燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

摘 要：燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器三部分組成。硬件設(shè)計的重點包括控制器、傳感器和執(zhí)行器的選擇，以及信號調(diào)理電路、報警電路、鍵盤電路、顯示電路、執(zhí)行器驅(qū)動電路和電源電路等的設(shè)計。要求設(shè)計的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運行可靠。

關(guān)鍵詞：燃氣發(fā)動機，控制器，空燃比控制

引言

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，是煤礦的主要災源，也是一種清潔能源資源，若不加利用又是溫室氣體污染源。截至2020年末，累計探明地質(zhì)儲量9380億立方米，比“十二五”末增長71%。2020年，全國煤層氣供應(yīng)量78億立方米（含煤層氣區(qū)塊內(nèi)其他非常規(guī)天然氣），較2015年翻一番。

“十三五”期間，煤炭、煤層氣行業(yè)深入貫徹習近平總書記關(guān)于安全生產(chǎn)和能源發(fā)展重要指示批示精神，抓牢瓦斯抽采這一治本之策，堅持井下瓦斯抽采與地面煤層氣開發(fā)并舉，以用促抽、以抽保安，推動煤礦瓦斯防治水平跨越式提升，煤層氣成為常規(guī)天然氣供應(yīng)的有力補充，讓煤炭這個國家能源安全“壓艙石”的底盤更穩(wěn)，重點地區(qū)天然氣供應(yīng)保障的底氣更足。

1 控制器的選擇

煤層氣發(fā)動機的工作條件要求空燃比控制系統(tǒng)必須具有可靠性高、抗干擾強、響應(yīng)快、精度高等特點，同時各種信息的采集必須準確可靠。考慮到本系統(tǒng)的性能要求、輸入輸出的點數(shù)、性價比等，本設(shè)計選擇的控制器為西門子公司的S7-200系列的CPU224DC/DC/DC型可編程控制器。此外，還選擇了6個擴展模塊：兩個EM222數(shù)字量擴展模塊、兩個EM231模擬量擴展模塊和兩個EM231熱電偶擴展模塊。

西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。S7-200的可靠性高，可以用梯形圖、語句表（及指令表）和功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間。

S7-200有5種CPU模塊：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。本系統(tǒng)采用的是CPU224DC/DC/DC型PLC，其性能指標如表1所示[1]。

本系統(tǒng)所需參數(shù)較多，如發(fā)動機的運行參數(shù)：缸溫、排氣氧濃度、節(jié)氣門位置和轉(zhuǎn)速;煤層氣的壓力和甲烷濃度;空氣的壓力;空氣閥和燃氣閥的位置。這些參數(shù)均為非電量形式，不能直接輸入到可編程控制器（PLC）中處理。因此，需要傳感器將這些非電量轉(zhuǎn)換成電量。

2 步進電機及驅(qū)動器的選擇

2.1 5700系列混合式直線步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度;反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰;混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。本系統(tǒng)主要用步進電機控制燃氣閥和空氣閥的開度，要求精度高、體積小、轉(zhuǎn)矩大和響應(yīng)快。

2.2 M542驅(qū)動器

步進電動機需要配置一個專用的驅(qū)動器，驅(qū)動器的作用是讓電機的繞組按照特定的順序通電。步進電機與其驅(qū)動器是一個相互聯(lián)系的整體，步進電動機系統(tǒng)的運行性能是由步進電機和其驅(qū)動器共同決定的。本系統(tǒng)選用的是海頓直線電機（常州）有限公司的M5421型步進電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器適用于2相，4相混合式步進電機的驅(qū)動，采用了先進的雙極性直流斬波技術(shù)，具有輸出功率更高、速度更快、電流紋波小和電機熱少等特點。

3 硬件電路設(shè)計[2][3][6][7]

3.1 輸入信號調(diào)理電路

空氣壓力、燃氣壓力、燃氣甲烷濃度、燃氣閥開度、空氣閥開度、缸溫及排氣氧濃度等信號通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為標準量程的電流或電壓，如4～20mA或0～5V。PLC用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供CPU處理。

