基于串口通訊的潛水泵集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

闞亞雄

（鎮(zhèn)江市高等專科學(xué)?，F(xiàn)代裝備制造學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212028）

0 引言

潛水泵由潛水電動(dòng)機(jī)與水泵組合而成，井用潛水泵從井中提取地下水，主要用于農(nóng)田灌溉或人畜用水，在建筑、環(huán)保、城市、礦山排水中廣泛應(yīng)用[1-2]。雖然潛水泵有著適用性廣泛、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)的潛水泵也存在著漏電、斷相、大電流過載等工作隱患，尤其當(dāng)水位過低導(dǎo)致潛水泵空轉(zhuǎn)或卷入異物堵轉(zhuǎn)，極大降低電機(jī)的使用壽命。由于潛水泵工作在深井或地下時(shí)，日常檢修維護(hù)十分耗費(fèi)人力、物力，沒有一種可靠的通訊手段實(shí)現(xiàn)潛水泵的在線故障診斷與啟停保護(hù)。但是，目前在實(shí)物中將多傳感器和運(yùn)動(dòng)控制模塊集成為綜合控制系統(tǒng)的研究較少[3-4]。

本文以潛水泵控制系統(tǒng)模型為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了該潛水泵集成控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作模式、數(shù)學(xué)模型以及基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制算法。在仿真和半實(shí)物上位機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率值的線性控制，可以通過溫濕度傳感器、振動(dòng)傳感器和漏水點(diǎn)檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有安裝方便、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套穩(wěn)定、可靠的潛水泵集成控制系統(tǒng)，適用于小型且兼有遠(yuǎn)程串口通信功能的潛水泵。

1 控制系統(tǒng)總體框架

1.1 集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的潛水泵集成控制系統(tǒng)包括若干個(gè)井下潛水泵系統(tǒng)和岸基上位機(jī)系統(tǒng)。兩大集成控制系統(tǒng)之間由串口通訊線纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離連接[5]。潛水泵系統(tǒng)為潛水泵集成控制系統(tǒng)核心，系統(tǒng)包括依次安裝在潛水泵頂部、中部和尾部的葉輪組件、直流無刷電機(jī)和以潛水泵微控制器為核心的印刷電路板。葉輪組件固定連接在直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子上端。印刷電路板集成有STM32 集成微控制芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信號(hào)輸入模塊以及基于RS485 的串口通訊模塊。岸基上位機(jī)系統(tǒng)包括為上位機(jī)控制器、鍵盤、工業(yè)手柄、顯示屏以及無線通訊天線，所有零部件集成于一體化的控制柜[6]。上位機(jī)控制器操作人員通過鍵盤和工業(yè)手柄向潛水泵發(fā)出指令，通過顯示屏顯示潛水泵的工作狀態(tài)，通過無線通訊天線將潛水泵的工作狀態(tài)發(fā)送到遠(yuǎn)程云端或手機(jī)APP，岸基上位機(jī)系統(tǒng)具備人機(jī)交互功能。潛水泵集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 潛水泵集成控制系統(tǒng)硬件體結(jié)構(gòu)圖

1.2 主控制器控制電路

圖2 所示為潛水泵集成控制系統(tǒng)STM32 最小系統(tǒng)圖。圖中STM32F103T8U6 微控制器芯片由PA0、PA1、PA2 高級(jí)定時(shí)器接口輸出PWM_AL、PWM_BL、PWM_CL 脈沖控制信號(hào)；PB7、PB6、PB5、PB4接口輸入Sense1（漏水點(diǎn)檢測(cè)傳感器13）、Sense2（振動(dòng)傳感器10）、Sense3（溫度傳感器11）、Sense4（電流檢測(cè)傳感器）；PA10、PA9分別向上位機(jī)控制器8 讀取和寫入基于RS485 的串口通訊數(shù)據(jù)；PA16 通用定時(shí)器接口接入SWD_CLK（霍爾傳感器）。圖3所示為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖。圖中IR2136S為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其正常工作時(shí)，3路PWM脈沖控制信號(hào)從模塊左側(cè)接入，經(jīng)過模塊內(nèi)部譯碼電路運(yùn)算后，形成3 路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為PWM_AH、PWM_BH、PWM_CH；此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將FAULT 信號(hào)接入STM32F103T8U6 控制器的PA11 引腳，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或逆變橋不正常時(shí)（如過電壓、過電流），該中斷有效，從而對(duì)系統(tǒng)和電機(jī)進(jìn)行保護(hù)[7]。

