屏蔽泵多参数性能远程测试系统研究

闫立强，徐 崧，李增亮，胡 朋

（1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009；2.安徽天富泵阀有限公司，安徽 天长 239300）

0 引 言

屏蔽泵是一种无密封泵，具有安全性高的优点，可做到无泄漏，多应用在制冷、化工、石油等领域输送有害、贵重的介质。对屏蔽泵性能的测试是产品出厂校验和研究开发不可缺少的环节。通常是将扬程、功率、效率作为流量的函数，这些工作参数之间存在着相对应的关系，当流量和转速变化时，会引起其他参数的变化，以此来判断屏蔽泵的性能。在传统屏蔽泵的测试系统中，对仪表采集来的数据一般输出的是标准的电流信号；使用PLC或者采集卡作为控制器，实现数据采集与泵阀流量控制；上位机使用LabVIEW设计人机界面。但传统PLC控制的性能测试系统无法实现数据远程监测。屏蔽泵性能参数测试系统对采集实时性要求较低，但要重点关注稳定性和成本。

随着传感器智能化的发展，控制器与工业设备需要实现更有效的数据交互。采用无线方式时，需要解决一对多和远距离通信的问题。常用的工控设备通信接口有RS 232、RS 485、CAN和网络，常用的通信协议包括HTTP、CoAP、MQTT、XMPP、AMQP、JMS等。已有方案是开发Web应用平台，常用的平台开发方式有Linux+Apache+MySQL/MariaDB+PHP/Perl/Python与Linux+Tomcat+java/JSP+MySQL的组合。各类传感器通过DTU（Data Transfer Unit）采集数据，把数据发送到服务器，在网站访问数据。该方式开发周期长；而且对于一些现场测试环境来说，实际所需要的功能不多，存在成本高的问题。

鉴于此，本文根据现有需求，设计控制终端电路，实现设备数据收集、标准化处理和传输协议转换到MQTT（消息队列遥测传输）。利用OneNET平台提供的开放MQTT协议和API接口，进行快速开发。该系统可及时保存现场数据，为后续工业数据的建模和分析工作提供便利。

1 性能测试系统概述

控制终端的主要功能包括：连接现场仪表、传感器等设备；实现数据上传及指令接收、处理。

系统结构如图1所示，其中包括测试现场、数据采集系统以及通信网络。Qt远端测试软件与控制终端基于MQTT协议实现通信。在测试软件上设定好测试点，发送给控制终端，控制终端解析指令，通过模糊PID控制流量大小，之后使用Modbus协议周期的访问数据采集装置，完成采集任务，从而测试得到运转状态下各个参数随测试点变化的信息。

图1 屏蔽泵性能测试系统结构

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

本文选用STM32F103VET6作为控制器，其片内集成有512 KB的FLASH、64 KB的SRAM、DMA、定时器、USART和多组I/O接口等丰富的片上资源，易于实现对各个模块的控制和管理。系统硬件结构如图2所示。主控制器内部可执行控制算法和动作执行指令，该方式可以取代PLC的工作，降低系统的硬件成本。屏蔽泵性能测试需要测试泵的进出口压力、输入功率、转速、流量等参数。控制终端使用WiFi模块接收控制指令，控制继电器模块为各个传感器供电。测试结束后，可控制继电器模块对变送器进行断电操作。

图2 控制系统硬件结构

2.2 控制策略

PID算法很难对不同对象或者同一对象的不同控制阶段取得最佳的响应，为弥补PID的这一缺陷，使用模糊控制技术，模糊PID控制器结构如图3所示。终端接收到指令并分析指令，然后输出PWM信号，控制执行机构动作。

图3 自整定模糊PID控制器结构

将电机作为被控对象，通过PWM来控制转速、增量式编码器来测电机转速。对输入量转速偏差、偏差变化率进行量化处理。将和映射到[-6，6]的区间，确定模糊子集为负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7个语言变量。和的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。对K、K和K三个参数进行调整，建立这3个变量的模糊规则库。在程序中定义3个7×7的二维矩阵。选择trimf三角隶属度曲线，使用重心法解模糊。

计算速度值，设编码器单圈总脉冲数为，在时间内，统计到的编码器脉冲数为，则转速的计算公式为：

式中的编码器单圈总脉冲数是常数，所以转速与成正比。

2.3 控制系统软件设计

系统上电连接服务器，使用定时器在设置时间内发送Ping报文，防止掉线。自动运行模式：控制终端接收到指令后，首先在设置的第一个工况点，输出PWM，电机转动。开编码器模式，在设定时间内，计脉冲个数，计算得到电机转轴处速度，代码中设定时间为100 ms，判断是否达到设定转速。然后读取各个传感器数据，判断是否完成测试，如果完成就进入待机模式，否则在设置的下一个测试点，继续读取传感器数据。系统的主程序流程如图4所示；自动运行模式程序流程如图5所示。

