針對(duì)目前水泵測(cè)試系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度低?功能單一等問(wèn)題,以工控機(jī)為載體,基于上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)作控制的方式,研制一套電子水泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)?該電氣系統(tǒng)下位機(jī)采用PLC控制比例閥和真空泵等電氣元件,完成測(cè)試流程控制;采用溫控儀控制加熱棒工作,可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)試介質(zhì)溫度;基于研華高精度數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī);上位機(jī)以LabVIEW為平臺(tái)開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互?數(shù)據(jù)處理?報(bào)表生成等功能?結(jié)果表明:該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同功率的電子水泵在各溫度條件下的流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-汽蝕余量等性能的高度自動(dòng)化測(cè)試?

關(guān)鍵詞：電子水泵性能測(cè)試系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集; LabVIEW

作者：張雅琴１范偉軍１，２ 郭斌１，２ 江文松１

１. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院， 浙江杭州 

２. 杭州沃鐳智能科技股份有限公司， 浙江杭州

電子水泵根據(jù)車(chē)輛工況調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻液流量,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的溫度調(diào)控,是新能源汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中的重要組成部分[1-2]?性能測(cè)試是水泵研發(fā)和生產(chǎn)不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3]?目前汽車(chē)電子水泵測(cè)試技研究和裝備研制尚未跟上電子水泵發(fā)展[4],其測(cè)試術(shù)的研究主要集中在傳統(tǒng)水泵方面?重慶理工大學(xué)的小型水泵測(cè)試系統(tǒng)在常溫下可測(cè)得水泵流量?揚(yáng)程?軸效率等性能參數(shù),實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的快速采集[5]?朱桂英[6]設(shè)計(jì)的便捷水泵氣密性檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)采用差壓式檢測(cè)水泵氣密性?陶冉和張輝[7]采用嵌入式和模電路的方式設(shè)計(jì)了水泵通用測(cè)試系統(tǒng)?國(guó)內(nèi)外與電子水泵測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)的公開(kāi)文獻(xiàn)較少,企業(yè)生產(chǎn)用的電子水泵測(cè)試臺(tái)質(zhì)量參差不齊,存在自動(dòng)化程度不高、功能單一等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)自動(dòng)化、多功能子水泵測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。針對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套電子水泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，適用于不同功率汽車(chē)電子水泵的測(cè)試，以滿(mǎn)足電子水泵廠商研發(fā)與生產(chǎn)需求。

01、系統(tǒng)測(cè)試需求分析

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T288.2—2001與JB/T8126.9—2017及相關(guān)企業(yè)需求,冷卻水泵型式檢驗(yàn)主要包括性能試驗(yàn)?汽蝕試驗(yàn)等[8-9]?通過(guò)測(cè)試一定工況下電子水泵的流量?電壓?電流?進(jìn)出口壓力,計(jì)算揚(yáng)程?功率?效率?汽蝕余量等性能參數(shù),完成電子水泵的流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-效率?流量-汽蝕余量性能曲線(xiàn)繪制[10-11]?

與機(jī)械冷卻水泵不同的是,電子水泵轉(zhuǎn)速由自身集成系統(tǒng)控制,給定電壓與控制信號(hào)可使內(nèi)部直流無(wú)刷電機(jī)以相應(yīng)轉(zhuǎn)速工作?測(cè)試電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算水泵輸入功率的傳統(tǒng)方式不適用電子水泵的測(cè)試,因此配備可編程電源回讀水泵運(yùn)行時(shí)的電壓,通過(guò)電流電壓計(jì)算電機(jī)的輸入功率,再乘以效率系數(shù)即可作為電子水泵的輸入功率?

測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù):流量測(cè)量范圍0~500L/min,測(cè)量精度±0.2%FS;進(jìn)出口壓力測(cè)量范圍-100~200kPa,測(cè)試精度±0.1%FS;電流測(cè)量范圍0~30A,測(cè)試精度±0.1%FS;可編程電源電壓供電范圍0~24V,回讀精度±0.1%FS,功率范圍0~200W;溫度測(cè)量范圍-20~100℃,測(cè)量精度±0.2%FS,溫度控制范圍0~80℃,控制精度±2℃?

02、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括測(cè)試管路與測(cè)試方案設(shè)計(jì)?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)?設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試管路,并確定電子水泵的性能測(cè)試方案,根據(jù)測(cè)試方案設(shè)計(jì)硬件與軟件程序?

