基于物联网的精密级水泵闭式试验台的系统设计及精度评定.pdf

2023年第5期31小原技术基于物联网的精密级水泵闭式试验台的系统设计及精度评定*沈振华1张奇？王国军3王超金实斌3张金凤4（1台州科技职业学院，浙江台州3 18 0 2 0；2 江苏新能源汽车研究院，江苏盐城224007;3一温岭市产品质量检验所，浙江台州317500；4江苏大学，江苏镇江212013)摘要：对国家水泵产品质量检验检测中心（浙江）一套基于物联网的精密级水泵闭式试验台及相关测试软件进行介绍。该试验台的流量测试范围为0 450 m/h，进口压力测试范围为-0.1+0.1MPa，出口压力测试范围为0 2.5MPa，转速测试范围为0 3 0 0 0 r/min。根据运行前的调试数据，分析了流量、扬程、效率的总测量不确定度，确认该试验台精度达到GB/T18149一2 0 17 所规定的精密级精度。新闭式试验台可测泵型广、流量调节精准、测试精度高、自动化程度高，对于提高我国泵行业整体制造水平、模型泵及装置试验研究水平具有重要意义。关键词：水泵闭式试验台精密级物联网原位标定自吸试验测控系统不确定度中图分类号：TH311文献标识码：A泵类产品是一种量大面广的通用机械，广泛应用于国民经济建设的各个领域。随着国民经济的发展，泵的应用范围正在迅速扩大。温岭小型泵主要产品为小型潜水电泵、井用潜水电泵、污水污物潜水电泵等，国内市场占有率达7 0%左右2-4。为了保障温岭泵与电机集群特色产业的快速健康发展，以温岭市产品质量检验所为建设主体的“国家水泵产品质量检验检测中心（浙江）”成功获批筹建。在筹建过程中，对国内各大科研院校、企业不同的水泵测试台展开了大量的调研。郎涛等5 介绍了江苏大学研制的DN500多功能水泵模型及装置试验台，该试验台测试精度高，可满足多种用途的试验需求。高剑和代聪等6-7 设计了水泵综合试验台用于船用离心泵和汽车电子水泵的测试，实现数据采集、试验控制、数据分析与处理的全自动化。马琨岩等8 介绍了国家泵类产品质量检验中心（山东)泵类产品检验平台建设的基本情况，主要从检测设备及其检测能力、中心科研能力建设来*基金项目：江苏省产业前瞻重点研发项目（BE2019009）；台州市科技计划项目（2 2 gyb44）；台州市产教融合工程项目（水泵数字化设计与制造创新平台）展开介绍。QUINTERO等9 利用LabVIEW和Ar-duino微控器开发了一套适用串并联离心泵试验台的数据采集系统，可实时显示离心泵出口压力值、电压、电流和流量。通过调研发现，上述水泵试验台存在测试泵型范围窄、自动化程度低难以应对国家中心检测任务重等问题。基于上述难点，项目组研发并建成了一套结合物联网技术、计算机技术、传感器技术、以太网通讯技术，集仪器原位标定、数据采集与处理于一体的精密级多功能水泵闭式试验台。该试验台具备可测泵型广、测试精度高、自动化和信息化程度高等优点。本文将对其中精密级的小型闭式试验台试验系统的设计和测量不确定度进行重点介绍。1试验台测试系统设计1.1主要技术指标该闭式试验台设计的最大测试流量为450 m/h；最大测试压力为2.5MPa；试验可测转速为0 3000r/min；最大试验功率为2 2 kW的变频调压电源；试验进口管路主要由DN80和DN125管路及其多种变径管路组成；试验出口管路主要由水平出口段和垂直出口段组成，其中垂直出口段由金属软管2023年第5期32小原枝术组成。1.2基本功能该闭式试验台适用于微型电泵、管道式离心泵、卧式离心泵、立式离心泵、自吸泵、混流泵等多种泵型的安装测试，测试项目主要包括泵的水力性能、汽蚀特性、振动和噪声测试、压力脉动测试、自吸性能测试等。另外，试验台可实现电磁流量计原位标定、数据打印以及远程数据查询管理等功能。为了揭示上述诸多功能的实现方法及精密级测量特性，主要从水力循环管路设计、流量采集系统设计、原位标定系统设计、可调液位自吸池设计等几个方面展开试验台介绍。