m pl i m i t e dc o r p o r a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e ss t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ew a t e rp u m pt e c h n o l o g yi n h o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h em o d e mm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e d s y s t e m sa n dp o r t a b l es y s t e m s e c o n d l y , t h et h e o r e t i c a la r g u m e n to fm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lp r o g r a mo ft h ep o r t a b l ew a t e rp u m pi n t e g r a t e dp a r a m e t e r s b ya n a l y z i n gt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fv a r i e t yo fs e n s o r s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m a n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ep u m pp a r a m e t e r s ，s u c ha sf l o w , i n l e tp r e s s u r e ，o u t l e t p r e s s u r e ，w a t e rh e a da n da l s ot h ep a r a m e t e r so ft h ee n g i n e ，s u c ha st h ep h a s ec u r r e n t ，p h a s e v o l t a g ea n dt h et o t a la c t i v ep o w e rm e a s u r e m e n t t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h ei n d u s t r i a ls i t e ，a st or e a l i z et h ea u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ，t h es y s t e mu s e s t h em i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r e t h ec o r r e s p o n d i n g s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h e h a r d w a r es y s t e mc i r c u i to ft h el o w e rc o m p u t e ra r ed e s i g n e di nt h i ss y s t e m r s 4 8 5b u si s u s e da st or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r t h es o f t w a r e o ft h i ss y s t e md i v i d ei n t ot w op a r t s t h es o f t w a r eo ft h el o w e rc o m p u t e ri sc o v e r e db yt h e c ，a n dt h es o f t w a r eo ft h