系统结构及功能实现

 

泵无线测试及能效分析系统主要以.NET为编程语言，ZigBee标准为组网模式，MODBUS-RTU通讯协议等，结合数据库进行水泵测试数据的采集、处理、分析及管理。系统的结构，如图1所示。

 

 

ZigBee无线传输基站

 

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

ZigBee端站由一片带SPI™接口的PIC18F4620单片机、一个由Chipcon生产的CC2420RF 收发器和天线组成。如图3所示。控制器通过SPI总线和与RF收发器相连。控制器充当SPI主器件而RF收发器充当从器件。

 

 

控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC层和ZigBee 协议层。它还包含了特定应用的逻辑和A/D转换，使用SPI总线与RF收发器交互，仪表输出的4～20mA、0～5V等信号，经采样电阻后进行A/D转换将模拟量转变为数字量，并通过CC2420发送和接收来实现与ZigBee中心的通信；而如果信号传输RS485数字信号时，ZigBee可以直接发送与接收。ZigBee系统工作组网示意图，如图4所示

 

 

无线信号的连接

无线信号的连接工作，主要在水泵测试系统布置前期完成；当设备调试成功后，用户只要不进行设备的更换，任何时候使用都无需再进行信号连接测试。

如图5所示，是模拟量通讯测试界面，通讯端口一般为4～20mA，在设备上为1和2两个进口，以及一个GND公共接地口。图6是，该段功能的主要流程图。

 

  

 

 

动态显示的设计

在水泵测试过程中，为了方便测试及数据的采集，需要同步显示系统中所有采集信号的值，而且这个值是在一定时间内不断刷新变化的，所以需要动态显示当前数据值。图7是本系统中数据动态显示的UI界面。

 

 

 

3、系统在实际测试中的应用与分析

本系统在江苏新沂新戴河泵站进行过实际应用，现场测试总共6台水泵，由于篇幅有限，本文只选其中一台水泵进行应用说明。水泵是德国原装进口双吸泵，参数见表1。

表1 江苏新沂新戴河泵站机组情况

机组	厂家	型号	扬程   (m)	转速   (r/min)	流量   (m3/h)	进口压力表管径(m)	出口压力表管径(m)
1#	德国KSB	350-510A	60	1480	2500	420	600

    表2是江苏新沂新戴河泵站1#水泵的现场测试数据，图8是现场测试性能曲线与该水泵理论曲线的对比图。

 

表2 江苏新沂新戴河泵站1#泵数据（按95%电机效率计算出泵效率）

流量(m3/h)	扬程(m)	功率(kW)	机组效率(%)	泵效率(%)
0	79.96	360.89	0	0.00
871.03	75.74	409.11	43.86	46.17
1153.9	72.64	425.69	53.56	56.38
1334.5	70.55	433.49	59.08	62.19
1358.7	71.09	433.48	60.61	63.80
1558.9	67.48	444.12	64.42	67.81
1581.2	67.1	444.12	64.99	68.41
1735.8	64.45	452.93	67.18	70.72
2026.3	61.02	470.55	71.48	75.24
2072.9	60.67	477.42	71.66	75.43
2215.5	57.63	485.22	71.58	75.35
2223	57.64	485.22	71.83	75.61
2247.3	57.65	485.21	72.63	76.45
2489.9	52.72	497.02	71.83	75.61
2508.5	51.98	499.98	70.94	74.67
2762	45.4	507.85	67.16	70.69
2765.7	44.89	507.86	66.5	70.00
3075.1	36.89	510.84	60.4	63.58
3106.7	36.27	510.84	60	63.16

 

图8 江苏新沂新戴河泵站1#泵测试曲线与理论曲线对比图

注：图中虚线是理论曲线，实线是现场测试曲线，该实线曲线方程分别为：

H = 80.222 - 3.876873E-003 * Q - 1.762264E-006 * Q2 -4.930805E-010 * Q3

E = 0.041 ＋ 6.033257E-002 * Q - 1.100790E-005 * Q2 - 7.109630E-010 * Q3

P = 363.183 ＋ 3.462042E-002 * Q ＋ 1.986480E-005 * Q2 - 4.976947E-009 * Q3

 

 小结

本文利用最新的无线网络技术，重新规划、设计、开发具有远距离无线传输功能的测试及能效分析系统；并通过该系统在现场测试实际应用情况，进行了分析探讨。根据该系统在经过水泵厂及自来水公司实际应用情况，可以认为：

（1）系统满足现有成熟的有线测试台系统功能，同时可以方便快捷地扩展其它要求定制的测试项目；

（2）系统满足现场测试的特殊情况，在测试过程中，设备携带简便、安装快捷、软件扩展功能满足现场不同管路布置的要求；

（3）ZigBee无线组网传输技术功耗小，24V、1800mA电池组，一次充电可用半年；ZigBee无线组网传输技术信号稳定、准确、距离远；

（4）能效分析系统不仅能够分析处理测试数据，同时能够满足泵站运行的日常管理工作，如：泵测试记录、泵维修记录、泵改造记录以及电机的相关情况等。