本文結合汽車電子水泵生產需求，設計了一套基于LabVIEW和PLC的2工位電子水泵綜合性能測試系統，以研華IPC 610L工控機和西門子S7-200 PLC為核心，通過LabVIEW編程，實現了電子水泵的進出水壓力、壓差、楊程、流量、占空比、功率、轉速和電機效率等性能的在線測試，系統集成樣品掃碼、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、數據穩定、結果準確和直觀可視等特點，很好地滿足了現場使用需求。

品質是產品的核心，雖然《強制性產品認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證的產品，但是很多主機廠會要求其下屬供應商通過IATF、QC/T 1288.2-2023《汽車發動機冷卻水泵試驗方法》、JB/T 8126.9-2017《內燃機冷卻水泵》或相關企標等質量要求。因此，對于從事電子水泵研發和生產的制造商或集成商來說，為了達到有效管控在研品、來料、制程和成品品質的目的，擁有一套電子水泵綜合性能測試系統幾乎成了廠里的標配。

近年來，隨著市場品質要求的逐步提升，以及各智能制造領域設備廠商的崛起，有關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[4]、2023年中國計量大學饒賓奇指導的王苛蕓碩士學位論文[5]、2022年中國計量大學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[6]、重慶理工大學的小型水泵測試系統[7]等。這些系統各有特點，都利用智能制造相關的自動化測控技術，解決了某些領域的問題，拓寬了裝備研發的思路。盡管如此，電子XXX

基于目前行業需求和市場廣闊的應用前景，作者聯合肯特斯公司團隊設計了一套基于LabVIEW上位機編程技術和PLC自動化控制的2工位電子水泵綜合性能在線測試臺。本文將按照非標設備研發的一般流程，從需求分析、方案設計和調試優化等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QC/T 1288.2—2023《汽車發動機冷卻水泵試驗方法》、JB/T 8126.9—2017《內燃機冷卻水泵》等電子水泵相關行業標準，并結合目標用戶要求，梳理下系統設計需求如下：

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

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

3、需輸出電子水泵的流量-揚程、流量-效率、流量-功率、流量-電流等性能關系曲線，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、其它性能指標需求參考硬件選型部分，具體規格均按滿足用戶要求來配置。

二、方案設計

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

1、工作原理

首先考慮設計一個靈活可行的系統架構，主要包含控制柜和主機泵閥柜2部分。其中控制柜由機柜本體、上位機IPC、下位機PLC和相關采集模塊等組成，用于實現整個系統的數據采集和儀器控制功能。主機泵閥柜則優選質量穩定可靠的防干燒電機、流量計、可調電源、氣動夾具、調壓閥、壓力變送器和不銹鋼無焊接管件等作為核心部件。

電子水泵的轉速由上位機軟件通過PWM信號控制。對于不同轉速測點設置，系統自動計算出所需占空比，同時根據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?信號發生器？）輸出 PWM 信號控制水泵轉速。為起到信號放大和隔離防護作用，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，機臺預留了相應的接口和功能模塊，本文不詳細表述。

電子水泵的壓差由PID算法調節來實現。待測試樣品轉速達到設定值并穩定后，上位機會采集水泵樣品進出口壓力，求其差值，然后和設定壓差值對比，接著通過PID算法得出比例閥（流量調節閥）開度，最后向下位機發送指令，由PLC向閥體輸出調節信號，直至實際壓差穩定在設定值誤差范圍。

水泵流量?電壓、電流和功率等參數在上述壓差穩定后即可通過上位機自動采集，且軟件將根據讀取到的基本參數，再結合測試臺管路設計參數（如管徑、樣品進出口測壓點高度等），自動計算揚程、電機效率、輸出功率、輸入功率和汽蝕余量等性能指標，繪制流量-揚程、流量-效率、流量-功率、流量-電流等性能關系曲線，完后自動保存數據并進入下一壓差調節和測試流程。

為使得系統工作穩定可靠，壓力、流量、功率、轉速、占空比等信號通過RS485接口走MODBUS RTU協議與PLC進行傳輸，PLC通過以太網走OPC UA協議和上位機通信。

2、管路設計

系統管路設計如圖2所示，系統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置于工作臺上與進口管道更換閥3和出口管道更換閥2連接，進口段管路裝有溫度傳感器10、差壓傳感器12、進口壓力傳感器5實時監測測試管路進口溫度、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，用于調節管路流量；

進出口管路與主水箱18連接，其開閉由手動球閥和進口三通閥7與出口三通閥13控制。測試時電子水泵在指定轉速下抽取主水箱底部測試介質；測試介質流經入口三通閥7進入電子水泵入口，流經出口三通閥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確保水箱內氣壓安全。主水箱內設加熱棒17控制測試介質的加熱；主水箱液位傳感器16實時監測水箱液位；副水箱8存儲測試結束后電子水泵內剩余的液體。副水箱的液位計6測量到滿液位后，補液泵9將副水箱內液體自動抽取回主水箱。

圖2 系統管理設計

3、硬件選型

圖3 系統硬件架構

4、上位機軟件設計

基于LabVIEW平臺設計電子水泵性能綜合測系統上位機程序,采用用戶界面事件處理器設計方式,按下機械按鈕或是布爾控件,執行事件分支程序?軟件主要實現功能包括用戶管理?參數設置?數據采集與處理?數據庫存儲與查詢?主界面可視化測試過程?故障報警等輔助功能?

用戶管理分層設計,管理員可進行參數修改?用戶管理,操作員僅有測試權限?參數設置采用樹形選項卡實現,包括測試項選擇?水泵與傳感器參數?通信設置?數據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個數據進行鄰域平均,得到去噪后各被測參數的實時數據,根據采集數據實時計算揚程?功率?效率,并繪制對應流量-揚程?流量-功率?流量-效率擬合曲線?

對汽蝕試驗的入口壓力-揚程曲線中每5個揚程數據進行均值濾波,計算得揚程下降3%的點為汽蝕點?數據庫存儲與查詢的實現基于LabSQL模塊,通過ADO數據接口訪問Access數據庫,并執行相關SQL指令,將性能數據存儲于數據庫中;設計用戶查詢界面,訪問數據庫并根據時間查詢所測數據?在測試主界面中采用布爾元件模擬液體在管道內流動情況與閥門開閉情況?實時監測界面顯示各流量點與性能參數值?測試主界面與測試監測界面分別如圖3?圖4所示?

圖XXX 測試臺主控界面

圖XXX參數上下限設置界面

圖XXX 占空比設置界面

圖XXX 測試結果數據和報告界面

5、下位機軟件設計

LabVIEW與PLC之間進行的數據交換,包括參數設置與控制指令傳遞由OPC server實現?PLC程序采用模塊化設計,主要模塊為設備復位?數據收發與轉換?流量控制?周邊控制?測試流程控制等?設備復位包括進出口三通閥?排氣閥?流量比例閥等復位?數據收發與轉換為傳感器的模擬量與工程量的轉換?交互變量的賦值?

基于PID組態實現流量控制,通過自適應方式調節比例積分微分系數,控制比例閥的模擬量輸出,調整閥門開閉使流量穩定在流量測試點?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、調試優化

圖2 電子水泵在線測試臺實物圖

四、結束語

針對現有電子水泵性能測試系統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?采用電氣自動化技術,利用PLC控制閥門與泵的動作,配合高精度數據采集卡完成相關測試參數的采集,實現汽車電子水泵的全自動綜合性能測試?該系統自動化程度高,經重復性試驗,測試系統運行穩定。所設計的測試機已經由肯特斯公司生產和交付多臺，很好地滿足了客戶現場使用需求。