eu p p e rc o m p u t e ri sc o v e r e db yt h el a b v i e w i nt h el a s tp a r to ft h i s p a p e r , e r r o ro ft h es y s t e ma n dt h ea b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c ea r ea n a l y z e d t h i ss y s t e ma d o p t st h ed i s t r i b u t e dd e s i g n ，a n dt h eu n i td e v i c eo fm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o la d o p t st h ep o r t a b l ed e s i g n ，w h i c hm a k e st h ee n t i r eu n i td e v i c ee a s yt oi n s t a l l a t i o n ， v e r s a t i l i t ya n de a s yt ou p g r a d et h es y s t e mf o rt h eu s e r m e a n w h i l e ，t h eu s e rw i l lg e tt h e a c c u r a c yr e s u l t sf r o mt h ep o r t a b l es y s t e mm e n t i o n e di nt h i sp a p e r o v e r a l l ，t h i ss y s t e m o v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h et r a d i t i o n a lw a t e rp u m pm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mw h i c ha r e l o we f f i c i e n c ya n d u n c e r t a i n t y t h i ss y s t e m w i l lh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea b o u t e c o n o m i ca n ds o c i a lf o rt h ef u t u r ew a t e rp u m pr e s e a r c ha n dd e s i g n k e y w o r d s ：p o r t a b l e ； w a t e r p u m p ； m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ；r s 4 8 5b u s ；l a b v i e w 致谢 在近三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的 导师张辉教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、系统软硬 件设计、论文成稿，都倾注了张辉老师的心血，我由衷地感谢张辉老师! 张老师在学 业指导及生活等各方面给予我关心和帮助，使我从其言传身教中学到了很多为人品质 和道德情操。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀以及对教育事 业的忠诚，必使我终身受益，并激励我勇往直前。 感谢曾在我课题研究上给予便利与支持的学院老师，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢仪器科学与光电工程学院的支持，给我创造了许多必要条件和学习、试验的机会。 感谢实验室同学在学习与生活上对我的一贯支持。感谢陈凡，李云彬，周亚男，宋曼， 陈松，舒迎飞等同学对我的帮助。 同时，我还要真诚地感谢我的父母。