图4 主程序流程

图5 自动运行模式程序流程

2.3.1 基于Modbus RUT传感器轮询采集

设置不同从站地址，主站访问传感器从节点，数据使用CRC16循环冗余校验。在同一个Modbus网络，通信设备的传输模式和通信参数设置要一致。通信帧格式如图6所示。

站在历史的高地上怀古伤今还有如《湘川吊舜》：“伊予生好古，吊舜苍梧间。……九疑云动影，旷野竹成斑。”[5]立于南部湘川湖上，抒发其前不见古人的惆怅，今又无来者的伤感。他还站在北部边关，叹雄奇荒凉的景象，如其《易水怀古》:“落日萧条蓟城北，黄沙白草任风吹”。[5]经过长时间的演变，眼中所见昔日胜极一时的景象，今日的萧条，与诗人内心的苦闷相互照应，沿途的景象所呈现的便不再是单纯的景象，写胜地的被弃，也是写诗人的被弃，便不得不发出强烈的怀古叹今之愁。

图6 Modbus RTU通信帧格式

控制终端使用功能码03H，通过STM32串口2，读取各个传感器数据。波特率为9 600 b/s，无硬件流控。数据收集任务使用串口空闲中断+DMA接收的方式，提高处理器效率。

程序中利用定时器设置定时时间，执行数据采集操作。在开启数据采集操作后，每次进入定时器中断，校验接收到的传感器数据，校验成功，保存传感器数据。访问完一遍子节点后，把数据打包成JSON格式，通过WiFi发送出去。

2.3.2 基于MQTT协议数据上传

MQTT协议数据传输模式如图7所示。该协议易于实现，轻量灵活。

图7 MQTT发布-订阅模式

建立通信连接，数据上传和下发的流程如下：

（1）将WiFi模块设为STA模式，发送对应AT指令，连接服务器。

（2）将硬件终端的鉴权码APIKey、设备编号ID，按照MQTT协议的CONNECT报文格式打包并发送，向OneNET验证连接。

（3）发送SUBSCRIBE报文，订阅主题，之后等待收集数据命令；收集完成后，将数据打包并上传。

3 远端控制平台软件设计

基于Qt设计的远程管理软件，在联网状态下，该系统可以远程监测屏蔽泵测试状态以及参数信息。测试软件参数设置界面如图8所示。

图8 测试软件参数设置界面

参数设置界面的3个按钮对应于3个待控制的控制终端。上位机订阅控制终端相关主题，以对应控制按钮。选择自动运行或手动操作，测试软件下发相应的指令。测试软件接收到控制终端发送来的JSON格式数据，处理之后，在信息监测界面显示数据，并导入数据库中。

水泵特性曲线有-曲线、-曲线、-曲线等。利用这些关系曲线来分析水泵性能的优劣。在Qt中编写C++程序，实现最小二乘曲线拟合（二次多项式），得到线性方程组系数的增广矩阵，解线性方程组，确定多项式的各个系数。

4 性能测试系统试验

为了验证测试软件能否成功与控制终端通信进行了试验。运行Qt管理系统软件，控制器上电后订阅相关主题，等待管理员发送指令。

半实物联调主要是考核模糊PID控制下的数据采集和Qt远程测试软件数据处理的可行性。根据设计方案，控制终端通过485集线器外接到传感器节点。联调时，电路板采集用Modbus Slave软件模拟的数据以及温湿度数据。试验平台搭建如图9所示。感知节点包括温湿度传感器、USB转485转化器，执行节点包括RGB三色灯和继电器开关。

图9 试验平台搭建

（1）验证硬件电路对模糊PID控制下数据采集的可行性。本次试验开启1号机，使用自动运行模式。当转速达到设定值时，读取温湿度传感器采集的数据，试验结果如图10所示。

图10 上传的温湿度数据

（2）验证Qt远程测试软件对数据采集和处理的可行性。在Modbus Slave软件中输入与屏蔽泵性能相关的数据。终端采集上传后，Qt远程测试软件对数据进行处理，如图11、图12所示。

图11 H-Q、η-Q曲线拟合

图12 P-Q曲线拟合

5 结 语

本文研究了一款屏蔽泵远程性能参数测试系统，使用Modbus协议准确获取传感器数据，应用MQTT物联网协议开发Qt应用程序。使用无线远程通信解决测试现场环境复杂、不便于现场测试的问题。通过联调试验，验证了远程性能测试系统方案的合理性、正确性。该方案与传统泵性能测试系统相比有很大优势。本系统价格低廉，运行稳定，易于实现和维护，使用方便。对于便携式设备系统或者物联网网关在屏蔽泵性能测试方面的应用有一定的借鉴和参考意义。