傳感器輸出的信號容易受到現(xiàn)場噪聲和震動等干擾信號，為了防止這些干擾信號影響測量和控制的精度，在信號調(diào)理電路中加入了RC濾波電路。圖1所示為空氣壓力信號的調(diào)理電路，其它各信號的調(diào)理電路除了輸入輸出端不同外，基本類似。

3.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量電路

發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量電路由轉(zhuǎn)速傳感器、施密特觸發(fā)器74LS14和光電耦合器4N25構(gòu)成，電路如圖2所示。轉(zhuǎn)速傳感器對發(fā)動機的飛輪齒數(shù)進行采集，輸出正弦波信號，該信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形變成方波信號，由光電耦合器送入PLC的I0.0，作為高速計數(shù)器的計數(shù)脈沖，以測出定長時間內(nèi)的脈沖數(shù)，然后計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。由于施密特觸發(fā)器的滯回特性對噪聲信號具有較高的抗干擾能力，并且經(jīng)過光電耦合器的隔離作用，因此該電路不僅簡單，而且抗干擾能力好。

3.3 步進電機驅(qū)動電路

步進電機驅(qū)動電路主要包括M542型步進電機驅(qū)動器和步進電機，其連接電路如圖3所示。PLC的輸出口Q0.0和Q0.2輸出的分別是燃氣閥步進電機的驅(qū)動脈沖和控制方向信號，輸入到M542型步進電機驅(qū)動器，經(jīng)過驅(qū)動器的細分、放大等處理過程，然后控制步進電機的動作。該電路由于采用了專用的步進電機驅(qū)動器，使得電路連接簡單可靠，驅(qū)動能力大大增加，抗干擾能力增強。空氣閥步進電機的驅(qū)動電路類似，僅PLC的輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

3.4 鍵盤電路

本系統(tǒng)共設(shè)置了關(guān)機、復位、燃氣閥開度增大調(diào)節(jié)、燃氣閥開度減小調(diào)節(jié)、空氣閥開度增大調(diào)節(jié)和空氣閥開度減小調(diào)節(jié)6個按鍵，圖4所示的鍵盤電路是關(guān)機信號的輸入電路，其它幾個鍵盤電路基本類似，只是輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

在按鍵的閉合與斷開瞬間均有一個抖動過程，由此會產(chǎn)生一系列的干擾脈沖，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，如何消除該干擾信號就成為了設(shè)計鍵盤電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用了施密特觸發(fā)器74LS14作為按鍵和PLC的接口電路，利用施密特觸發(fā)器的滯回特性來消除按鍵抖動過程中產(chǎn)生的干擾信號，收到了良好的效果，且電路簡單可靠。

3.5 報警電路

報警電路共設(shè)置了11個指示燈和1個蜂鳴器。當某個參數(shù)超過設(shè)定的限制值時，報警電路根據(jù)它對控制系統(tǒng)的影響程度分別予以聲光報警，以提醒工作人員注意并進行相應(yīng)的操作。各參數(shù)的報警情況如下：

（1）指示燈報警：燃氣壓力、8個缸的排氣溫度和關(guān)機信號僅采用指示燈報警。

（2）聲光報警：氧傳感器信號采用指示燈與蜂鳴器同時報警。

圖5為燃氣壓力報警信號的報警電路，主要由光電耦合器4N25和發(fā)光二極管組成。輸出口Q0.4的信號經(jīng)過光電耦合器4N25的濾波和隔離后控制發(fā)光二極管的亮滅。其它報警電路的設(shè)計基本類似，只是輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

3.6 顯示電路

顯示器作為人機接口的重要環(huán)節(jié)之一，近年來發(fā)展很快。目前，顯示器的種類有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、平板顯示器、陰極射線管和液晶顯示器等系列。本系統(tǒng)選用的數(shù)碼管來顯示所需觀測的數(shù)據(jù)。