他们的理解、体谅和关爱，给我创造了良好 的学习、研究和生活氛围。 感谢所有给予我帮助的人! 作者：陶冉 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 课题的来源、意义1 1 2 课题的主要研究内容1 1 3 水泵综合参数测量控制装置在生产研发中的作用1 1 4 国内外水泵测量与控制技术的发展现状与趋势2 1 4 1 国外水泵测控技术的发展现状2 1 4 2 国内水泵测控技术的发展现状3 1 4 3 水泵测控技术的发展趋势3 第二章便携式水泵综合参数测控装置的总体设计方案4 2 1 便携式水泵测控装置的特点4 2 2 水泵综合参数测控装置设计概述4 2 2 1 便携式装置的构成与实现5 2 2 2 测控装置的基本理论。7 2 2 3 硬件部分概述7 2 2 4 软件部分概述7 第三章便携式水泵综合参数测控系统的硬件设计9 3 1 水泵参数测控装置的结构设计9 3 1 1 便携式装置的主要功能1 0 3 1 2 便携式水泵综合参数测控装置特点1 0 3 2 便携式装置前端测试仪表选择1 1 3 2 1 流量参数的测量原理与传感器的选择1 1 3 2 2 扬程参数的测量原理与压力传感器的选择1 3 3 2 3 电机三相电流、三相电压、功率的测量与传感器的选择1 5 3 3 便携式装置单元节点预处理电路的设计1 7 3 3 1 入出水口的压力传感器信号调理电路1 7 3 3 2 涡轮流量计信号处理电路设计1 8 3 3 3 铂热电阻信号处理电路1 9 3 3 4 电压放大电路2 1 3 4 系统下位机主板设计2 2 3 4 1 下位机主板处理器的选择2 3 3 4 2 模数转换器的选择2 6 3 4 3 人机交互系统设计2 6 3 4 4 便携式装置供电模块设计2 8 3 4 5 控制模块设计3 0 3 4 6 通讯模块的设计3 3 第四章便携式水泵综合参数测控系统的软件设计。3 9 4 1 便携式水泵综合参数测控系统软件的要求3 9 4 1 1 测量控制系统软件的可靠性要求3 9 4 1 2 测量控制系统软件的可用性要求3 9 4 2 水泵综合参数测控系统下位机软件的设计4 0 4 3 基于l a b v i e w 平台的便携式水泵综合测控装置上位机软件设计4 3 4 4 通讯模块软件的设计4 5 第五章系统的测试结果与误差分析4 6 5 1 系统的测试结果4 6 5 2 系统的误差分析4 8 5 3 系统的抗干扰分析4 9 5 3 1 硬件抗干扰措施4 9 5 3 2 软件抗干扰设计：5 0 第六章总结及展望。5 2 6 1 总结。5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表的论文。5 7 插图清单 图2 1 水泵闭式试验装置5 图2 2 实验装置结构图6 图2 3 水泵半闭式回路试验装置6 图3 1 水泵综合参数测控实验装置尺寸图9 图3 2 整流栅式样与安装方式9 图3 3 单元节点的测量参数菜单界面1 1 图3 4 涡轮流量计内部结构图1 2 图3 5 涡轮流量计测量原理1 2 图3 - 6 压力传感器中惠斯通电桥与转换电路1 5 图3 7 三相三线制接线示意图1 6 图3 8 三相四线制接线示意图1 6 图3 - 9e d a 9 0 3 3 f 夕 观图：1 6 图3 1 0e d a 9 0 3 3 f 后面板端子示意图五_ 1 7 图3 1 l 压力信号与处理电路连接示意图1 7 图3 1 2 电流电压转换电路图1 8 图3 1 3 流量参数测量电路示意图。1 9 图3 1 4 过零比较电路图1 9 图3 1 5 铂热电阻信号处理电路2 0 图3 1 7 电动阀门控制电路示意图2 1 图3 1 8 电压放大电路图2 2 图3 1 9 单元节点下位机主板的结构框图2 2 图3 2 0c 8 0 51 f 0 2 0 管脚图2 4 图3 2 14 x 4 键盘的扩展电路2 7 图3 2 2l c d 液晶显示器扩展电路。2 7 图3 2 3 下位机主板的供电电源电路2 8 图3 2 4 芯片l m 2 5 6 7 5 0 管脚图。