噴霧測試電控集成系統(tǒng)開發(fā)

潘浩星， 徐宏昌， 劉雙寨

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院, 上海 200240)

0 引 言

噴油器是汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其具體的性能參數(shù)與發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)、燃油消耗、排放等重要指標(biāo)密切相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)室中以高溫高壓容器代替燃燒室作為噴油器的工作環(huán)境，通過調(diào)節(jié)容器內(nèi)的溫度和壓力變換噴油器不同的工作條件進(jìn)行測試[1-3]。

目前噴油器測試容器提供的測試范圍：常溫～1 000 K，壓力0.1～6 MPa。在如此高溫高壓的環(huán)境中進(jìn)行噴油器測試操作和調(diào)試，安全和高效成為第一要求。原有噴霧測試電控系統(tǒng)主要通過人工手動對溫度和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，人工監(jiān)控安全狀態(tài)并采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)耗時長、穩(wěn)定性差、測試效率低、安全性低[4]。基于此，本文提出了全新的噴霧測試電控系統(tǒng)方案，并且投入實(shí)際應(yīng)用。電控系統(tǒng)基于模塊化、自動化及無人化的理念，按照系統(tǒng)功能進(jìn)行電氣模塊劃分，使用PLC作為硬件平臺對各模塊進(jìn)行電控集成。同時，將安防控制策略加入其中，使控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室做到安防聯(lián)動。除此之外，編寫上位機(jī)的LabVIEW監(jiān)控應(yīng)用軟件，使數(shù)據(jù)處理和測試監(jiān)控更加靈活，并成為可擴(kuò)展測試開發(fā)平臺[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)圍繞測試容器、相關(guān)的輔助系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)室三方面，采用中央集成控制方式對測試過程進(jìn)行自動化控制。電氣系統(tǒng)主要由供電模塊、加熱模塊、冷卻模塊、進(jìn)排氣模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、安防聯(lián)動模塊、系統(tǒng)控制器模塊及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊組成。其中系統(tǒng)集成控制模塊是控制核心模塊。各模塊關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

供電模塊為系統(tǒng)中的其他模塊提供電源。具有過壓、過流、防短路等多種電路保護(hù)功能。

系統(tǒng)提供手動和自動兩種控制模式。上電后默認(rèn)為自動模式。通過HMI或上位機(jī)設(shè)定好目標(biāo)測試溫度、壓力、數(shù)據(jù)運(yùn)算方式等必要參數(shù)后，系統(tǒng)集成控制模塊將自動對相關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和命令輸出。

進(jìn)排氣模塊自動控制進(jìn)氣量來控制容器內(nèi)部壓力達(dá)到目標(biāo)值。同時，對實(shí)驗(yàn)過程中所排出的油氣混合物進(jìn)行油氣分離，以防止污染大氣。加熱模塊根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率達(dá)到目標(biāo)溫度。溫度和壓力的全部采用PID閉環(huán)控制方式進(jìn)行控制[7]，保證系統(tǒng)快而穩(wěn)地達(dá)到目標(biāo)值并保持穩(wěn)定。在此過程中，冷卻模塊中采用7 °C的標(biāo)準(zhǔn)冷卻水對容器排出的油氣混合氣進(jìn)行冷卻并降溫至30 °C以內(nèi)，防止混合氣過熱。

數(shù)據(jù)采集模塊分別對容器內(nèi)外部溫度和壓力、排氣溫度、冷卻溫度、實(shí)驗(yàn)室門狀態(tài)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)時將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)集成控制模塊，控制模塊將其與設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)閥值進(jìn)行對比并在HMI或上位機(jī)上顯示出來，根據(jù)超過閥值的比例進(jìn)行分級處理。例如，實(shí)際壓力超過目標(biāo)值5%，界面報(bào)警提示；超過8% 聲光報(bào)警提示；超過10%執(zhí)行自動應(yīng)急處理程序。實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)動安防模塊提供的數(shù)據(jù)，例如，實(shí)驗(yàn)室門狀態(tài)、溫度、濕度等實(shí)現(xiàn)自動終斷測試等一系列動作；在實(shí)驗(yàn)過程中有人誤闖入時，控制模塊也將自動進(jìn)行安全操作。同時，進(jìn)行聲光報(bào)警和語音提示。

