閆立強，徐 崧，李增亮，胡 朋

（1.合肥工業(yè)大學 工業(yè)與裝備技術研究院，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，可做到無泄漏，多應用在制冷、化工、石油等領域輸送有害、貴重的介質。對屏蔽泵性能的測試是產品出廠校驗和研究開發(fā)不可缺少的環(huán)節(jié)。通常是將揚程、功率、效率作為流量的函數(shù)，這些工作參數(shù)之間存在著相對應的關系，當流量和轉速變化時，會引起其他參數(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，對儀表采集來的數(shù)據一般輸出的是標準的電流信號；使用PLC或者采集卡作為控制器，實現(xiàn)數(shù)據采集與泵閥流量控制；上位機使用LabVIEW設計人機界面。但傳統(tǒng)PLC控制的性能測試系統(tǒng)無法實現(xiàn)數(shù)據遠程監(jiān)測。屏蔽泵性能參數(shù)測試系統(tǒng)對采集實時性要求較低，但要重點關注穩(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)設備需要實現(xiàn)更有效的數(shù)據交互。采用無線方式時，需要解決一對多和遠距離通信的問題。常用的工控設備通信接口有RS 232、RS 485、CAN和網絡，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應用平臺，常用的平臺開發(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，把數(shù)據發(fā)送到服務器，在網站訪問數(shù)據。該方式開發(fā)周期長；而且對于一些現(xiàn)場測試環(huán)境來說，實際所需要的功能不多，存在成本高的問題。

鑒于此，本文根據現(xiàn)有需求，設計控制終端電路，實現(xiàn)設備數(shù)據收集、標準化處理和傳輸協(xié)議轉換到MQTT（消息隊列遙測傳輸）。利用OneNET平臺提供的開放MQTT協(xié)議和API接口，進行快速開發(fā)。該系統(tǒng)可及時保存現(xiàn)場數(shù)據，為后續(xù)工業(yè)數(shù)據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、傳感器等設備；實現(xiàn)數(shù)據上傳及指令接收、處理。

系統(tǒng)結構如圖1所示，其中包括測試現(xiàn)場、數(shù)據采集系統(tǒng)以及通信網絡。Qt遠端測試軟件與控制終端基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)通信。在測試軟件上設定好測試點，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)據采集裝置，完成采集任務，從而測試得到運轉狀態(tài)下各個參數(shù)隨測試點變化的信息。

圖1 屏蔽泵性能測試系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

本文選用STM32F103VET6作為控制器，其片內集成有512 KB的FLASH、64 KB的SRAM、DMA、定時器、USART和多組I/O接口等豐富的片上資源，易于實現(xiàn)對各個模塊的控制和管理。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。主控制器內部可執(zhí)行控制算法和動作執(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出口壓力、輸入功率、轉速、流量等參數(shù)。控制終端使用WiFi模塊接收控制指令，控制繼電器模塊為各個傳感器供電。測試結束后，可控制繼電器模塊對變送器進行斷電操作。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結構

2.2 控制策略

PID算法很難對不同對象或者同一對象的不同控制階段取得最佳的響應，為彌補PID的這一缺陷，使用模糊控制技術，模糊PID控制器結構如圖3所示。終端接收到指令并分析指令，然后輸出PWM信號，控制執(zhí)行機構動作。

圖3 自整定模糊PID控制器結構

將電機作為被控對象，通過PWM來控制轉速、增量式編碼器來測電機轉速。對輸入量轉速偏差、偏差變化率進行量化處理。將和映射到[-6，6]的區(qū)間，確定模糊子集為負大[NB]、負中[NM]、負小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7個語言變量。和的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。對K、K和K三個參數(shù)進行調整，建立這3個變量的模糊規(guī)則庫。在程序中定義3個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。

計算速度值，設編碼器單圈總脈沖數(shù)為，在時間內，統(tǒng)計到的編碼器脈沖數(shù)為，則轉速的計算公式為：

式中的編碼器單圈總脈沖數(shù)是常數(shù)，所以轉速與成正比。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電連接服務器，使用定時器在設置時間內發(fā)送Ping報文，防止掉線。自動運行模式：控制終端接收到指令后，首先在設置的第一個工況點，輸出PWM，電機轉動。開編碼器模式，在設定時間內，計脈沖個數(shù)，計算得到電機轉軸處速度，代碼中設定時間為100 ms，判斷是否達到設定轉速。然后讀取各個傳感器數(shù)據，判斷是否完成測試，如果完成就進入待機模式，否則在設置的下一個測試點，繼續(xù)讀取傳感器數(shù)據。系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示；自動運行模式程序流程如圖5所示。