2 9 图3 2 5 芯片a s l l l 7 管脚图2 9 图3 2 6 装置缺相保护电路2 9 图3 2 7 光电耦合芯片t l p 5 2 1 管脚图一3 0 图3 2 8 弱电控制强电启动电机电路3 1 图3 2 9 强电直接启动和弱电控制强电启动两种启动方式互锁电路图一3 2 图3 3 0m a x 2 3 2 串行口电路3 5 图3 3 1m a x 2 3 2 芯片管脚图一3 5 图3 3 2m a x 4 8 5 接口电路3 7 图3 3 3m a x 4 8 5 管脚图- 3 7 图 图 图 图 2 4 7 7 4 4 4 4 图 图框 一 一 程块 流模图图件能线线软功曲曲置件程程装软扬扬 式机一 一 携位量量便上流流 表格清单 表3 1 涡轮流量计性能参数表1 3 表3 2 压力传感器的性能参数1 5 表3 5 二通球阀的性能参数3 3 表3 6 电动执行器的性能参数3 3 表5 1a 相相电压与相电流4 6 表5 2b 相相电压与相电流4 6 表5 3c 相相电压与相电流4 6 表s 4 驱动电机的总有功功率4 6 表5 5 流量与扬程参数的工况点记录表4 7 表5 6 流量与扬程参数的工况点记录表4 7 表5 7 测量元器件测量精度4 8 第一章绪论 1 1 课题的来源、意义 便携式水泵综合参数测控装置的课题来源于某水泵生产企业的委托项目。 本课题的主要研究目的是使用传感器技术、测量控制技术、通讯技术、计算机技 术等开发出便携式、分布式的智能化水泵综合参数测量与控制装置，并最终将该装置 应用于大型的水泵性能检测系统中。 便携式的测控装置在工业系统中的安装方便，装置的单元节点通用性好，功能扩 充性高；分布式的系统可以实现不同节点的同步测量，克服了传统水泵测试系统的效 率较低、不确定性较高的缺点，便携式水泵综合参数测控装置的设计与研究对现代化、 智能化水泵测控系统的发展有着重要的经济和社会意义。 1 2 课题的主要研究内容 本课题以传感器技术、数据采集与处理技术、单片机技术以及控制技术等为基础， 设计了便携式水泵综合参数测控装置，装置可以完成对水泵综合参数测量和控制的要 求，具有便携式、分布式、结构小巧灵活等特点。设计的主要内容如下： 1 ) 水泵综合参数测量与控制的原理 根据国家标准g b 3 2 1 6 2 0 0 5 的要求，拟定整个装置的设计方案，其中包括装置的 机械结构设计、水泵各参数测量的测试方法，测试所需测量仪表的选型，测试所得结 果的分析。 2 ) 便携式系统的下位机硬件设计与实现 本装置以单片机技术为核心，能独立的对测试现场的水泵进行控制，并且采集水 泵及其驱动电机的参数。下位机系统为便携式的结构设计，可以接入不同信号输出类 型的传感器。还可以完成与上位机之间的通讯工作。 3 ) 测控装置的分布式设计以及系统软件的设计与实现 本测控装置采用r s 4 8 5 总线完成下位机与上位机之间的通讯，并且构成了分布式 系统。软件方面主要包括水泵综合参数测控系统的下位机软件开发了上、下位机之间 的通讯协议的拟定以及通讯软件的开发。上位机软件也可以对整个系统进行实时的控 制和操作，并且可以设定以及获得各种参数。 1 3 水泵综合参数测量控制装置在生产研发中的作用 水泵使用范围广，种类繁多，属于通用类机械。随着现代化工业的发展，水泵在 给水排水及农业工程、固体颗粒体输送工程、石油及化学工业、航空航天和航海工程、 能源工程和车辆工程等各个部门都有着广泛的应用i l 】。 由于水泵在蓬勃发展的现代化工业中占有举足轻重的地位，水泵的投资和使用的 规模越来越大，功能的划分也越来越细致。由于流体在水泵中的运动过程较为复杂， 水泵的设计理论也不十分完善，目前，水泵在不同工况点处的运动特征仍不能使用完 整的数学解析式来描述。所以，长期以来，水泵从设计、研发、生产到应用，以及水 泵各项技术标准是否符合国家标准的要求，仍然需要通过对水泵进行试验的方法来测 量。因此，水泵综合参数的在线检测和控制对于水泵产业的发展、水泵设计性能的提 高有着及其重要的作用。 1 4 国内外水泵测量与控制技术的发展现状与趋势 1 4 1 国外水泵测控技术的发展现状 在水泵综合参数测量与控制技术的研究方面，很多国外的研究院与企业的所做的 研究和制造工作起步较早。分布式水泵测控系统也普遍应用于工业系统中，并且测试 精度高、系统通用性好、智能化程度高。