操作人員既可以通過HMI監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，也可以利用RS-485通信[8]，將控制模塊與上位機(jī)連接起來，通過基于LabVIEW編寫的軟件進(jìn)行更加靈活的人機(jī)交互。如遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)記錄、曲線繪制、數(shù)學(xué)運(yùn)算等。

系統(tǒng)集成控制模塊將其他電氣模塊連接在一起，進(jìn)行集中自動化控制，大大降低了原有系統(tǒng)的操作復(fù)雜度，使用成本及測試空間。同時，大大提高了測試效率，安全性及可維護(hù)性。系統(tǒng)集成控制模塊布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)集成控制模塊布局簡圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC主控單元

基于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量、采集頻率、制作成本、設(shè)計(jì)空間等因素，控制器采用西門子PLC S7-200系列CPU，數(shù)據(jù)采集模塊及HMI觸摸屏作為主控單元。包括1臺224XP型號CPU，作為電控系統(tǒng)的下位機(jī)，具有2路RS-485通信接口，既可為HMI提供數(shù)據(jù)，又可以為上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。具有14路數(shù)字量輸入，10路數(shù)字量輸出，可以滿足開關(guān)量的輸入和繼電器的輸出需求。2臺EM231高溫TC熱電偶模塊，共有8路溫度采集通道，4通道采集容器內(nèi)部溫度，4路通道預(yù)留。1臺EM231低溫RTD熱電阻模塊，用于冷卻系統(tǒng)排氣和容器外壁溫度采集及預(yù)留。1臺EM231模擬量模塊，8路通道用于采集壓力信號及預(yù)留。1臺EMCP243-1以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)PLC下位機(jī)與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信。1臺Smart700IE 7 17.8 cm(7 in) HMI觸摸屏，脫離上位機(jī)測試人員也可單獨(dú)控制測試過程[9]。PLC主控單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)集成控制模塊接口設(shè)計(jì)

接口設(shè)計(jì)主要包括PLC數(shù)據(jù)采集接口、通信接口以及控制開關(guān)接口的設(shè)計(jì)。全部接口如圖4和圖5所示，分布在控制模塊的前后面板上。

圖3 PLC主控單元結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

圖4 系統(tǒng)集成控制模塊前面板

圖5 系統(tǒng)集成控制模塊后面板

考慮到模塊要具有一定的靈活性，因此采用手提式機(jī)箱模式。前面板中主要是控制開關(guān)接口部分和HMI部分，控制開關(guān)接口主要包括指示燈、按鈕、調(diào)節(jié)旋鈕、急停按鈕等。測試人員在此面板上可以啟動或停止控制模塊，手動進(jìn)行溫度和壓力控制、系統(tǒng)急停、進(jìn)排氣控制以及接收聲光報(bào)警信息等。后面板包括PLC數(shù)據(jù)采集接口和通信接口兩個部分。PLC數(shù)據(jù)采集接口主要包括當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分和預(yù)留數(shù)據(jù)采集部分。當(dāng)前系統(tǒng)采集部分不僅可以為高溫高壓容器提供數(shù)據(jù)采集接口，也可以采集常溫容器壓力數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行安防聯(lián)動[10]。預(yù)留的數(shù)據(jù)采集通道包括溫度，壓力及BNC開關(guān)量。通信接口部分包括2路以太網(wǎng)接口，1路RS-485接口，1路USB接口。經(jīng)過多次對系統(tǒng)集成控制模塊內(nèi)部電路和外觀硬件設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，成功對系統(tǒng)集成控制模塊進(jìn)行了組裝，調(diào)試及實(shí)際測試。實(shí)物如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由基于梯形圖語言的PLC控制軟件，基于WinCC組態(tài)環(huán)境觸摸屏監(jiān)控軟件及基于LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控軟件組成。PLC控制軟件是控制系統(tǒng)的核心[10-11]，系統(tǒng)自動化控制，測試過程安全控制邏輯及實(shí)驗(yàn)室安防聯(lián)動程序都在其中運(yùn)行。觸摸屏軟件提供人機(jī)交互操作平臺，可單獨(dú)監(jiān)控整個測試過程。上位機(jī)軟件提供多種數(shù)據(jù)處理的功能并兼顧測試過程的監(jiān)控功能。觸摸屏和上位機(jī)都可對測試過程進(jìn)行監(jiān)控，可任選其一。