圖2 潛水泵集成控制系統(tǒng)STM32最小系統(tǒng)圖

圖3 潛水泵集成控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

1.3 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3 中，驅(qū)動(dòng)電路由IGBT 功率開關(guān)器件、電容和電阻組成，IGBT整流逆變模塊中以電機(jī)繞組A相為例，IGBT大功率開關(guān)器件Q1型號(hào)為G60N100、耐壓值為1 000 V、集電極額定電流60 A；模塊還包括預(yù)充電電阻R9 和薄膜電容C8，電阻R9為均壓電阻，C8接在電機(jī)A相兩端，起濾波作用，用于抑制開關(guān)損耗和關(guān)斷過電壓，電機(jī)繞組B、C兩相與A相的型號(hào)相同。引腳PWM_AH，PWM_BH，PWM_CH為電機(jī)控制的輸出端，輸出端通過高低電平的變化，控制電機(jī)的工作狀態(tài)，如正傳、反轉(zhuǎn)、剎車等[8]。

2 集成控制系統(tǒng)軟件

2.1 軟件工作流程

潛水泵集成控制系統(tǒng)軟件基于嵌入式編程軟件，進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。為了完成潛水泵基本的工作任務(wù)，本系統(tǒng)需要完成系統(tǒng)初始化子程序、周期子程序、中斷子程序、PID速度控制子程序和PID 電流控制子程序等。各子程序可獨(dú)立開發(fā)，具備模塊化、可二次開發(fā)等編程優(yōu)勢(shì)，為系統(tǒng)后期持續(xù)更新、優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[9]。

圖4 所示為集成控制系統(tǒng)主程序流程圖，整體工作流程如下：首先井下潛水泵系統(tǒng)上電后，井下潛水泵系統(tǒng)和岸基上位機(jī)系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化，初始化內(nèi)容包括系統(tǒng)控制初始化、GPIO初始化、中斷初始化、禁止看門狗、讀取電機(jī)零位置和中斷使能；初始化后潛水泵微控制器通過RS485 串口通訊線纜接收上位機(jī)控制器發(fā)送的控制指令，潛水泵系統(tǒng)根據(jù)控制指令啟動(dòng)電機(jī)，逐步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速；潛水泵系統(tǒng)通過PID速度控制器、PID電流控制器實(shí)現(xiàn)潛水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流控制；同時(shí)，潛水泵系統(tǒng)執(zhí)行周期任務(wù)及故障檢測(cè)，讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流值、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)、振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)以及漏水點(diǎn)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過RS485 串口通訊線纜將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī)控制器；當(dāng)井下潛水泵系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，上位機(jī)控制器下達(dá)干預(yù)指令，完成電機(jī)的降速或停機(jī)，最終保護(hù)潛水泵的整機(jī)安全。

圖4 潛水泵集成控制系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 井下潛水泵軟件

圖5 所示為周期子程序流程圖，該子程序主要進(jìn)行若干子周期任務(wù)及故障檢測(cè)。其中，5 ms 周期的控制子程序包括電源欠壓檢測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)；10 ms 周期的子程序包括RS485 通訊功能檢測(cè)；20 ms 周期的子程序包括溫濕度檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)；50 ms 周期的子程序包括潛水泵內(nèi)部漏水點(diǎn)檢測(cè)；100 ms 周期的子程序包括100 ms 通訊報(bào)文發(fā)送；500 ms 周期的子程序包括500 ms 通訊報(bào)文發(fā)送。故障檢測(cè)后，通過故障判斷：（1）若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如漏水點(diǎn)檢測(cè)傳感器、溫濕度傳感器、振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)停止運(yùn)行，并將故障通過RS485 串口通訊報(bào)告給岸基上位機(jī)控制器，上位機(jī)控制器進(jìn)行控制；（2）若無故障，則進(jìn)入判斷是否產(chǎn)生中斷，若不滿足中斷條件，則返回執(zhí)行周期子程序，若滿足中斷條件，則開始執(zhí)行井下潛水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流控制子程序。

圖5 潛水泵集成控制系統(tǒng)周期子程序流程圖

2.3 井下潛水泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流控制算法

如圖4 所示，潛水泵系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流控制中斷子程序包括：首先判斷當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo)值（潛水泵系統(tǒng)各子程序初始化時(shí)設(shè)定直流無刷電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的初始值）確認(rèn)完畢，系統(tǒng)將啟動(dòng)直流無刷電機(jī)，逐步提高直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過PID速度控制器、PID電流控制器，計(jì)算出直流無刷電機(jī)的目標(biāo)電流，并根據(jù)三相實(shí)際電流進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制控制，輸出各相驅(qū)動(dòng)信號(hào)；最終直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速和電流值。