尤其是工业发达国家，水泵综合参数测量与 控制技术的发展更为先进。 例如，英国国立工程实验室的水力试验台，于1 9 6 1 年1 月投入使用，一直使用至 今。该试验装置可用于模型水轮机( 最大转轮直径为o 5 m ) 以及水泵的性能试验，可 进行闭式与开式两种循环模式的效率和汽蚀试验。可以控制水泵的部分参数，并且可 以由计算机对试验数据进行自动采集、处理，并可以打印试验结果和自动绘图。科学 技术的不断发展，现阶段水泵测试试验台设备的不断更新，试验台的数据采集方法、 数据处理手段也在不断的改进，系统的测试精度、智能化程度以及通用性得到了较大 的提高。 目前，国外的水泵测试系统呈现出集成度高、体积小、便携式、分布式以及易于 操作等特点。德国的k s b 公司和瑞士苏尔康公司生产的水泵测试系统均使用了依赖计 算机技术的自动化检测与控制装置【2 】。美国的t e c q u i p m e n t 公司生产的g i - 1 5 测试平 台，是适用于检测离心泵的测试系统，该系统对离心泵在不同的流量、扬程以及转速 下的测试方法进行了研究。上述的水泵综合参数测控装置虽然具有各种各样的优点， 但是也具有明显的薄弱环节，特别在采集数据的处理方面具有明显的不足，缺少了嵌 入式系统的数据分析、处理能力，并且测量效率不高。 针对上述系统的不足之处，美国的a g r i t e e h n o l o g y 公司研究设计了p t e s t 水泵参 数测控系统，这是一种基于计算机技术测试装置，该装置可以在w i n d o w s 和d o s 环 境下工作，用户将测试得到的数据输入至计算机，系统根据水泵参数测试的算法以及 公式，计算出相关的测量结果，并且将测试结果拟合成水泵的性能曲线，最终将测试 结果与性能曲线进行保存并生成打印报表。 根据文献资料【3 】，国外很多国家所研制的水泵测试系统的现代化程度己经达到了 2 很高的水平。特使是美国、德国、日本等工业发达国家，其水泵微性能测试与试验装 置的智能化已普遍化，其测控精度、自动化程度也比较高，并且功能齐全，在水泵性 能的在线控制与测试技术方面也有较多的成功应用实例。如丹麦的格兰富公司的水泵 测试系统已经实现了在线功能，可进行远程数据共享，其网络化程度和整体水平已走 在了世界前列。 1 4 2 国内水泵测控技术的发展现状 长期以来，我国的水泵测试手段相对国外工业发达国家相对落后。常用的一些水 泵试验装置都实行手动操作试验、数据手动测量以及手工绘制水泵性能曲线。这种测 量方法落后，劳动强度大，测量精度也相对较低。 随着电子技术广泛的适用于测试仪器仪表系统的设计与生产，随着自动控制技术、 通讯技术、计算机技术的快速发展，我国在水泵综合参数测试系统的研究与设计方面 取得了较大的进步。目前，在一些科研单位、高校以及一些生产厂家都建立了可实现 数据自动采集与处理的智能化的水泵综合参数测控装置。 例如，江苏济j i i 泵业有限公司生产的大型水泵测试系统采用高集成度的工业测控 西东，以国家标准g b 3 2 1 6 为依据，系统精度达到b 级，该装置是一个综合性的测试 系统，可以检测多种类型的水下用泵和陆地用泵，系统的数据采集和处理全部采用微 机完成。中国农业机械化科学研究院研究与开发的z n x f h 水泵综合参数测试仪是一 种采用微电脑技术测量泵类产品各种参数的高精度测试仪表，可直接显示水泵性能参 数试验测量的各个参数【4 】。该产品具有测试精度高、系统响应速度快和稳定可靠等优 点。该测试装置具有数据输出接口，可与计算机联机工作，实现自动测试。 1 4 3 水泵测控技术的发展趋势 传统的水泵测试方法采用人工测量，人为误差较大，系统的测试效率与精度较低。 在科学技术高度发展的今天，使用便携式、分布式、智能化并且具有较高测量控制精 度是水泵测试技术的现代化发展趋势。基于计算机技术，系统可以对测试现场自动进 行数据采集、数据处理以及实时控制，使得测试过程智能化，较大的提高了测试的速 度与精度。系统功能的多样化，也是水泵参数测控系统的一个发展方向，一个功能较 为完善的测试系统应该具有对多种种类，多种规格的水泵进行性能测试的能力。 随着电子技术、网络通讯的等技术的发展，分布式的远程在线检测与控制系统得 到了较快的发展。