1.3试验台水力循环管路设计设计搭建的水泵闭式综合性能试验台结构图如图1所示。该水泵闭式试验台主要由汽蚀罐、可调液位自吸井、待测泵安装试验台架、系统辅助管路、流量采集管路、流量调节管路、原位标定系统以及水循环管路组成。其中汽蚀罐安装有差压式传感器，用于监测罐体内液位，其顶部管路与汽水分离器及滑阀真空泵机组相连接，可用于汽蚀试验测试；另外在汽蚀罐顶部接有通压缩空气的橡胶管，最大加压可达0.1MPa。测试安装台主要包括上下调节的液压升降台和前后调节的液压伸缩管，可方便待测泵安装。系统辅助管路主要由两路并联的支路管路构成，其中一路安装有辅助泵，可在系统扬程小于5m时打开。流量测试管路主要由五路不同管径的管路组成；流量调节管路选择三路管路并联方式，其直径分别为DN15、D N6 5、D N12 5，流量调节过程由PID控制。1.4流量采集系统设计流量作为水泵性能评价中的重要参数，需要保证数据采集过程中的精准度10-1。本试验台选用Endress+Hauser电磁流量计，精度等级达到0.2级，符合精密级试验台位的要求，同时配备有五路不同管径的流量采集管，从上至下管径依次为DN25、D N3 2、D N50、D N8 0、D N12 5，可根据待测泵型号参数，选择相对应的流量采集管；为保证水流在经过电磁流量计时的稳定性，在流量计采集管路前后分别配备有第一稳流罐、第二稳流罐，稳流罐顶部安装有排气管，底部安装有排水管；同时电磁流量计前后分别配备气动球阀。流量采集系统管路结构示意图如图2（a）所示，现场如图2（b）所示。1.5原位标定系统设计为保证试验过程中电磁流量计的精度，通常需系统辅助段流量采集段4-26-1171161151105-25-1420T2124自吸井263-16251111-12-11-汽蚀罐1-1-汽蚀罐出口管路2-第一气动球阀2-1-第一水平出口管路2-2-第二垂直出口管路3-第二气动球阀3-1-第三水平管路4-进口压力表4-1-第四支路管路各4-2-第五支路管路5-待测泵6-出口压力表7-液压升降台8-第三气动球阀9-第四气动球阀10-第五气动球阀11-辅助泵12-第六气动球阀13-第七气动球阀14-第一稳流罐151-第八气动球阀161-电磁流量计17 1-第九气动球阀18-第二稳流罐篷19-第一电动调节阀20-电动闸阀2 1-第二电动调节阀2 2-第十气动球阀23-气液分离器2 4-滑阀真空泵2 5-通大气管路2 6-自吸井图1水泵闭式试验台结构图2023年第5期33小原枝木气动球阀电磁流量计气动球阀排气管排气管一排水管（a）流量采集系统的设计图气动球阀电磁流量计气动球阀原位标定管路(b）现场照片图2流量采集系统要将电磁流量计送往专门的检定部门进行标定后，再重新安装至原管路。但是由于计量部门计量检定系统无法完全模拟原试验台管路条件，同时由于运输、安装等因素的影响，会导致流量计流量系数发生变化，因此所标定出的精度并不能完全代表试验台现场精度12 。原位标定是指测量仪器安装在原试验台位上利用更高一级精度仪进行校正的方法，可保证水泵试验中流量采集的精准度。试验台采用称重法对精密级水泵试验台进行流量计原位标定，试验台原位标定管路系统设计如图3(a)所示。标定试验台中动力来源于外部动力泵，水流经过稳压罐出口管路后，分别进人两路支路管路，其中一路水流通过第一稳流罐，流经电磁流量计采集管路，并经第二稳流罐中的标定试验台管路进人称重台，实现对小闭式试验台中电磁流量计的原位标定；另外一路支路管路通常是对外部流量计检定使用。标定试验台管路现场图如图3（b）所示。1.6可调液位自吸池试验设计自吸泵性能测试，不仅需要对自吸泵水力性能进行测试，还需对自吸泵自吸性能进行测试。传统的自吸泵试验台存在液位无法调节、测试精度低等-一稳压罐动力泵1流量计采集段！