本文結(jié)合汽車電子水泵生產(chǎn)需求，設(shè)計了一套基于LabVIEW和PLC的2工位電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)，以研華IPC 610L工控機(jī)和西門子S7-200 PLC為核心，通過LabVIEW編程，實現(xiàn)了電子水泵的進(jìn)出水壓力、壓差、楊程、流量、占空比、功率、轉(zhuǎn)速和電機(jī)效率等性能的在線測試，系統(tǒng)集成樣品掃碼、檢驗判定和報表輸出等功能，具有2工位獨立自動控制、自動采集、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確和直觀可視等特點，很好地滿足了現(xiàn)場使用需求。

品質(zhì)是產(chǎn)品的核心，雖然《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證目錄描述與界定表》[1]未明確將汽車電子水泵列為必須認(rèn)證的產(chǎn)品，但是很多主機(jī)廠會要求其下屬供應(yīng)商通過IATF、QC/T 1288.2-2023《汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗方法》、JB/T 8126.9-2017《內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵》或相關(guān)企標(biāo)等質(zhì)量要求。因此，對于從事電子水泵研發(fā)和生產(chǎn)的制造商或集成商來說，為了達(dá)到有效管控在研品、來料、制程和成品品質(zhì)的目的，擁有一套電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)幾乎成了廠里的標(biāo)配。

近年來，隨著市場品質(zhì)要求的逐步提升，以及各智能制造領(lǐng)域設(shè)備廠商的崛起，有關(guān)電子水泵測試裝備的研究論文已逐見報道，可查證的有2024年寧波吉利羅佑公司的電子水泵測試系統(tǒng)[4]、2023年中國計量大學(xué)饒賓奇指導(dǎo)的王苛蕓碩士學(xué)位論文[5]、2022年中國計量大學(xué)張雅琴和范偉軍等研制的汽車電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)[6]、重慶理工大學(xué)的小型水泵測試系統(tǒng)[7]等。這些系統(tǒng)各有特點，都利用智能制造相關(guān)的自動化測控技術(shù)，解決了某些領(lǐng)域的問題，拓寬了裝備研發(fā)的思路。盡管如此，電子XXX

基于目前行業(yè)需求和市場廣闊的應(yīng)用前景，作者聯(lián)合肯特斯公司團(tuán)隊設(shè)計了一套基于LabVIEW上位機(jī)編程技術(shù)和PLC自動化控制的2工位電子水泵綜合性能在線測試臺。本文將按照非標(biāo)設(shè)備研發(fā)的一般流程，從需求分析、方案設(shè)計和調(diào)試優(yōu)化等3個維度來逐步展開介紹。大家就跟著深圳肯特斯小編一起來看看吧！

一、需求分析

根據(jù)QC/T 1288.2—2023《汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗方法》、JB/T 8126.9—2017《內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵》等電子水泵相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合目標(biāo)用戶要求，梳理下系統(tǒng)設(shè)計需求如下：

1、系統(tǒng)需適用于PWM控制型電子水泵測試，且可擴(kuò)展至CAN、LINK總線通信型；

2、需控制電子水泵在不同轉(zhuǎn)速和不同壓差（出液口壓力與進(jìn)液口壓力差）條件下，測試其流量?電壓、電流和功率等參數(shù)，并計算揚(yáng)程、電機(jī)效率、輸出功率、輸入功率和汽蝕余量等性能指標(biāo)；

3、需輸出電子水泵的流量-揚(yáng)程、流量-效率、流量-功率、流量-電流等性能關(guān)系曲線，且可由用戶選擇曲線是否顯示；

4、需具備自動控制、自動采集、圖表顯示、自動分析、測試報告、異常報警的功能；

5、需2個工位，每個工位可獨立控制其是否啟用；

6、其它性能指標(biāo)需求參考硬件選型部分，具體規(guī)格均按滿足用戶要求來配置。

二、方案設(shè)計

根據(jù)使用需求，設(shè)計方案須先分析其功能實現(xiàn)的原理，然后再從管路設(shè)計、硬件選型和軟件設(shè)計（含IPC端上位機(jī)和PLC端下位機(jī)軟件）等3個方面展開。

1、工作原理

首先考慮設(shè)計一個靈活可行的系統(tǒng)架構(gòu)，主要包含控制柜和主機(jī)泵閥柜2部分。其中控制柜由機(jī)柜本體、上位機(jī)IPC、下位機(jī)PLC和相關(guān)采集模塊等組成，用于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制功能。主機(jī)泵閥柜則優(yōu)選質(zhì)量穩(wěn)定可靠的防干燒電機(jī)、流量計、可調(diào)電源、氣動夾具、調(diào)壓閥、壓力變送器和不銹鋼無焊接管件等作為核心部件。

電子水泵的轉(zhuǎn)速由上位機(jī)軟件通過PWM信號控制。對于不同轉(zhuǎn)速測點設(shè)置，系統(tǒng)自動計算出所需占空比，同時根據(jù)水泵頻率需求計算出 PWM 信號的高低電平周期，并通過XXX（采集卡?信號發(fā)生器？）輸出 PWM 信號控制水泵轉(zhuǎn)速。為起到信號放大和隔離防護(hù)作用，PWM輸出端外接隔離變壓器再接到待測樣品。對于采用CAN/LINK通信的水泵，機(jī)臺預(yù)留了相應(yīng)的接口和功能模塊，本文不詳細(xì)表述。