在现代化的工业现场，分布式的网络节点，是集网络总线以及各个 测试节点与一起的系统。单元测试节点可能会面对不同的测量对象，为了提高系统的 工作效率、提高系统资源的通用性并且为了相应的减少成本投出，便携式单元测试节 点的研究与开发将非常适合于大型的分布式系统的在线检测与控制。 因此，研制基于分布式与智能化的便携式水泵综合参数测控试验装置，对提高系 统的通用性、提高系统的测试精度、生产效率、智能化程度以及降低成本都有着至关 重要的作用。 3 第二章便携式水泵综合参数测控装置的总体设计方案 2 1 便携式水泵测控装置的特点 所谓便携式，是指系统简单易用。通过简单、安全的连接，在测控系统中可实现 高可靠性、安全性和高精度的测量【5 1 。便携式水泵综合参数测控装置使用于大型的分 布式水泵测控系统中，便携式的测控装置作为水泵测控系统中的一个测量单元节点， 该节点除包含了常用测量系统的优点外，还加入了通用性设计，可互换性设计。这类 基于分布式的便携式水泵综合参数测控装置集传感器技术、测量技术、单片机技术以 及过程控制技术与一体。 以p c 和工作站为基础，通过组建网络来形成实用的测控系统，提高生产效率和 共享信息资源，已成为现代测控系统发展的方向【6 】。随着智能化的测控系统和分布式 系统设计的日臻完善，最终各个测量单元节点的通用性、可互换性的提高将成为系统 发展的必然趋势。在分布式测控系统中，单元节点的便携化、通用化设计使得各个单 元节点实现互换使用得系统的资源得到最有效的利用。系统的兼容性设计，使得可以 有效的减少分布式系统中的单元节点数，使得一台单元节点可以为多个测试点使用， 有效的减少了硬件的配置，降低了整个系统的成本。同时，分布式的系统通过工作站 的p c 端可以实现对系统的控制和水泵综合参数的远程采集，工作人员可以不受到地 域的控制，随时获得所需的参数，如此实现了测控系统的远距离测量与控制，减少了 工作人员的工作量，有效的提高了系统的工作效率。正是由于分布式便携式测控系统 的诸多优点，使得这种系统得到了越来越多的重视和发展。 2 2 水泵综合参数测控装置设计概述 便携式水泵参数测控系统的设计与开发涉及了传感器技术、单片机技术、控制技 术、数据采集处理技术以及通讯技术。系统可以很好的完成水泵综合参数测量控制试 验以及水泵性能试验的需要。水泵性能参数分为多种，有些参数可以直接测量得到， 有些需要通过测量其它物理量并通过计算间接得出，测量方法也会因为测试仪表的不 同而异。 水泵中流体的运行是一个比较复杂的过程，需要通过实验的方法来测量水泵的综 合参数，如水泵的流量、扬程，驱动水泵电机的三相电流、三相电压、总有功功率等， 并最终以测量结果来评判水泵性能是否达到设计要求。根据水泵设计要求，进行水泵 试验的类别主要有水泵的性能试验和水泵的出厂试验【7 1 。 水泵性能试验是指对量产的样机进行详细的试验检测，检验产品的各项参数是否 符合相关标准的要求。出厂试验是生产企业对其生产产品的常规性检查，经出厂试验 检查合格的产品才能出厂。本装置的出厂试验为当水泵稳定工作在1 3 个不同工况点时， 4 检测水泵的流量、扬程、水泵有功功率等参数，并且与国家标准相关的规定值进行比 较，判定产品是否达到规定的要求，确定产品的精度级别。 出厂试验的主要内容如下： 水泵的性能试验：测量水泵的在运行过程中不同工况点的性能参数及各参数之 间的关系，绘制水泵的流量一扬程曲线，流量一轴功率曲线等。测量的工况点从水泵 的关闭点至水泵最大流量的1 2 0 之间，流量点不少于1 3 个，且分布在整个流量坐标 轴上。 驱动水泵的电机试验：测量水泵不同工况点工作时，驱动电机的参数，含电机 的三相电压、三相电流及电机总有功功率。 2 2 1 便携式装置的构成与实现 水泵试验装置是用来进行水泵试验的主要手段之一，符合国家标准要求的测量与 控制装置，可以用于完成水泵的各项测试内容。国家标准标明，水泵性能的试验装置 通常分为闭式回路实验装置和开池式实验装置两种【1 1 。 水泵闭式实验装置如图2 1 所示。 