圖6 系統(tǒng)集成控制模塊實(shí)物

3.1 PLC控制軟件

PLC控制軟件中的有關(guān)測試和實(shí)驗(yàn)室安防程序是最基本的也是最重要的部分，其控制策略決定了系統(tǒng)的安全級別以及測試效率。其中壓力保護(hù)策略如圖7所示。

圖7 三重壓力保護(hù)策略

高溫高壓容器溫度和壓力的三重異常處理預(yù)案，包括：電動系統(tǒng)、手動系統(tǒng)和機(jī)械自動系統(tǒng)，3個系統(tǒng)并聯(lián)控制，確保能對容器內(nèi)的溫度及壓力進(jìn)行冗余保護(hù)。系統(tǒng)正常工作時，手動系統(tǒng)與機(jī)械自動系統(tǒng)關(guān)閉，電動系統(tǒng)保證容器內(nèi)的壓力安全，當(dāng)電動系統(tǒng)失效時，啟用手動系統(tǒng)，當(dāng)手動系統(tǒng)失效時，最后啟用機(jī)械自動系統(tǒng)，三重系統(tǒng)共同保護(hù)容器內(nèi)壓力及溫度的安全[11-12]。

此外，聯(lián)動自鎖功能將所有系統(tǒng)及模塊(包括激光器，排氣系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)，加熱器及門)均相互關(guān)聯(lián)，任何一個設(shè)備出現(xiàn)問題均會使其他設(shè)備停止工作或進(jìn)入對人員和設(shè)備無害狀態(tài)。

3.2 觸摸屏組態(tài)監(jiān)控軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件

在WinCC環(huán)境下開發(fā)的觸摸屏組態(tài)軟件(見圖8)具有界面友好、容易操作、畫面狀態(tài)聯(lián)動等特點(diǎn)。操作人員能夠一目了然地了解測試過程中各個參數(shù)的實(shí)時狀態(tài)。同時，提供多種控制模式，硬件狀態(tài)檢測，初始化，報(bào)警記錄等功能[13]。

上位機(jī)監(jiān)控軟件(見圖9)與觸摸屏組態(tài)監(jiān)控軟件具有類似的功能，其在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)[14-15]，上位機(jī)通過RS-485或以太網(wǎng)口與系統(tǒng)集成控制模塊相連，直接對測試過程進(jìn)行操控。同時，提供更多的數(shù)據(jù)處理功能。

圖8 觸摸屏軟件界面

圖9 LabVIEW上位機(jī)軟件界面

4 結(jié) 語

本測試系統(tǒng)在模塊化、自動化及無人化理念的基礎(chǔ)上，將原有測試系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)行多模塊電氣劃分，系統(tǒng)集成控制模塊對其他模塊進(jìn)行統(tǒng)一集成管理，使系統(tǒng)電控結(jié)構(gòu)更簡明合理。以PLC為核心控制單元在PID閉環(huán)控制方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了測試環(huán)境參數(shù)的自動化控制，大大簡化了測試人員的手動工作量并提高了測試的效率。同時，加入實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備及人與設(shè)備之間的互鎖控制策略，保證人員和設(shè)備的安全，從而實(shí)現(xiàn)安防聯(lián)動的功能。同步開發(fā)的LabVIEW上位機(jī)控制軟件，為以后第三方電氣設(shè)備集成和系統(tǒng)功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。目前該系統(tǒng)在噴油器測試實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功應(yīng)用，并已推廣大多家整車企業(yè)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。