屏蔽泵多參數(shù)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)研究

閆立強(qiáng)，徐 崧，李增亮，胡 朋

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.安徽天富泵閥有限公司，安徽 天長 239300）

0 引 言

屏蔽泵是一種無密封泵，具有安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可做到無泄漏，多應(yīng)用在制冷、化工、石油等領(lǐng)域輸送有害、貴重的介質(zhì)。對(duì)屏蔽泵性能的測試是產(chǎn)品出廠校驗(yàn)和研究開發(fā)不可缺少的環(huán)節(jié)。通常是將揚(yáng)程、功率、效率作為流量的函數(shù)，這些工作參數(shù)之間存在著相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)流量和轉(zhuǎn)速變化時(shí)，會(huì)引起其他參數(shù)的變化，以此來判斷屏蔽泵的性能。在傳統(tǒng)屏蔽泵的測試系統(tǒng)中，對(duì)儀表采集來的數(shù)據(jù)一般輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)；使用PLC或者采集卡作為控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與泵閥流量控制；上位機(jī)使用LabVIEW設(shè)計(jì)人機(jī)界面。但傳統(tǒng)PLC控制的性能測試系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測。屏蔽泵性能參數(shù)測試系統(tǒng)對(duì)采集實(shí)時(shí)性要求較低，但要重點(diǎn)關(guān)注穩(wěn)定性和成本。

隨著傳感器智能化的發(fā)展，控制器與工業(yè)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)交互。采用無線方式時(shí)，需要解決一對(duì)多和遠(yuǎn)距離通信的問題。常用的工控設(shè)備通信接口有RS 232、RS 485、CAN和網(wǎng)絡(luò)，常用的通信協(xié)議包括HTTP、CoAP、MQTT、XMPP、AMQP、JMS等。已有方案是開發(fā)Web應(yīng)用平臺(tái)，常用的平臺(tái)開發(fā)方式有Linux+Apache+MySQL/MariaDB+PHP/Perl/Python與Linux+Tomcat+java/JSP+MySQL的組合。各類傳感器通過DTU（Data Transfer Unit）采集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，在網(wǎng)站訪問數(shù)據(jù)。該方式開發(fā)周期長；而且對(duì)于一些現(xiàn)場測試環(huán)境來說，實(shí)際所需要的功能不多，存在成本高的問題。

鑒于此，本文根據(jù)現(xiàn)有需求，設(shè)計(jì)控制終端電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)收集、標(biāo)準(zhǔn)化處理和傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換到MQTT（消息隊(duì)列遙測傳輸）。利用OneNET平臺(tái)提供的開放MQTT協(xié)議和API接口，進(jìn)行快速開發(fā)。該系統(tǒng)可及時(shí)保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為后續(xù)工業(yè)數(shù)據(jù)的建模和分析工作提供便利。

1 性能測試系統(tǒng)概述

控制終端的主要功能包括：連接現(xiàn)場儀表、傳感器等設(shè)備；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及指令接收、處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括測試現(xiàn)場、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)。Qt遠(yuǎn)端測試軟件與控制終端基于MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。在測試軟件上設(shè)定好測試點(diǎn)，發(fā)送給控制終端，控制終端解析指令，通過模糊PID控制流量大小，之后使用Modbus協(xié)議周期的訪問數(shù)據(jù)采集裝置，完成采集任務(wù)，從而測試得到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下各個(gè)參數(shù)隨測試點(diǎn)變化的信息。

圖1 屏蔽泵性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文選用STM32F103VET6作為控制器，其片內(nèi)集成有512 KB的FLASH、64 KB的SRAM、DMA、定時(shí)器、USART和多組I/O接口等豐富的片上資源，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制和管理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器內(nèi)部可執(zhí)行控制算法和動(dòng)作執(zhí)行指令，該方式可以取代PLC的工作，降低系統(tǒng)的硬件成本。屏蔽泵性能測試需要測試泵的進(jìn)出口壓力、輸入功率、轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)?？刂平K端使用WiFi模塊接收控制指令，控制繼電器模塊為各個(gè)傳感器供電。測試結(jié)束后，可控制繼電器模塊對(duì)變送器進(jìn)行斷電操作。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 控制策略

