基于LabVIEW的井用潛水電泵測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊光，衣志強(qiáng)，范志華，鐘文才，蘇成貴，于新雨，肖戟，劉洋

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，長(zhǎng)春 130022）

國(guó)內(nèi)常用的井用潛水電泵的測(cè)試系統(tǒng)多在非圖形化編程語言的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，近些年虛擬技術(shù)與通訊技術(shù)的快速成熟與發(fā)展，給測(cè)試工程師提供了更好的編程平臺(tái)。

本文對(duì)圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)井用潛水電泵的測(cè)試系統(tǒng)，包括信號(hào)選擇與處理、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、結(jié)果判定、報(bào)告輸出等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

（1）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)界面，要求可對(duì)井泵進(jìn)行計(jì)算機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、讀數(shù)、自動(dòng)互鎖測(cè)電阻與啟動(dòng)功能。

（2）讀取串口的水力性能參數(shù)：流量Q、揚(yáng)程H。三相電機(jī)性能參數(shù)：電壓U、電流I、功率P、轉(zhuǎn)速n、頻率f、三相電阻R。試驗(yàn)條件參數(shù)：水溫T1及室溫T2。

（3）軟件編程實(shí)現(xiàn)以下功能：井用潛水電泵電氣控制，井泵各數(shù)據(jù)及儀表圖形化顯示，數(shù)據(jù)表的形成與曲線的實(shí)時(shí)繪制，井泵各數(shù)據(jù)的保存、計(jì)算與輸出。

2 技術(shù)路線及傳感器布局方案

（1）技術(shù)路線的設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

（2）傳感器類型的選擇。傳感器的大小決定了測(cè)量范圍，本文以測(cè)試井用潛水電泵175QJ20-54為例選擇的傳感器，如表1所示。

表1 傳感器選擇Tab.1 Sensor selection

圖1 技術(shù)路線設(shè)計(jì)Fig.1 Technical route design

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件界面的設(shè)計(jì)

（1）在“菜單編輯器”中確定測(cè)試軟件的菜單項(xiàng)目，編寫各個(gè)子菜單中的子VI并進(jìn)行調(diào)用程序，利用一個(gè)while主循環(huán)和事件（Event）結(jié)構(gòu)組成主程序，通過菜單事件的調(diào)用相應(yīng)的VI，執(zhí)行相應(yīng)的程序。如圖2所示。

圖2 井用潛水電泵菜單調(diào)用程序Fig.2 Well use of submersible pumps menu called program

（2）編寫各個(gè)子VI程序面板

VI前面板是VI程序的用戶操作界面，是VI程序的交互式輸入和輸出端口，通常使用輸入控件和顯示控件來創(chuàng)建前面板［1］。如圖3所示。

圖3 泵性能及電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)面板Fig.3 Pump performance and motor load test panel

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)模式

井用潛水電泵的測(cè)試工作有4項(xiàng)：“采冷態(tài)溫度、電阻”“泵性能及電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)”“空載試驗(yàn)”“溫升試驗(yàn)”。以“空載試驗(yàn)”為例介紹其程序結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用LABVIEW中的隊(duì)列狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式。

隊(duì)列狀態(tài)機(jī)是把要執(zhí)行的狀態(tài)排隊(duì)，然后把他們的狀態(tài)名存在列隊(duì)里，列隊(duì)里的狀態(tài)名與狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，用來控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序。執(zhí)行了的狀態(tài)，其名稱會(huì)從隊(duì)列中刪除，同時(shí)根據(jù)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的動(dòng)作和碰到的時(shí)間，新的狀態(tài)又會(huì)被添加到隊(duì)列中［2］。

LabVIEW中的狀態(tài)機(jī)由一個(gè)while主循環(huán)和一個(gè)case結(jié)構(gòu)組成。While循環(huán)保證狀態(tài)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行；case結(jié)構(gòu)的分支與系統(tǒng)的狀態(tài)（State）一一對(duì)應(yīng)，即case結(jié)構(gòu)的分支名稱對(duì)應(yīng)狀態(tài)名稱，分支里執(zhí)行代碼的功能對(duì)應(yīng)著狀態(tài)的行為（Action）；而case結(jié)構(gòu)的條件變量與系統(tǒng)的時(shí)間（Event）相對(duì)應(yīng)，引發(fā)狀態(tài)的變遷以及決定狀態(tài)遷移的方向［2］。

