基于PLC的汽車零部件電氣負荷試驗裝置的設(shè)計

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(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展，人們對汽油煤炭等傳統(tǒng)能源的需求日益增加，導(dǎo)致傳統(tǒng)能源的損耗速度過快，對環(huán)境的影響日趨嚴重，其中最受人們關(guān)注的問題之一就是二氧化碳的排放。出于對經(jīng)濟、環(huán)境等多方面的因素，各國開始大力發(fā)展新能源汽車。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車電子零部件的可靠性問題就顯得舉足輕重，這影響汽車行駛的安全性能。

汽車上的供電系統(tǒng)由汽車發(fā)電機和蓄電池構(gòu)成，同時汽車起動機作為汽車發(fā)動的主要部件也是與供電系統(tǒng)直接相連接的，因此汽車發(fā)動機、蓄電池、汽車起動機構(gòu)成了汽車供電系統(tǒng)的三個重要組成部分。由于各個組成部分受自身條件的影響，必然會在供電線路上產(chǎn)生電壓變化，從而影響以此并聯(lián)的汽車電子設(shè)備。

為了更好地考查汽車電子設(shè)備在常見的或可預(yù)見的非正常條件下工作的能力，國際標準ISO 16750-2及世界各個車廠對此都做出了相應(yīng)的要求，我國發(fā)布的GB/T 28046.2也對此做出了規(guī)定[1]。

由于現(xiàn)在的測試設(shè)備中沒有專門的測試設(shè)備，并且現(xiàn)有的相關(guān)測試設(shè)備價格昂貴，少則幾萬，多則幾十萬。而且這些設(shè)備無法完全滿足標準的試驗要求，僅能實現(xiàn)一個或幾個試驗。因此需要即能滿足相關(guān)測試要求，又具有性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜等特點的相關(guān)設(shè)備。本文采用PLC作為控制器，并使用觸摸屏實現(xiàn)可視化，設(shè)計了滿足標準試驗要求的電氣負荷試驗裝置。

2 測試需求分析[3]

2.1 直流供電電壓

本試驗的目的是在最小供電電壓和最大供電電壓范圍內(nèi)證實設(shè)備功能。按照表1或表2對受試設(shè)備(DUT)的有效輸入端供電，所有DUT的功能應(yīng)正常。

表1 UN=12V系統(tǒng)供電

表2 UN=24V系統(tǒng)供電

2.2 過電壓

本試驗的目的是模擬發(fā)電機調(diào)節(jié)器失效引起發(fā)電機輸出電壓上升到高于常規(guī)供電電壓。對于12V系統(tǒng)，試驗方法為在加熱箱中將DUT加熱到T=(Tmax-20℃)。向DUT有效端施加18V的電壓持續(xù)60min。對于24V系統(tǒng)，試驗方法為在加熱箱中將DUT加熱到T=(Tmax-20℃)。向DUT有效端施加36V的電壓持續(xù)60min。

2.3 反向電壓

本試驗的目的是當(dāng)使用輔助起動裝置時DUT對蓄電池反向連接的抵御能力。本試驗不適用于交流發(fā)電機或帶有鉗位二極管而沒有外部反向極性保護的裝置。如果DUT用于未接熔斷器的交流電路，且整流二極管能耐受反向電壓60s，則對UN=12V系統(tǒng)用4V的反向試驗電壓同時施加到DUT有效輸入端子上持續(xù)60s±6s，本試驗不適用于24V系統(tǒng)；除上述情況外，用試驗電壓UA(見表3)反向同時施加到DUT有效輸入端子上持續(xù)60s±6s。

表3 反向電壓

2.4 參考接地和供電偏移

所有輸入和輸出應(yīng)模擬實車連接到典型負荷或網(wǎng)絡(luò)，對DUT供給電壓UA使其正常工作。接地/供電偏移試驗適用于接地/供電線路，供電偏移分別按次序應(yīng)用于每條接地/供電線路以及各個接地/供電線路之間。所有DUT偏移電壓為1.0V。

(1)對DUT提供電壓UA；

(2)對DUT的接地/供電線路進行接地/供電線路電壓偏離；

(3)在該條件下進行功能試驗；

(4)按不同接地/供電組合重復(fù)測試(3)的內(nèi)容。

反向偏移電壓重復(fù)上述試驗。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制方案設(shè)計

整個電氣負荷試驗裝置采用PLC加觸摸屏的模式。PLC主要負責(zé)系統(tǒng)控制邏輯關(guān)系的實現(xiàn)，觸摸屏主要用于人機交互。整個測試裝置由PLC、觸摸屏、接觸器、指示燈、報警蜂鳴器等元器件組成(見圖1)。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