圖4 主程序流程

圖5 自動運行模式程序流程

2.3.1 基于Modbus RUT傳感器輪詢采集

設置不同從站地址，主站訪問傳感器從節(jié)點，數(shù)據使用CRC16循環(huán)冗余校驗。在同一個Modbus網絡，通信設備的傳輸模式和通信參數(shù)設置要一致。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。……九疑云動影，曠野竹成斑?！盵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，嘆雄奇荒涼的景象，如其《易水懷古》:“落日蕭條薊城北，黃沙白草任風吹”。[5]經過長時間的演變，眼中所見昔日勝極一時的景象，今日的蕭條，與詩人內心的苦悶相互照應，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，讀取各個傳感器數(shù)據。波特率為9 600 b/s，無硬件流控。數(shù)據收集任務使用串口空閑中斷+DMA接收的方式，提高處理器效率。

程序中利用定時器設置定時時間，執(zhí)行數(shù)據采集操作。在開啟數(shù)據采集操作后，每次進入定時器中斷，校驗接收到的傳感器數(shù)據，校驗成功，保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據。訪問完一遍子節(jié)點后，把數(shù)據打包成JSON格式，通過WiFi發(fā)送出去。

2.3.2 基于MQTT協(xié)議數(shù)據上傳

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

圖7 MQTT發(fā)布-訂閱模式

建立通信連接，數(shù)據上傳和下發(fā)的流程如下：

（1）將WiFi模塊設為STA模式，發(fā)送對應AT指令，連接服務器。

（2）將硬件終端的鑒權碼APIKey、設備編號ID，按照MQTT協(xié)議的CONNECT報文格式打包并發(fā)送，向OneNET驗證連接。

（3）發(fā)送SUBSCRIBE報文，訂閱主題，之后等待收集數(shù)據命令；收集完成后，將數(shù)據打包并上傳。

3 遠端控制平臺軟件設計

基于Qt設計的遠程管理軟件，在聯(lián)網狀態(tài)下，該系統(tǒng)可以遠程監(jiān)測屏蔽泵測試狀態(tài)以及參數(shù)信息。測試軟件參數(shù)設置界面如圖8所示。

圖8 測試軟件參數(shù)設置界面

參數(shù)設置界面的3個按鈕對應于3個待控制的控制終端。上位機訂閱控制終端相關主題，以對應控制按鈕。選擇自動運行或手動操作，測試軟件下發(fā)相應的指令。測試軟件接收到控制終端發(fā)送來的JSON格式數(shù)據，處理之后，在信息監(jiān)測界面顯示數(shù)據，并導入數(shù)據庫中。

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

4 性能測試系統(tǒng)試驗

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

半實物聯(lián)調主要是考核模糊PID控制下的數(shù)據采集和Qt遠程測試軟件數(shù)據處理的可行性。根據設計方案，控制終端通過485集線器外接到傳感器節(jié)點。聯(lián)調時，電路板采集用Modbus Slave軟件模擬的數(shù)據以及溫濕度數(shù)據。試驗平臺搭建如圖9所示。感知節(jié)點包括溫濕度傳感器、USB轉485轉化器，執(zhí)行節(jié)點包括RGB三色燈和繼電器開關。

圖9 試驗平臺搭建

（1）驗證硬件電路對模糊PID控制下數(shù)據采集的可行性。本次試驗開啟1號機，使用自動運行模式。當轉速達到設定值時，讀取溫濕度傳感器采集的數(shù)據，試驗結果如圖10所示。

圖10 上傳的溫濕度數(shù)據

（2）驗證Qt遠程測試軟件對數(shù)據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的數(shù)據。終端采集上傳后，Qt遠程測試軟件對數(shù)據進行處理，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 語

本文研究了一款屏蔽泵遠程性能參數(shù)測試系統(tǒng)，使用Modbus協(xié)議準確獲取傳感器數(shù)據，應用MQTT物聯(lián)網協(xié)議開發(fā)Qt應用程序。使用無線遠程通信解決測試現(xiàn)場環(huán)境復雜、不便于現(xiàn)場測試的問題。通過聯(lián)調試驗，驗證了遠程性能測試系統(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。本系統(tǒng)價格低廉，運行穩(wěn)定，易于實現(xiàn)和維護，使用方便。對于便攜式設備系統(tǒng)或者物聯(lián)網網關在屏蔽泵性能測試方面的應用有一定的借鑒和參考意義。