出隊(duì)列程序有“采電阻”、“顯示”2個(gè)動(dòng)作，當(dāng)“啟動(dòng)”按鈕按下時(shí)執(zhí)行“啟機(jī)”事件程序，同時(shí)輸出“顯示”隊(duì)列，進(jìn)入顯示狀態(tài)；當(dāng)按下“停機(jī)”“退出”命令時(shí)執(zhí)行相應(yīng)事件程序，同時(shí)輸出“空隊(duì)列”；當(dāng)按下“采電阻”命令時(shí)，首先讀取儀表電壓命令，判斷是否退出強(qiáng)電，如退出方可輸出“采電阻”隊(duì)列。如沒有任何操作則輸出“空隊(duì)列”，等待前面板“啟動(dòng)”、“停機(jī)”等事件按鈕的變化，響應(yīng)相應(yīng)的事件程序。

3.3 后臺(tái)程序的開發(fā)

（1）串口數(shù)據(jù)的接收

傳感器的信號(hào)通過儀表進(jìn)行顯示的同時(shí)采用Modbus通信協(xié)議經(jīng)過RS485接口與計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)。在Modbus RTU模式下，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的間隔至少是3.5個(gè)字符位。

PC機(jī)發(fā)送可讀寫數(shù)字量寄存器的命令：［設(shè)備地址］［命令］［起始寄存器地址高8位］［低8位］［讀取的寄存器數(shù)高8位］［低8位］［CRC校驗(yàn)的低8位］［CRC校驗(yàn)的高8位］

通過VISA設(shè)置串口，向串口發(fā)出數(shù)據(jù)讀取命令：［01］［03］［01］［04］［00］［01］［C4］［37］

含義如下：

A、［01］：流量顯示儀的地址。

B、［03］：讀取寄存器的命令。

C、［01］：讀取寄存器的高8位。

D、［04］：讀取寄存器的低8位。

E、［00］：寄存器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)高8位。

F、［01］：寄存器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)低8位。換算成10進(jìn)制數(shù)為1個(gè)數(shù)據(jù)量。

G、［C4］［37］：CRC校驗(yàn)碼。

（2）誤碼率的產(chǎn)生與解決

誤碼率的產(chǎn)生：誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)100%。在利用串口進(jìn)行通信時(shí)，誤碼要么是數(shù)據(jù)長(zhǎng)短不對(duì)，要么是讀表錯(cuò)誤，為了避免此類問題的產(chǎn)生就要進(jìn)行讀表地址的判斷以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的判斷。

誤碼率的解決：誤碼本身是客觀存在的，在無法進(jìn)行消除的情況下，只能避免，以電量采集為例，電量讀取的字節(jié)數(shù)應(yīng)該是55字節(jié)，在判斷數(shù)據(jù)是55字節(jié)無誤后再截取其數(shù)據(jù)來源地址，并判斷是否是該表的地址?！?2”為電量表的地址。如果儀表地址也正確，那么就可以證明采集的數(shù)據(jù)是正確的，隨后就可以截取字符串中的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理。

（3）后臺(tái)數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)采集后試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)計(jì)算，最終得出判定結(jié)果。計(jì)算涵蓋：電機(jī)性能與水利性能計(jì)算，按照標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 12785潛水電泵 試驗(yàn)方法”，“GB/T 3216回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收與實(shí)驗(yàn)”，“GB/T 2818井用潛水異步電動(dòng)機(jī)”中的公式運(yùn)用Lab-VIEW中的計(jì)算模塊搭建計(jì)算程序。

（4）曲線擬合及結(jié)果判定

以空載測(cè)試為例，在空載測(cè)試中的電流I0與功率P0數(shù)據(jù)測(cè)量有15組，在擬合過程中選用最小二乘法，多項(xiàng)式系數(shù)選擇3，利用廣義多項(xiàng)式進(jìn)行程序擬合，將擬合前后的曲線利用數(shù)組捆綁表達(dá)在一個(gè)EXCEL圖表中（見圖4）。

圖4 空載的曲線擬合程序Fig.4 Unloaded curve fitting program

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)表Tab.2 Measurement data comparison table

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

該系統(tǒng)測(cè)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與通過認(rèn)證的水泵質(zhì)檢站的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)（見表2），其測(cè)量精度符合國(guó)家二級(jí)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)的采集速度快，系統(tǒng)界面靈活直觀。對(duì)井用潛水電泵系統(tǒng)的研發(fā)與試制過程中給圖形化的測(cè)試工作提供了參考方向與案例。

［1］龍脈工作室，豈興明，周建興，等.LabVIEW8.2中文版入門與典型實(shí)例［M］.北京人民郵電出版社，2008.

［2］侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)（修訂版）［M］.西安；西安電子科技大學(xué)出版社.2003

［3］聶影，馮向軍.基于LabVIEW的狀態(tài)機(jī)模型研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007（15）：116-118.