图2 1 水泵闭式试验装置 l 一冷却或加热盘管；2 一稳定栅：3 一至抽真空或压力调节装置；4 一喷淋除气液体喷嘴； 5 一流量计；6 一流量调节阀；7 一隔离阀；8 一气体含量测量点；9 一试验的泵 水泵闭式试验装置具有如下的特点： 水泵闭式试验装置中的液体与外界空气隔绝，整个装置使用独立的封闭式循环 系统； 水泵闭式试验装置不但可以完成水泵的基本性能实验，也可以完成气蚀试验， 但是闭式试验装置的密封性难以保证，混入水中的空气无法自动排出； s 闭式回路试验装置中，进水口与出水口位于同一个水源，系统的水源循环使用， 构成独立的循环体系【8 】。由于进水c i 入水可能受到出水口水流的影响，使得水源内部 的水流不平稳，容易产生漩涡； 闭式回路试验装置占地面积小，符合便携式系统的要求，并且系统在采用一定 的措施后，完全能满足相关标准规定的实验精度。 根据工业现场的实际情况，和实验室的有限条件，为了研究本便携式水泵综合参 数测控系统，试制了半闭式回路实验装置，实验装置的结构图如图2 2 所示。 e d a 9 0 3 3 f 电最 r s 2 3 2 通讯接口 - -e l - - - 系统皎柑检测 传嬉撩4 夔块 逃水口j i ：力 h ，v 转换电路卜 模数转换器 5 1 p _ 系 e - - , - -4 x 4 矩阶键盘 传感器通道1 列 12 8 6 4 l c d 液函 承聚 一- 出水口j k 力 h ，v 转挟电路卜横通道2 l 增 位熔器显衣器 电机 强 r s 2 3 2 ，r $ 4 8 5 e l , - - - , 邂讯接口 水糍内承泓 h 电压放大电路卜 通通3 卜 i 单 _ - 翥矗度传感嚣 墅 _ _ 涡轮流袭计 h 过零比较器卜f 定时计数器模块卜 片 一 1 t a g 调试接口 机 冗余幞块 电动朗门 , 1 1 , - - 电撬肢大电路一数模转换器 一 - - 眦，e e ，v 盯d 图2 - 2 实验装置结构图 与闭式装置相比，半闭式实验装置的区别是将真空罐与外界开放，不需要其他器 件调节水箱内的气压，在测试水泵综合参数的试验中，半闭式实验装置的功能可以获 得同样的实验效果。装置示意图如图2 2 所示。 图2 3 水泵半闭式回路试验装置 l 一水泵驱动电机；2 一测试泵；3 一出水口压力传感器；4 一入水口压力传感器； 5 一出水口流量调节阀门；6 一水箱；7 一整流栅：8 一出水口流量调节阀门； 9 一涡轮流量计；1 0 - - 电动控制柜； 6 2 2 2 测控装置的基本理论 水泵性能综合参数试验包括水泵的流量、扬程以及驱动电机的电量与功率等参数 的检定和检验。性能测试为在无气蚀情况发生的工况时，根据水泵的流量范围选择至 少1 3 个以上的工况点，从小到大进行参数测量试验。流量范围从水泵流量关闭点开始， 至水泵流量的1 2 0 。从一个工况点运行至下一个工况点，装置需要一定的时间间隔， 待测量的工况点稳定后，在每一个工况点处，需要记录如下参数：水泵的进水i ：1 压力、 水泵的出水口压力、流量、电机的三相电流、电机的三相电压、总有功功率，并将测 量得到的参数转换成为额定转速下的值，最后绘制出流量一扬程曲线，流量一轴功率 等水泵性能曲线。 2 2 3 硬件部分概述 水泵综合参数测控系统的便携式单元节点的下位机部分以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为测 量控制核心。基于单片机的测试与控制节点除了可以完成对单台水泵机组的综合参数 的测量和控制功能外，各单元测试节点还可以实现互换。测控单元含有多路模拟量、 数字量和频率量的输入输出通道，信号预处理模块，人机交互模块和多路通讯模块。 符合分布式系统和系统通用性设计的需要。 水泵测试现场的测试仪表种类相对丰富，便携式水泵综合参数测控装置的下位机 数据采集和处理模块种类也较多。测试流量的仪表输出为频率信号，经过预处理电路 板的整形和滤波输入至下位机的定时计数模块；进水口和出水口压力仪表的输出为电 流信号，结果i v 转换电路的转变成0 - 5 v 的电压信号进入单片机的模数转换模块；电 机的三相电参数通过r s 2 3 2 串行接口输入单片机的外围接口模块。 同时，预处理电路还通过光电耦合器件扩展了弱电控制强电的模块，实现了装置 强弱电的信号隔离和智能化控制。测控单元除了对输入信号进行处理外，还扩展了数 模转换模块实现通过电动阀门自动控制水泵流量参数。 为符合现代化的分布式系统的需要，便携式水泵综合参数测控装置设计了丰富的 通讯接口。