（a）原位标定系统的设计原位标定管路(b）现场照片图3试验台流量计原位标定系统问题，试验台配备可调液位自吸池，可实现自吸泵在不同自吸高度下的水力性能测试和自吸性能测试，自吸泵测试试验台结构示意图如图4所示。其中自吸井位于液压升降台旁边，自吸井深度为11m，自吸井顶部安装有不同口径的法兰盘，法兰盘一侧有通入自吸井底部的管路，另外一侧可供自吸泵进口管路安装。待测自吸泵安装在液压升降台上，待测自吸泵出口管与垂直出口段连接，流量通商流流量采集段量标定1进水通向汽L蚀罐自吸井水可1液压升降台图4可调液位自吸泵测试试验台结构图2023年第5期34小原技术采集管路可根据自吸泵型号进行选择，流量调节管路系统出口处分别与两路支路管连接，其中一路通向汽蚀罐，另外一路通向自吸井，当进行自吸泵试验时，只需打开通向自吸井管路上的气动球阀，并关闭通向汽蚀罐的气动球阀。自吸井液位调节由进出口阀门与动力泵控制。2试验台控制系统设计2.1PLC控制系统PLC作为整个控制系统的中央处理器，具有数据采集、系统控制、参数读取等功能13-4。试验台所用PLC型号为西门子S712 0 0，其通过以太网与上位机实现通讯，完成数据交换，并与试验台各设备实现通讯，实现数据采集及输出控制信号等功能。PLC通过模拟量信号采集电磁流量计读数，并反馈给上位机处理，上位机通过PLC输出数字量信号控制电动闸阀的开度，输出模拟量信号控制电动调节阀开度，实现管路流量调节。具体的PLC控制系统数据传输过程如图5所示。2.2组态监控系统设计组态监控系统软件是一种数据采集与过程控制的专用软件，使用灵活的组态方式，为用户提供自动控制系统监控功能的软件工具15。利用WINCC现场总线串口通讯模拟量信号数字量信号以太网接触器PLCOPC组态监控上位机打印机图5测试系统控制图建立的组态监控系统，操作人员可实时对现场各阀门、辅助泵启停、滑阀真空泵启停进行控制，并监测汽蚀罐、稳流罐内的液位、温度、压力等参数。该系统的应用解决了试验过程中对设备监视及过程控制中的难点问题，组态监控界面如图6 所示。2.3基于PID控制的全自动流量调节设计数字PID控制技术是工业生产中的一种控制方法，在机电、机械、冶金、化工、能源等行业有着广泛的应用16-18 。水泵试验过程中的流量调节，总电流：0.00总电压：1.519.3总有功功率0.000.0076Pa稳压筒总功率因素0.0001.080.0018.518.50.0378MPa0.0378MPa0.00000.0000小闭小闭稳流0.0000稳流筒A筒B0.000018.6汽蚀筒0.05190.00000.61DN125气水分离器进水泵房0.0395 0.00000.01360.00030.26590.0342进口压力进口压力差出口力出口力0.1-0图6组态监控界面下转第41页）2023年第5期35小原技术对试验的准确性、实时性以及测试精度等均有重要影响。本文基于PID控制技术，根据过程控制中的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量并进行控制，实现待测泵测试流量的快速精准调节，控制系统图如图7 所示。试验台在设计过程中，考虑到可测泵型号广、流量调节范围较大，通常在0 450 m/h；为了保证目标流量在不同区间调节过程中的速度及准确度，设计了三路不同管径的流量调节管，直径分别为DN15、D N6 5、D N12 5；在实际流量调节过程中，首先计算目标流量值与实际测量值的差值，将差值反馈给PID，由PID控制相应管路的阀门开度，进行流量调节，直到目标流量值与实际测量值之间的误差满足系统设定值，完成流量调节。3精度评定测量不确定度作为评价试验台精度等级重要技术指标，不确定度依据评定方法可分为两类，即由重复测量带来的A类不确定度和由仪器仪表精度带来的B类不确定度19-2 0 1。