根據(jù)系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。可以結(jié)合實際的測試要求進行現(xiàn)場調(diào)整控制程序，增加測試能力和項目。

觸摸屏采用威綸通TK6051iP，使用EasyBuilder Pro組態(tài)軟件，適用于高標準的復(fù)雜機器的可視化。顯示屏擁有RS-232/RS-485和micro USB接口，可以方便的與PLC、計算機進行通信，交換數(shù)據(jù)。

整個控制系統(tǒng)根據(jù)不同的測試項目，不同的測試參品，連接相應(yīng)的負載，修改相關(guān)測試參數(shù)。系統(tǒng)的輸入信號有直流電源電壓信號，按鈕開關(guān)的開關(guān)信號和報警信號。直流電源電壓信號用來判斷電源電壓是否正常的；按鈕開關(guān)的開關(guān)信號用于開始和結(jié)束測試；當(dāng)有報警信號時，整個系統(tǒng)切斷電源，以保證系統(tǒng)安全系統(tǒng)的輸出信號有直流電源電壓信號、接觸器信號、運行指示燈和報警蜂鳴器信號。直流電源電壓信號用以顯示測試的電壓值，接觸器信號用于控制接觸器動作。運行指示燈限號用以顯示是否處測試過程中，以及測試是否結(jié)束。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作，測試電源未正常接入時，蜂鳴器報警以保證系統(tǒng)運行正常，并保證測試參數(shù)正確。

3.2 程序開發(fā)設(shè)計

(1)PLC軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信號的要求，確定PLC的I/O地址分配，這里包括開關(guān)量地址和模擬量地址。輸入信號不僅來自于物理元器件，還有來自觸摸屏的軟元件信號。程序設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計每個測試項目程序模塊，并統(tǒng)一設(shè)計初始化模塊和報警模塊，以及觸摸屏的通信模塊。根據(jù)不同測試項目的要求和使用的地址，分析整個系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，編寫控制程序。在程序的編寫過程中需要識別干擾信號，以避免系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作和誤報警。在每一步中，以該動作完成的產(chǎn)生的相應(yīng)傳感器信號常閉觸點作為互鎖條件。最后，通過仿真模塊對程序進行仿真，以驗證程序的不完善部分，并加以改進。

(2)觸摸屏軟件簡介

觸摸屏使用EasyBuilder Pro組態(tài)軟件，軟件支持windows 平臺所有矢量字體；支持歷史數(shù)據(jù)、故障報警等，可以保存到 U 盤或者 SD 卡里面；支持三組串口同時連接不同協(xié)議的設(shè)備，應(yīng)用更加靈活方便。軟件還具有離線模擬和在線模擬功能，在調(diào)試過程中使用在線模擬功能可以節(jié)省大量程序重復(fù)下載的時間。

圖2 觸摸屏主菜單

(3)觸摸屏程序設(shè)計

為了實現(xiàn)人機交互設(shè)備與PLC的通訊，必須在人機交互設(shè)備與PLC兩者之間建立連接。根據(jù)PLC設(shè)備的通訊參數(shù)，將觸摸屏軟件的通訊參數(shù)設(shè)置一致。根據(jù)所需測試項目，并根據(jù)所確定的PLC的I/O地址分配，分別編寫各個測試項目的程序和界面(圖2為觸摸屏主菜單)。編寫故障報警界面，記錄系統(tǒng)故障問題及發(fā)生時間，便于管理維護人員發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。利用軟件自帶的離線模擬功能對程序進行模擬，對不完善的地方進行改進。最后與硬件相連，進行實際測試，對程序進一步完善。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的試驗裝置以PLC為控制器，并采用觸摸屏來實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)了設(shè)備運行的可視化操作。不僅滿足了標準中各個試驗項目的測試需要，并且具有性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜等特點。并且可以根據(jù)不同標準、不同車廠的特殊需求，隨時增減測試項目、改變測試響應(yīng)參數(shù)以及拓展被測通道數(shù)量，完全實現(xiàn)了設(shè)計目的。隨著服務(wù)對象的不斷增加，該裝置擴展成模塊化管理，為企業(yè)提供諸如國際標準、國家標準、不同車廠要求的全面測試解決方案。