系統(tǒng)測(cè)試管路設(shè)計(jì)

泵試驗(yàn)臺(tái)分為開(kāi)式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與閉式試驗(yàn)結(jié)構(gòu),二者都可用于電子水泵揚(yáng)程?功率?效率的性能測(cè)試?對(duì)于汽蝕試驗(yàn),開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)需要在電子水泵入口處設(shè)置閥門(mén),通過(guò)節(jié)流的方式增加水泵入口處的真空度?這種控制方式易產(chǎn)生局部汽蝕,影響水泵汽蝕測(cè)試精度并加速閥門(mén)老化[12-14]?因此,此系統(tǒng)中采用閉式試驗(yàn)結(jié)構(gòu),通過(guò)抽真空方式降低入口壓力,避免開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)帶來(lái)的局部汽蝕問(wèn)題?設(shè)計(jì)閉式電子水泵綜合性能測(cè)試管路如圖1所示?

將待測(cè)電子水泵1置于工作臺(tái)上與進(jìn)口管道更換閥3和出口管道更換閥2連接,進(jìn)口段管路裝有溫度傳感器10?差壓傳感器12?進(jìn)口壓力傳感器5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試管路進(jìn)口溫度?壓力,出口段管路除出口壓力傳感器11與差壓傳感器12外還裝有流量計(jì)14與流量比例閥15,用于調(diào)節(jié)管路流量;進(jìn)出口管路與主水箱18連接,其開(kāi)閉由手動(dòng)球閥和進(jìn)口三通閥7與出口三通閥13控制?測(cè)試時(shí)電子水泵在指定轉(zhuǎn)速下抽取主水箱底部測(cè)試介質(zhì);測(cè)試介質(zhì)流經(jīng)入口三通閥7進(jìn)入電子水泵入口,流經(jīng)出口三通閥13與比例閥15回到封閉主水箱,形成閉合測(cè)試回路真空泵接封閉水箱頂部真空泵24,用于汽蝕測(cè)試抽真空?以水箱上的安全閥21和壓力表19確保水箱內(nèi)氣壓安全?主水箱內(nèi)設(shè)加熱棒17控制測(cè)試介質(zhì)的加熱;主水箱液位傳感器16實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱液位;副水箱8存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)束后電子水泵內(nèi)剩余的液體?副水箱的液位計(jì)6測(cè)量到滿(mǎn)液位后,補(bǔ)液泵9將副水箱內(nèi)液體自動(dòng)抽取回主水箱?

測(cè)試方案設(shè)計(jì)

測(cè)試方案包括通用性能測(cè)試方案與汽蝕性能測(cè)試方案?其中,通用性能測(cè)試包括流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-效率性能曲線(xiàn)測(cè)試,汽蝕性能測(cè)試即流量-汽蝕余量曲線(xiàn)測(cè)試?測(cè)試時(shí),將被測(cè)電子水泵安裝于工作臺(tái)上,確保其進(jìn)出口連接部分完全密封?

通用性能測(cè)試方案

依據(jù)相關(guān)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),水泵通用性能測(cè)試要求在水泵40%~120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),根據(jù)測(cè)試管路通過(guò)的流量最大值與最小值均勻設(shè)置不少于8個(gè)流量工作點(diǎn)?通過(guò)PID控制,調(diào)節(jié)出口比例閥的開(kāi)度使流量穩(wěn)定在流量點(diǎn)?傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電子水泵測(cè)試管路進(jìn)出口壓力?溫度?流量?電子水泵的工作電壓與電流參數(shù)值,當(dāng)流量計(jì)監(jiān)控到管路內(nèi)流量穩(wěn)定一段時(shí)間后,記錄電子水泵的各參數(shù)值?已知管徑?進(jìn)出口高度差?液體密度參數(shù)和重力加速度,計(jì)算得到電子水泵在額定轉(zhuǎn)速下的流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-效率曲線(xiàn)?

汽蝕性能測(cè)試方案

一般汽蝕測(cè)試采用定流量方式,抽真空過(guò)程中流量穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)變流量的測(cè)試方法?設(shè)置比例閥開(kāi)度,打開(kāi)真空泵入口閥,運(yùn)行變頻真空泵控制主水箱水面壓力,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵進(jìn)出口壓力傳感器?溫度傳感器和流量傳感器的值,并根據(jù)對(duì)應(yīng)溫度傳感器的示值獲得介質(zhì)的汽化壓力,計(jì)算電子水泵的汽蝕余量與揚(yáng)程?實(shí)時(shí)顯示揚(yáng)程-汽蝕余量曲線(xiàn),并計(jì)算揚(yáng)程曲線(xiàn)下降值,當(dāng)揚(yáng)程下降3%時(shí)控制真空泵停止抽真空,此時(shí)電子水泵已發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,打開(kāi)排氣閥恢復(fù)水箱壓力,電子水泵停止工作?記錄并繪制該過(guò)程揚(yáng)程與裝置汽蝕余量的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn),找出揚(yáng)程下降3%點(diǎn)處的汽蝕余量與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的流量?設(shè)置不同的開(kāi)度進(jìn)行相同試驗(yàn),得到不同流量條件下對(duì)應(yīng)的汽蝕余量,繪制生成汽蝕余量-揚(yáng)程和流量-汽蝕余量曲線(xiàn)

系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以研華工控機(jī)為核心,根據(jù)功能大致可劃分為數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理模塊?控制模塊?通信模塊?如圖2所示,工控機(jī)通過(guò)與數(shù)據(jù)采集卡?PLC?溫控儀通信獲得測(cè)試參數(shù)?