PID算法很難對(duì)不同對(duì)象或者同一對(duì)象的不同控制階段取得最佳的響應(yīng)，為彌補(bǔ)PID的這一缺陷，使用模糊控制技術(shù)，模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。終端接收到指令并分析指令，然后輸出PWM信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖3 自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

將電機(jī)作為被控對(duì)象，通過PWM來控制轉(zhuǎn)速、增量式編碼器來測電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)輸入量轉(zhuǎn)速偏差、偏差變化率進(jìn)行量化處理。將和映射到[-6，6]的區(qū)間，確定模糊子集為負(fù)大[NB]、負(fù)中[NM]、負(fù)小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7個(gè)語言變量。和的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。對(duì)K、K和K三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，建立這3個(gè)變量的模糊規(guī)則庫。在程序中定義3個(gè)7×7的二維矩陣。選擇trimf三角隸屬度曲線，使用重心法解模糊。

計(jì)算速度值，設(shè)編碼器單圈總脈沖數(shù)為，在時(shí)間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)到的編碼器脈沖數(shù)為，則轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

式中的編碼器單圈總脈沖數(shù)是常數(shù)，所以轉(zhuǎn)速與成正比。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電連接服務(wù)器，使用定時(shí)器在設(shè)置時(shí)間內(nèi)發(fā)送Ping報(bào)文，防止掉線。自動(dòng)運(yùn)行模式：控制終端接收到指令后，首先在設(shè)置的第一個(gè)工況點(diǎn)，輸出PWM，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。開編碼器模式，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)軸處速度，代碼中設(shè)定時(shí)間為100 ms，判斷是否達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。然后讀取各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否完成測試，如果完成就進(jìn)入待機(jī)模式，否則在設(shè)置的下一個(gè)測試點(diǎn)，繼續(xù)讀取傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示；自動(dòng)運(yùn)行模式程序流程如圖5所示。

圖4 主程序流程

圖5 自動(dòng)運(yùn)行模式程序流程

2.3.1 基于Modbus RUT傳感器輪詢采集

設(shè)置不同從站地址，主站訪問傳感器從節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)使用CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn)。在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)，通信設(shè)備的傳輸模式和通信參數(shù)設(shè)置要一致。通信幀格式如圖6所示。

站在歷史的高地上懷古傷今還有如《湘川吊舜》：“伊予生好古，吊舜蒼梧間?！乓稍苿?dòng)影，曠野竹成斑。”[5]立于南部湘川湖上，抒發(fā)其前不見古人的惆悵，今又無來者的傷感。他還站在北部邊關(guān)，嘆雄奇荒涼的景象，如其《易水懷古》:“落日蕭條薊城北，黃沙白草任風(fēng)吹”。[5]經(jīng)過長時(shí)間的演變，眼中所見昔日勝極一時(shí)的景象，今日的蕭條，與詩人內(nèi)心的苦悶相互照應(yīng)，沿途的景象所呈現(xiàn)的便不再是單純的景象，寫勝地的被棄，也是寫詩人的被棄，便不得不發(fā)出強(qiáng)烈的懷古嘆今之愁。

圖6 Modbus RTU通信幀格式

控制終端使用功能碼03H，通過STM32串口2，讀取各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。波特率為9 600 b/s，無硬件流控。數(shù)據(jù)收集任務(wù)使用串口空閑中斷+DMA接收的方式，提高處理器效率。

程序中利用定時(shí)器設(shè)置定時(shí)時(shí)間，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集操作。在開啟數(shù)據(jù)采集操作后，每次進(jìn)入定時(shí)器中斷，校驗(yàn)接收到的傳感器數(shù)據(jù)，校驗(yàn)成功，保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)。訪問完一遍子節(jié)點(diǎn)后，把數(shù)據(jù)打包成JSON格式，通過WiFi發(fā)送出去。