電子水泵的壓差由PID算法調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。待測試樣品轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后，上位機(jī)會采集水泵樣品進(jìn)出口壓力，求其差值，然后和設(shè)定壓差值對比，接著通過PID算法得出比例閥（流量調(diào)節(jié)閥）開度，最后向下位機(jī)發(fā)送指令，由PLC向閥體輸出調(diào)節(jié)信號，直至實際壓差穩(wěn)定在設(shè)定值誤差范圍。

水泵流量?電壓、電流和功率等參數(shù)在上述壓差穩(wěn)定后即可通過上位機(jī)自動采集，且軟件將根據(jù)讀取到的基本參數(shù)，再結(jié)合測試臺管路設(shè)計參數(shù)（如管徑、樣品進(jìn)出口測壓點高度等），自動計算揚(yáng)程、電機(jī)效率、輸出功率、輸入功率和汽蝕余量等性能指標(biāo)，繪制流量-揚(yáng)程、流量-效率、流量-功率、流量-電流等性能關(guān)系曲線，完后自動保存數(shù)據(jù)并進(jìn)入下一壓差調(diào)節(jié)和測試流程。

為使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，壓力、流量、功率、轉(zhuǎn)速、占空比等信號通過RS485接口走M(jìn)ODBUS RTU協(xié)議與PLC進(jìn)行傳輸，PLC通過以太網(wǎng)走OPC UA協(xié)議和上位機(jī)通信。

2、管路設(shè)計

系統(tǒng)管路設(shè)計如圖2所示，系統(tǒng)水箱采用自上而下方式安裝，便于樣品自吸水源。將待測電子水泵1置于工作臺上與進(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實時監(jiān)測測試管路進(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，其開閉由手動球閥和進(jìn)口三通閥7與出口三通閥13控制。測試時電子水泵在指定轉(zhuǎn)速下抽取主水箱底部測試介質(zhì)；測試介質(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，形成閉合測試回路真空泵接封閉水箱頂部真空泵24，用于汽蝕測試抽真空。

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控制測試介質(zhì)的加熱；主水箱液位傳感器16實時監(jiān)測水箱液位；副水箱8存儲測試結(jié)束后電子水泵內(nèi)剩余的液體。副水箱的液位計6測量到滿液位后，補(bǔ)液泵9將副水箱內(nèi)液體自動抽取回主水箱。

圖2 系統(tǒng)管理設(shè)計

3、硬件選型

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

4、上位機(jī)軟件設(shè)計

基于LabVIEW平臺設(shè)計電子水泵性能綜合測系統(tǒng)上位機(jī)程序,采用用戶界面事件處理器設(shè)計方式,按下機(jī)械按鈕或是布爾控件,執(zhí)行事件分支程序?軟件主要實現(xiàn)功能包括用戶管理?參數(shù)設(shè)置?數(shù)據(jù)采集與處理?數(shù)據(jù)庫存儲與查詢?主界面可視化測試過程?故障報警等輔助功能?

用戶管理分層設(shè)計,管理員可進(jìn)行參數(shù)修改?用戶管理,操作員僅有測試權(quán)限?參數(shù)設(shè)置采用樹形選項卡實現(xiàn),包括測試項選擇?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的噪聲,對采集信號的每80個數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域平均,得到去噪后各被測參數(shù)的實時數(shù)據(jù),根據(jù)采集數(shù)據(jù)實時計算揚(yáng)程?功率?效率,并繪制對應(yīng)流量-揚(yáng)程?流量-功率?流量-效率擬合曲線?

對汽蝕試驗的入口壓力-揚(yáng)程曲線中每5個揚(yáng)程數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波,計算得揚(yáng)程下降3%的點為汽蝕點?數(shù)據(jù)庫存儲與查詢的實現(xiàn)基于LabSQL模塊,通過ADO數(shù)據(jù)接口訪問Access數(shù)據(jù)庫,并執(zhí)行相關(guān)SQL指令,將性能數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中;設(shè)計用戶查詢界面,訪問數(shù)據(jù)庫并根據(jù)時間查詢所測數(shù)據(jù)?在測試主界面中采用布爾元件模擬液體在管道內(nèi)流動情況與閥門開閉情況?實時監(jiān)測界面顯示各流量點與性能參數(shù)值?測試主界面與測試監(jiān)測界面分別如圖3?圖4所示?

圖XXX 測試臺主控界面

圖XXX參數(shù)上下限設(shè)置界面

圖XXX 占空比設(shè)置界面

圖XXX 測試結(jié)果數(shù)據(jù)和報告界面

5、下位機(jī)軟件設(shè)計

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OPC server實現(xiàn)?PLC程序采用模塊化設(shè)計,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)實現(xiàn)流量控制,通過自適應(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)整閥門開閉使流量穩(wěn)定在流量測試點?周邊控制包括真空泵的變頻控制與排壓閥控制?

圖XX PLC程序截圖

三、調(diào)試優(yōu)化

圖2 電子水泵在線測試臺實物圖

四、結(jié)束語

針對現(xiàn)有電子水泵性能測試系統(tǒng)存在的自動化程度低?功能單一等問題,研制一種電子水泵綜合性能測試系統(tǒng)?采用電氣自動化技術(shù),利用PLC控制閥門與泵的動作,配合高精度數(shù)據(jù)采集卡完成相關(guān)測試參數(shù)的采集,實現(xiàn)汽車電子水泵的全自動綜合性能測試?該系統(tǒng)自動化程度高,經(jīng)重復(fù)性試驗,測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定。所設(shè)計的測試機(jī)已經(jīng)由肯特斯公司生產(chǎn)和交付多臺，很好地滿足了客戶現(xiàn)場使用需求。