通过r s 2 3 2 接口与电量传感器进行通讯，采集驱动电机的电量参数；扩展 出r s 4 8 5 通讯模块以符合整个分布式系统的现场总线要求，r s 4 8 5 总线可以连接多台 便携式测控节点，通过通讯协议软件为每台便携式测控单元节点设置地址，这使得单 元节点可以实时的与服务站的p c 机进行通讯。服务站的p c 机使用r s 2 3 2 通讯模块 转换r s 4 8 5 通讯模块的技术，构成了r s 4 8 5 总线，通过l a b v i e w 软件编写上位机程 序，与便携式节点进行一对多的通讯，构成分布式系统。 2 2 4 软件部分概述 便携式水泵综合参数测控装置的软件部分包括上位机和下位机两个部分： 下位机的核心控制器件是5 l 内核的增强型单片机，综合考虑软件的执行效率和编 7 程实现的难易程度，单片机内部软件使用c 5 1 编写。c 语言是一种通用的计算机程序 设计语言，它可以用来编写计算机程序，也可以用来编写一般程序。下位机程序实现 了便携式单元节点对工业现场数据的采集，并通过人机交互接口从单元节点的液晶面 板上显示测量结果。根据整个系统的实际运行情况，系统中的上位机软件包含以下几 个主要的功能模块：水泵运行状态的选择和控制、需检测的水泵性能参数的选择、通 讯状态的选择、测量数据的处理、水泵性能参数曲线的绘制。 服务站中上位机的软件，该软件在p c 机中运行，为满足系统的设计要求，该软 件的界面友好，使用l a b v i e w 软件编写，l a b v i e w 是一种面向对象的图像化编程 软件，这种软件可以使程序员可以方便、快速的开发出界面友好并符合系统软件设计 要求的上位机程序【9 1 。根据整个系统的实际运行情况，系统中的上位机软件包含以下 几个主要的功能模块：水泵运行状态的选择和控制、需检测的水泵性能参数的选择、 通讯状态的选择、测量数据的处理、水泵性能参数曲线的绘制。 8 第三章便携式水泵综合参数测控系统的硬件设计 3 1 水泵参数测控装置的结构设计 水泵实验装置是用来进行水泵试验的重要手段之一，水泵实验装置的试制必须符 合g b 3 2 1 6 2 0 0 5 回转动力泵水力性能验收实验的国家标准。为保证水泵内流体流 量的稳定性，需要符合的标准如下：流量传感器的前直管段和后直管段的长度， 压力传感器的安装位置。此外，实验装置还需要考虑系统的安装密封性、管段的长度、 圆度、同轴度以及插入水箱的深度，在开池式实验装置中，还需要考虑对水箱内漩涡 的消除。水泵综合参数测控实验装置的尺寸图如图3 - l 所示。 图3 - 1水泵综合参数测控实验装置尺寸图 水管的管径d 为西2 5 ，涡轮流量计的前直管段应该不小于水泵管径d 的1 5 倍， 后直管段应该不小于水泵管径d 的4 倍。根据系统的设计，取前直管段长度为3 7 5 m m ， 后直管段长度为1 0 0 m m 。 由于系统为闭式回路试验装置，出水口排水和入水口的入水会形成水流漩涡，对 水泵综合参数的测量产生不好的影响，为消除水流漩涡，在出水口排水管下方安装整 流栅。整流栅的进水孔有效面积不少于排水口面积的2 2 5 倍，可以迅速的排除排水 口的出水，并且具有整流作用，避免形成较大的漩涡，稳定斗前水位，减少掺气【l 。 整流栅的式样与安装方式如图3 2 所示。 图3 - 2 整流栅式样与安装方式 9 3 1 1 便携式装置的主要功能 本论文研究的便携式水泵综合参数测量控制系统应具备如下功能： 工况点在线监测功能：便携式单元测控节点可实现对水泵工作现场各参数的实 时检测，如水泵的流量、进水口压力、出水口压力、电机的三相电量参数等等； 便携式设计：使系统具有多路的模拟量、数字量、频率量的输入输出，可适用 于采集不同传感器的输出信号，适用于不同种类的水泵的在线检测与控制，增加便携 式单元节点的通用性与互换性； 控制功能：实现手工与单片机两种途径对水泵的启动与停止状态进行控制，采 用弱电控制强电的方式对系统进行光电隔离；通过数模转换模块对电动阀门的开度的 控制，实现对水泵流量的控制； 通讯功能：实现对下位机的地址分配；实现电量测量仪表与下位机的r s 2 3 2 通 讯，实现上位机与下位机之间的r s 4 8 5 通讯； 基本性能曲线的