數(shù)據(jù)采集模塊選用研華PCI?1716L板卡采集測(cè)試管路中進(jìn)出口壓力傳感器?差壓傳感器?流量傳感器?溫度傳感器?電流傳感器的數(shù)據(jù),共計(jì)6個(gè)模擬量輸入?數(shù)據(jù)采集卡以中斷的工作方式實(shí)現(xiàn)傳感器輸出電流信號(hào)的高速采集[15]?各傳感器將壓力?差壓?流量?電流?溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào),經(jīng)過(guò)PA?1187信號(hào)隔離器調(diào)制?隔離?解調(diào)與放大,消除信號(hào)內(nèi)耦合噪聲并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)輸入至研華板卡AI通道?

控制模塊以PLC為核心,在測(cè)試過(guò)程中主要通過(guò)控制各閥門(mén)與泵的工作狀態(tài)來(lái)控制測(cè)試流程?讀取

水箱溫度液位狀態(tài)以確保系統(tǒng)安全?選用具有14位DI?10位DO與2位AI的西門(mén)子s7?1200CPU1214,擴(kuò)展具有4位模擬輸入的SM1231和2位模擬輸出的SM1232?選用具有0.01℃分辨率的宇電AI716溫控儀,通過(guò)RS485串口通信與工控機(jī)交互數(shù)據(jù),控制加熱棒工作,實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的溫度控制?

為滿(mǎn)足不同電子水泵的測(cè)試需求,設(shè)計(jì)擴(kuò)展CAN?LIN轉(zhuǎn)接口與PWM發(fā)生器,允許通過(guò)LIN?CAN或PWM控制電子水泵工作轉(zhuǎn)速;PLC通過(guò)以太網(wǎng)與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信?被測(cè)電子水泵供電采用沃森120V/30A直流可編程電源,可在供電范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)供電電壓,回讀電壓電流值?

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)?

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)電子水泵性能綜合測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序,采用用戶(hù)界面事件處理器設(shè)計(jì)方式,按下機(jī)械按鈕或是布爾控件,執(zhí)行事件分支程序?軟件主要實(shí)現(xiàn)功能包括用戶(hù)管理?參數(shù)設(shè)置?數(shù)據(jù)采集與處理?數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與查詢(xún)?主界面可視化測(cè)試過(guò)程?故障報(bào)警等輔助功能?

用戶(hù)管理分層設(shè)計(jì),管理員可進(jìn)行參數(shù)修改?用戶(hù)管理,操作員僅有測(cè)試權(quán)限?參數(shù)設(shè)置采用樹(shù)形選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn),包括測(cè)試項(xiàng)選擇?水泵與傳感器參數(shù)?通信設(shè)置?數(shù)據(jù)處理模塊選擇均值濾波算法消除采集信號(hào)的噪聲,對(duì)采集信號(hào)的每80個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域平均,得到去噪后各被測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算揚(yáng)程?功率?效率,并繪制對(duì)應(yīng)流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-效率擬合曲線(xiàn)?對(duì)汽蝕試驗(yàn)的入口壓力-揚(yáng)程曲線(xiàn)中每5個(gè)揚(yáng)程數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波,計(jì)算得揚(yáng)程下降3%的點(diǎn)為汽蝕點(diǎn)?數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與查詢(xún)的實(shí)現(xiàn)基于LabSQL模塊,通過(guò)ADO數(shù)據(jù)接口訪問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù),并執(zhí)行相關(guān)SQL指令,將性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中;設(shè)計(jì)用戶(hù)查詢(xún)界面,訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)并根據(jù)時(shí)間查詢(xún)所測(cè)數(shù)據(jù)?在測(cè)試主界面中采用布爾元件模擬液體在管道內(nèi)流動(dòng)情況與閥門(mén)開(kāi)閉情況?實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面顯示各流量點(diǎn)與性能參數(shù)值?測(cè)試主界面與測(cè)試監(jiān)測(cè)界面分別如圖3?圖4所示?