2.4 岸基上位機(jī)控制程序

潛水泵岸基上位機(jī)系統(tǒng)控制子程序包括初始化上位機(jī)控制的串口通訊子程序，讀取井下潛水泵系統(tǒng)上傳的報(bào)文，根據(jù)上傳的傳感器信息實(shí)時(shí)判斷故障信息，如果未發(fā)生故障進(jìn)而計(jì)算下一時(shí)刻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的目標(biāo)控制值，并將目標(biāo)控制值對(duì)應(yīng)的具體電機(jī)運(yùn)行指令傳送回井下潛水泵控制系統(tǒng)。

如圖6所示，本系統(tǒng)的岸基上位機(jī)軟件人機(jī)界面使用Labview2014 編寫。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)下位機(jī)潛水泵控制系統(tǒng)通過通訊模塊將采集的潛水泵參數(shù)，如潛水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流值、井下水位、實(shí)時(shí)流量、揚(yáng)程、功率和漏水振動(dòng)傳感器數(shù)值等控制參數(shù)，傳輸給上位機(jī)軟件，并顯示在圖6所示的面板中。界面中還有手/自動(dòng)切換按鈕，選擇手動(dòng)遙控控制時(shí)，通過界面上的按鈕便可改變潛水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、加減速度、急停動(dòng)作。上位機(jī)監(jiān)控軟件可以幫助研究人員更好、更直觀地觀察顯示的參數(shù)并實(shí)時(shí)給潛水泵集成控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令。

圖6 潛水泵岸基上位機(jī)系統(tǒng)人機(jī)界面圖

3 仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)

本文研究的對(duì)象是某型潛水泵，推進(jìn)方式采用電推，最大流量20 m3/h，最大揚(yáng)程35 m，額定轉(zhuǎn)速4 000 r/min，出水口徑40 mm，整機(jī)重量控制方式為人工遙控、自主控制方式，在搭載漏水傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)傳感器時(shí)，可具備電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電流控制、故障檢測(cè)和溫度感應(yīng)等能力。首先為了驗(yàn)證電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流控制的有效性和魯棒性，利用Matlab R2014a/Simulink 在潛水泵三相電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真研究。

仿真系統(tǒng)向電機(jī)加入380 V、50 Hz 額定電壓，讓其空載啟動(dòng)，分別在第0.1 s 時(shí)加入1 500 r/min 轉(zhuǎn)速和40 A 電流的控制目標(biāo)進(jìn)行仿真，采樣時(shí)間為10 s。

通過圖7 可以分析出潛水泵電機(jī)雙閉環(huán)速度、電流控制器轉(zhuǎn)速實(shí)際速度上升時(shí)間為0.5 s，超調(diào)亮忽略不計(jì)，電流實(shí)際上升時(shí)間為2 s，超調(diào)量忽略不計(jì)。由仿真結(jié)果可知，雙閉環(huán)速度、電流控制算法對(duì)潛水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流有著明顯的控制效果并有一定的抗干擾能力，潛水泵轉(zhuǎn)速和電流數(shù)值穩(wěn)定，可以提高潛水泵電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。

圖7 潛水泵電機(jī)速度響應(yīng)曲線

圖8 潛水泵電流響應(yīng)曲線

3.2 半實(shí)物試驗(yàn)

將該系統(tǒng)應(yīng)用于某型潛水泵試驗(yàn)環(huán)境，以最終驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。試驗(yàn)中的潛水泵集成控制系統(tǒng)的下位機(jī)為PCB 電路板，井下潛水泵系統(tǒng)燒錄在電路板中的STM32 微控制器中。上位機(jī)由便攜式筆記本電腦代替，上位機(jī)軟件安裝在計(jì)算機(jī)電腦中。為了模擬實(shí)際的潛水泵集成控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間通過RS232 串口連接方式進(jìn)行連接[7]。通過一個(gè)周期的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出潛水泵集成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的可行性，可以對(duì)潛水泵運(yùn)行狀況進(jìn)行分析和控制。

圖9 潛水泵集成控制系統(tǒng)半實(shí)物試驗(yàn)圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)潛水泵系統(tǒng)及其直流電機(jī)，開發(fā)了一套集成控制系統(tǒng)，具有能夠使?jié)撍猛瓿苫究刂乒δ埽ㄕD(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，急停，采集潛水泵中溫濕度、振動(dòng)等傳感器數(shù)據(jù)，接受上傳岸基上位機(jī)指令的能力。運(yùn)動(dòng)控制仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)采用的雙閉環(huán)速度、電流控制算法對(duì)潛水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流有著明顯的控制效果，解決了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制困難和電流易過載的問題。此外，半實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了集成控制系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計(jì)功能以及系統(tǒng)的通信接口的可行性和合理性，基于串口通訊的潛水泵集成控制系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的潛水泵可以通過系統(tǒng)中各類傳感器提前預(yù)防或大大減輕潛水泵故障所引起的對(duì)泵體或電機(jī)的工作損傷，具有安裝方便、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。