2.3.2 基于MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)上傳

MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模式如圖7所示。該協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)，輕量靈活。

圖7 MQTT發(fā)布-訂閱模式

建立通信連接，數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)的流程如下：

（1）將WiFi模塊設(shè)為STA模式，發(fā)送對(duì)應(yīng)AT指令，連接服務(wù)器。

（2）將硬件終端的鑒權(quán)碼APIKey、設(shè)備編號(hào)ID，按照MQTT協(xié)議的CONNECT報(bào)文格式打包并發(fā)送，向OneNET驗(yàn)證連接。

（3）發(fā)送SUBSCRIBE報(bào)文，訂閱主題，之后等待收集數(shù)據(jù)命令；收集完成后，將數(shù)據(jù)打包并上傳。

3 遠(yuǎn)端控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

基于Qt設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程管理軟件，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測屏蔽泵測試狀態(tài)以及參數(shù)信息。測試軟件參數(shù)設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 測試軟件參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面的3個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)于3個(gè)待控制的控制終端。上位機(jī)訂閱控制終端相關(guān)主題，以對(duì)應(yīng)控制按鈕。選擇自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)操作，測試軟件下發(fā)相應(yīng)的指令。測試軟件接收到控制終端發(fā)送來的JSON格式數(shù)據(jù)，處理之后，在信息監(jiān)測界面顯示數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。

水泵特性曲線有-曲線、-曲線、-曲線等。利用這些關(guān)系曲線來分析水泵性能的優(yōu)劣。在Qt中編寫C++程序，實(shí)現(xiàn)最小二乘曲線擬合（二次多項(xiàng)式），得到線性方程組系數(shù)的增廣矩陣，解線性方程組，確定多項(xiàng)式的各個(gè)系數(shù)。

4 性能測試系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證測試軟件能否成功與控制終端通信進(jìn)行了試驗(yàn)。運(yùn)行Qt管理系統(tǒng)軟件，控制器上電后訂閱相關(guān)主題，等待管理員發(fā)送指令。

半實(shí)物聯(lián)調(diào)主要是考核模糊PID控制下的數(shù)據(jù)采集和Qt遠(yuǎn)程測試軟件數(shù)據(jù)處理的可行性。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，控制終端通過485集線器外接到傳感器節(jié)點(diǎn)。聯(lián)調(diào)時(shí)，電路板采集用Modbus Slave軟件模擬的數(shù)據(jù)以及溫濕度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖9所示。感知節(jié)點(diǎn)包括溫濕度傳感器、USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)化器，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)包括RGB三色燈和繼電器開關(guān)。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

（1）驗(yàn)證硬件電路對(duì)模糊PID控制下數(shù)據(jù)采集的可行性。本次試驗(yàn)開啟1號(hào)機(jī)，使用自動(dòng)運(yùn)行模式。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，讀取溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 上傳的溫濕度數(shù)據(jù)

（2）驗(yàn)證Qt遠(yuǎn)程測試軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理的可行性。在Modbus Slave軟件中輸入與屏蔽泵性能相關(guān)的數(shù)據(jù)。終端采集上傳后，Qt遠(yuǎn)程測試軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖11、圖12所示。

圖11 H-Q、η-Q曲線擬合

圖12 P-Q曲線擬合

5 結(jié) 語

本文研究了一款屏蔽泵遠(yuǎn)程性能參數(shù)測試系統(tǒng)，使用Modbus協(xié)議準(zhǔn)確獲取傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議開發(fā)Qt應(yīng)用程序。使用無線遠(yuǎn)程通信解決測試現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、不便于現(xiàn)場測試的問題。通過聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程性能測試系統(tǒng)方案的合理性、正確性。該方案與傳統(tǒng)泵性能測試系統(tǒng)相比有很大優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，使用方便。對(duì)于便攜式設(shè)備系統(tǒng)或者物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在屏蔽泵性能測試方面的應(yīng)用有一定的借鑒和參考意義。