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW與PLC之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換,包括參數(shù)設(shè)置與控制指令傳遞由OPCserver實(shí)現(xiàn)?PLC程序采用模塊化設(shè)計(jì),主要模塊為設(shè)備復(fù)位?數(shù)據(jù)收發(fā)與轉(zhuǎn)換?流量控制?周邊控制?測(cè)試流程控制等?設(shè)備復(fù)位包括進(jìn)出口三通閥?排氣閥?流量比例閥等復(fù)位?數(shù)據(jù)收發(fā)與轉(zhuǎn)換為傳感器的模擬量與工程量的轉(zhuǎn)換?交互變量的賦值?基于PID組態(tài)實(shí)現(xiàn)流量控制,通過(guò)自適應(yīng)方式調(diào)節(jié)比例積分微分系數(shù),控制比例閥的模擬量輸出,調(diào)整閥門(mén)開(kāi)閉使流量穩(wěn)定在流量測(cè)試點(diǎn)?周邊控制包括真空泵的變頻控制與排壓閥控制?

03、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有電子水泵性能測(cè)試系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度低?功能單一等問(wèn)題,研制一種電子水泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)?采用電氣自動(dòng)化技術(shù),利用PLC控制閥門(mén)與泵的動(dòng)作,配合高精度數(shù)據(jù)采集卡完成相關(guān)測(cè)試參數(shù)的采集,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電子水泵的全自動(dòng)綜合性能測(cè)試?該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,經(jīng)重復(fù)性試驗(yàn),測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已應(yīng)用于某電子水泵生產(chǎn)廠的水泵研發(fā)與生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龍俊華,安瑞兵.汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(6):75-77.LONGJH,ANRB.Currentsituationanddevelopmenttrendofvehiclecoolingsystem[J].AutomobileAppliedTechnology,2020(6):75-77.

[2]嚴(yán)駿.汽車(chē)電子水泵設(shè)計(jì)及冷卻系統(tǒng)控制策略研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2019.YANJ.Researchondesignofautomotiveelectroniccoolantpumpandcontrolstrategyofcoolingsystem[D].Zhen?jiang:JiangsuUniversity,2019.

[3]白元明,孔令成,張志華,等.內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵性能測(cè)試裝置研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2019,47(3):85-89.BAIYM,KONGLC,ZHANGZH,etal.Researchandde?signofperformancetestingdeviceforcoolingwaterpumpofinternalcombustionengine[J].MachineTool&Hydrau?lics,2019,47(3):85-89.

[4]代聰,陶紅艷,余成波.汽車(chē)電子水泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2017,45(20):123-125.DAIC,TAOHY,YUCB.Systemdesignofexperimentaltestdeviceforautomotiveelectronicwaterpump[J].Ma?chineTool&Hydraulics,2017,45(20):123-125.

[5]鄧航.基于LabVIEW的車(chē)用電子水泵檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2017.DENGH.StudyoftestingsystemforautomobileelectronicwaterpumpbasedonLabVIEW[D].Xi'an:ChanganUni?versity,2017.

[6]朱桂英.基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)水泵密封性檢測(cè)的研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2015(5):111-112.ZHUGY.TheStudyofautomobilewaterpumpsealingper?formancebasedonembeddedSystem[J].AutomobileAppliedTechnology,2015(5):111-112.

[7]陶冉,張輝.基于C8051F020的水泵綜合參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)[J].工業(yè)計(jì)量,2011,21(2):37-39.TAOR,ZHANGH.Pump'sgeneralperformancetestingandcontrollingsystembasedonC8051F020[J].IndustrialMeasurement,2011,21(2):37-39.

[8]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì).汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)方法:QC/T288.2—2001[S].天津:中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2002.

[9]全國(guó)內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵第9部分:電動(dòng)冷卻水泵:JB/T8126.9—2017[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2017.

[10]王玲玲.汽車(chē)?yán)鋮s水泵測(cè)試系統(tǒng)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.WANGLL.Atestingsystemonmotorcoolingwaterpump[D].Hefei:HefeiUniversityofTechnology,2007.

[11]佟慶輝.水泵性能測(cè)試控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.TONGQH.Thedesignandimplementationofwaterpumpperformancetestcontrolsystem[D].Harbin:HarbinInsti?tuteofTechnology,2015.

[12]樸奇鏞,宋元萍.離心泵實(shí)驗(yàn)室中的汽蝕試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005,27(5):174-175.

[13]車(chē)琴琴.離心泵汽蝕性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2008.CHEQQ.Theresearchontheauto-testsystemofcentrif?ugalpumpcavitationperformance[D].Lanzhou:LanzhouUniversityofTechnology,2008.

[14]沈文治.水泵閉式試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)汽蝕試驗(yàn)精度的影響[J].排灌機(jī)械,1990,8(1):26-30.

[15]胡曉峰,陸藝,羅哉,等.離合總泵綜合性能測(cè)試系統(tǒng)研制[J].中國(guó)測(cè)試,2019,45(3):101-107.HUXF,LUY,LUOZ,etal.Developmentofperformancetestsystemforclutchmastercylinder[J].ChinaMeasure?ment&Test,2019,45(3):101-107.