单螺杆泵性能测试系统的特征曲线研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州理工大学机电工程学院 作者:宗秀玲

  在单螺杆泵性能测试系统中,针对重要测试参数(流量-转速、功率-转速)之间的函数关系,研究了采用线性最小二乘法对采集的数据进行曲线拟合,用VBScript脚本语言编程形成流量-转速特征曲线和功率-转速特征曲线的方法;同时,介绍了在上位组态软件WINCC和VB的编程环境下,使用TeeChart控件绘制特征曲线的方法,并给出了相关代码。测试系统的程序开发采用C/S结构和SQL Server数据库,数据来源于WINCC系统,数据库前台开发工具选用Visual Basic 6.0,数据库控件选用TeeChart组件。采用该方法可有效剔除干扰数据,减少测试误差,提高单螺杆泵测试系统数据分析处理的准确性。

  为了保证螺杆泵在实际工作中能够安全稳定地运行,在出厂前,都要对螺杆泵进行严格的性能测试。单螺杆泵的性能测试是辨别产品优劣、保证单螺杆泵系统(由于实际工程所要测试的螺杆泵的电动机、减速器和奈莫泵体已连为一体,因此,简称为单螺杆泵系统)性能稳定和促进产品升级的重要手段。在单螺杆泵性能测试中,根据在不同工作参数下采集的测试数据,绘制出单螺杆泵的特征曲线,准确地反映单螺杆泵的工作特性,对判断产品的质量和性能优劣具有重要意义;同时,也可为单螺杆泵的设计、制造与技术改进提供重要依据。

1、测试系统

  本测试系统以德国耐驰(兰州)泵业有限公司的单螺杆泵性能测试系统为研究对象,试验装置分为4套相对独立的测试管路,且共用1个循环水箱,设计容积为12m3。根据国标GB9064—88《螺杆泵试验方法》的要求,本测试系统对数据实时采集与处理进行了重新设计,综合运用了PLC控制、计算机网络、通信和数据库等技术,实现了信号采集、传输与分析处理的一体化和网络化。该测试系统以西门子S7-300PLC作为下位机,完成单螺杆泵性能测试系统的数据采集及处理,用WINCC组态软件和SQL Server数据库作为上位机,进行测试系统的开发及特征曲线的绘制。

  1.1、测试系统的硬件结构及通信组成

  本测试系统的硬件主要由单螺杆泵系统、电动机调速模块、进口压力检测控制装置、出口压力检测控制装置、流量检测单元及控制单元等组成。单螺杆泵系统是由电动机、减速器和奈莫泵体组成。电动机调速模块由变频器连接电动机组成,变频器采用西门子MicroMaster440,可通过其配置的PROFIBUS通信模块直接接入PROFIBUS-DP总线,与PLC组成网络连接,实现单螺杆泵转子无级调速。对于电动机的电压、电流、功率和转速等参数通过变频器和PLC的PROFIBUS通信网络采集。进口压力检测控制装置由加压泵和进口压力变送器组成,出口压力检测控制装置由电动调节阀和出口压力变送器组成,流量检测单元由电磁流量计组成。

  利用PLC的D/A 转换模块,实现电动调节阀的PID闭环控制,PLC根据单螺杆泵出口压力设定值与实际出口压力反馈值之间的差值,计算所需的频率值,并将该值输出到变频器的模拟量输入口。变频器则相应地改变频率,调整电动机转速,电动调节阀也相应地根据PLC的控制,调节单螺杆泵的出口阀门开度,达到调整单螺杆泵出口压力的目的,形成闭环控制。通过PLC的A/D转换模块,采集现场的压力和流量信号,实现单螺杆泵的入口压力和出口压力的无级调节,完成单螺杆泵进出口压力和进出口流量参数的检测及数据采集。

  操作站采用工业控制计算机,通过西门子工业以太网卡CP5611与下位机PLC进行通信连接,完成数据的实时传输。控制单元选择西门子S7-300系列PLC作为主控制器,选用CPU 315-2DP作为核心控制单元,它集成总线接口PROFIBUS-DP,直接挂接于PROFIBUS-DP现场总线。单螺杆泵测试系统硬件部分结构如图1所示。

单螺杆泵测试系统硬件结构图

图1 单螺杆泵测试系统硬件结构图

  1.2、测试系统的软件组成

  上位机软件部分的设计主要在WINCC上位组态软件和SQL Server数据库的基础上完成。数据库前台开发工具选用Visual Basic 6.0,数据库控件选用TeeChart组件。

  1.3、特征曲线的实现方法

  在WINCC友好界面下进行组态、编程和数据管理,能够显示实时数据,生成实时数据曲线;但是因为系统自动生成的曲线达不到要求的精度,本文通过线性最小二乘法对特征曲线进行拟合,插入TeeChart控件实现特征曲线的绘制。TeeChart控件组中主要包含Tchart、TDBChart和TQBChart 3个类,TChart类是TeeChart类库中最主要的类,可以使用它创建给定数据序列的统计图表。TDBChart和数据库连接,可实现趋势显示。用VBScript脚本语言实现WINCC与SQL Server数据库的数据交换,通过VBScript访问ActiveX 控件TeeChart。在单螺杆泵性能测试系中,采用TDBChart控件实现与自定义数据库SQL Server的连接,对特征曲线进行绘制[5-6]。

  1.4、测试软件的程序流程

  根据上述单螺杆泵性能测试系统的设计要求,制订了详细的程序流程,如图2所示。

测试软件程序流程图

图2 测试软件程序流程图

  在WINCC系统中判断是否进行新试验,如果进行新试验,在输入产品型号、订单号等各种参数后,进入测试系统主界面。测试系统分3大模块,即性能试验、运转试验和静压试验。对电动机设定运转频率,进行PID调节后,开始定时采集测试数据,数据被保存到SQL Server数据库中。从数据库中调取数据并进行数据处理,利用TeeChart控件进行曲线拟合并绘制图线;然后查看和打印线,完成测试。如果不进行新试验,选择历史查询,则根据测试机的机器号进行查看和打印曲线。

结语

  针对单螺杆泵性能测试系统的特征曲线进行了研究。在上位组态软件WINCC和VB的编程环境下,应用最小二乘法拟合特征曲线,用TeeChart控件绘制曲线,有效地剔除了干扰数据,减少由数据造成的测试误差,提高了数据分析处理的准确性。该特征曲线可以为企业分析单螺杆泵产品质量、改进工艺提供决策依据,有助于提高产品的性能和质量,使企业更具竞争力。

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