本次对该试验台精度进行评定，主要选取流量、扬程、效率、转速、输人功率进行评定，其评定标准依据GB/T18149一2017离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级及JJF（机械)10 0 12 0 18 水泵综合性能试验台校准规范。3.1精度评定对一台比转速为18 的管道泵进行性能试验，额定流量为12 m/h，额定扬程为110 m，额定转速为2 9 0 0 r/min；试验前检查管路密封性，开启排气阀，再启动待测泵；待模型泵在额定流量点附近稳定运转3 0 min后再采集数据，采集间隔为15s一个点，试验共采集了2 0 组数据，作为A类不确定度评定的依据。在B类不确定度评定中，所有仪器均经过了法定计量部门校准验证，其电磁流量计的精度等级为0.2%，压力表的精度等级为0.1%，转速传感器精度等级为0.2%，电参表的精度等级为0.1%。经过现场测试评定，试验台测量参数的总测量不确定度与相关标准中允许值对比如表1 所示。通过对比发现，流量总测量不确定度为0.12%，是GB/T18149精密级允许值的1/13；扬扰动比较设定值(SP)+模块偏差(e)比例输出值电动调节阀现场流量微分积分智能流量转速仪图7流量调节控制系统图程总测量不确定度为0.1%，是GB/T18149精密级允许值的1/10；功率总测量不确定度为0.0 6%，是GB/T18149精密级允许值的1/17；效率总测量不确定度为0.17%，是GB/T18149精密级允许值的1/13。整体来看，本试验台测量不确定度均优于GB/T181492017离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级以及JF（机械）1001一2 0 18 水泵综合性能试验台校准规范中的规定值。4结论（1）以PLC中央处理器为核心，结合物联网技术、计算机技术、传感器技术和信息技术，具备了一体化、智能化、全自动化、可视化、测试精度高以及可测泵型广的特点，提高了水泵检验效率，为区域泵与电机集群产业和泵行业提供更优质的检测服务。（2）基于物联网的精密级水泵测试试验台，可采用原位标定对电磁流量计的精度进行率定，提高了测试结果的精度；同时试验台采用三路管路流量调节策略，采用PID控制，实现了测试流量的快速精准调节。（3）通过对试验台关键参数进行不确定度分表1总测量不确定与相关标准的对比总测量不JJF10012018GB/T 18149编号测量参数确定度/%允许值/%允许值/%1urer(Q)0.122.001.502urer(H)0.101.501.003urel(n)0.172.902.254urer(n)0.110.500.205urer(P)0.061.501.00（收稿日期2023-08-07)（本文编辑陈丽霞）上接第35 页）-(收稿日期2023 07-31)（本文编辑胡玉靓）2023年第5 期41小原技术设计、部件改造、非破坏性分解泵盖工艺等方面都有良好的创新思路，既消除了原泵的设计缺陷，又利于检修和维护，有效提高了机组的安全性和经济性。目前，改造后的7 5 4CHTA主给水泵各项技术指标满足用户要求，实现了全优节能改造升级的目标，为国内大容量火电厂或热电厂在役的进口泵性能优化、结构升级改造等方面提供了宝贵的设计与实践经验。参考文献1徐秀生。蒸汽电站用大型锅炉给水泵可靠性设计的几点建议析，本试验台效率总的不确定度为0.17%，只有GB/T18149精密级允许值的1/13。其他各测量值的不确定度也均优于CB/T181492017离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级以及JJF（机械）10 0 12 0 18 水泵综合性能试验台校准规范中的规定值。感谢江苏省产业前瞻重点研发项目（BE2019009）、台州市科技计划项目（2 2 gyb44）、台州市产教融合工程项目（水泵数字化设计与制造创新平台）及台州模具智能制造重点实验室的大力支持。参考文献1林瞰国内外泵行业概况及温岭泵业水平分析和思考J.排灌机械，2 0 0 4，2 2（2)：47-49.2许敏田我国小型潜水电泵行业发展与思考J排灌机械,2 0 0 3,2 1(4)：46-48.3潘位力制造业企业升级现状研究一一基于温岭泵与电机行业企业的调研 J投资与创业，2 0 2 1，32（10）：6 9-7 4.4牟介刚浙江泵业何去何从？J】通用机械，2 0 0 5（6）：2627.5 郎涛，施卫东，马新华，等多功能水泵模型及装置模型试验台的开发J排灌机械，2 0 0 9，2 7（6）：37 9-38 3.6高剑，陈岱，邓智勇船用离心泵性能试验装置研究J.水泵技术，2 0 13（1)：2 8-33.7代聪汽车电子水泵测试试验台的研究【D重庆：重庆理工大学，2 0 17.8马琨岩，张宁，徐鹏磊，等国家泵类产品质量检验中心水泵试验台研制J中国高新技术企业，2 0 16（14)：13-14.J通用机械，2 0 0 9（4)：2 6-2 9.2中华人民共和国工业和信息化部JB/T80592020高压锅炉给水泵技术条件【S北京：机械工业出版社，2 0 2 0.3黄经国大型锅炉给水泵的可靠性设计J】水泵技术，1992(1):32-37.4王艳蕊、张玉奎，龚绍海，等汽动锅炉给水泵水力密封的设计和应用J水泵技术，2 0 12（4)：4-7.5中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会CB/T32162016回转动力泵水力性能验收试验1级、2 级和3级S.2016.6沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院叶片泵设计手册【M北京：机械工业出版社，19 8 3.9 QUINTERO D A,CLARO H,RECINO F,et al.Developmentof a data acquisition system using LabVIEW and Arduino microcon-troller for a centrifugal pump test bench connected in series and par-allel J.Journal of Physics:Conference Series,2019,1257(1):012002(7pp),10 享郭陈基于LabVIEW水泵性能试验系统D合肥：安徽农业大学，2 0 10.11 施卫东，张德胜，郎涛，等基于LabVIEW的水泵性能测试系统的设计J排灌机械，2 0 0 7，2 5（3）：38-41.12车晓红，成立，汤方平，等水泵试验台流量原位标定系统研制J南水北调与水利科技，2 0 11，9（4）：2 8-33.13杨孟涛，金红伟，王晓梅基于PLC的发动机水泵性能试验台开发研究J。农业机械，2 0 10（S3）：7 5-7 7.14韩惠东基于PLC核主泵试验台测控系统设计与实现D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 19.15万汶灵基于PLC的螺杆泵试验台测试系统研究【D兰州：兰州理工大学，2 0 12.16孙祖明基于PID闭环调节的卸料流量可控研究J科技与创新，2 0 2 0（7)：2 9-31.17享郭福雁，郁亚楼，袁天驰基于改进型模糊PID控制的空调水系统变流量调节优化节能研究J天津城建大学学报，2018,24(2)：12 5-12 9.18周信基于模糊RBF神经网络PID的加热炉温度控制系统设计D鞍山：辽宁科技大学，2 0 2 0.19肖军水泵汽蚀余量测量结果不确定度的分析与应用J.科技创新与应用，2 0 14（3）：30.20金实斌，季松涛，卢凌水泵综合性能试验台校准方法的研究J日用电器，2 0 15（11)：41-45.