為了便于監(jiān)控系統(tǒng)的運行，需要實時地顯示各參數(shù)的值，由于原機的顯示系統(tǒng)中對空氣壓力、燃氣壓力、排氣溫度已有顯示，而選用的甲烷傳感器對燃氣的濃度也有顯示，所以本系統(tǒng)中的顯示電路主要包括燃氣閥開度顯示電路和空氣閥開度顯示電路。

本系統(tǒng)的顯示電路選用智能型驅(qū)動芯片HD7279A來驅(qū)動數(shù)碼管。HD7279A是一片具有串行接口的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。其內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等;具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。

圖6所示的是燃氣閥開度顯示電路，PLC的Q3.0～Q3.3四路輸出信號輸入到HD7279A中，來驅(qū)動數(shù)碼管實時地顯示燃氣閥的開度。空氣閥開度顯示電路與圖6的輸入端不同，其它部分類似。

3.7 電源電路

控制系統(tǒng)需要的電源有+24VDC和+5VDC兩種。其中，+24VDC提供給PLC及其擴展模塊、步進電機驅(qū)動器和甲烷傳感器;+5VDC提供給一些外圍器件。為此，本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器TA7805F進行電壓轉(zhuǎn)換來得到所需要的+5VDC電源。

TA7805F具有以下特點：

（1） 可以為CMOS、TTL及其它IC電路提供電源;

（2） 內(nèi)部集成了過負載保護電路;

（3） 內(nèi)部具有限流保護電路;

（4） 最大輸出電流可達1A。

本系統(tǒng)的電源電路如圖7所示。圖中，C1和C2是旁路電容，起到抑制干擾的作用，而C3起到濾波的作用。由于TA7805F內(nèi)部是非線性器件，一定會出現(xiàn)諧波，所以在輸出端應(yīng)該對輸出信號進行濾波。

4 硬件抗干擾設(shè)計[4][5][8]

發(fā)電機組工作的環(huán)境比較惡劣，例如震動、電磁干擾和天氣等多種因素的干擾，使系統(tǒng)無法正常工作。為此，必須采取必要的措施來免除或減小這些因素的影響和損害，以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。本節(jié)主要在硬件的設(shè)計過程中從以下幾個方面采取措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

（1） 屏蔽技術(shù)

為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性，把本控制系統(tǒng)安裝在金屬材料制成的封閉機箱內(nèi)，利用金屬材料的屏蔽特性來屏蔽外部靜電和電磁輻射的干擾，同時降低本系統(tǒng)對發(fā)動機其它電子設(shè)備的干擾。同時，傳感器與控制器的連線采用屏蔽電纜，防止電磁輻射、噪聲等干擾信號通過連線進入電路。

（2） 輸入、輸出信號處理技術(shù)

電路中模擬量的采樣經(jīng)常受到工頻干擾，因此為了抑制高次諧波干擾，通常在采樣開關(guān)前加入一個時間常數(shù)T=RC的低通濾波器。

對于本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速輸入信號及脈沖輸出信號，可以通過隔離措施來切斷干擾通道，避免強電流對回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號時，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設(shè)備中。由于光電耦合器結(jié)構(gòu)簡單，因此可用于輸入、輸出隔離通道之中。

（3） PCB板設(shè)計技術(shù)

在繪制電路板時，布線是必須考慮的因素，布線應(yīng)做到一下幾點：

Ⅰ 電源線和地線盡可能粗一點，且電流流向與信號流向一致;

Ⅱ 電路板銅模線盡量使用45°折線;

Ⅲ 避免相鄰信號線的線間干擾和減少信號在傳輸導線上的延遲;

Ⅳ 模擬信號避開高頻、大電流器件，重要的模擬信號線采用地線包圍的辦法以減少電磁耦合;

Ⅴ 地線的布局與抗干擾能力有很大關(guān)系，電路板的四周和不走線的地方，覆蓋地線，以減小地線電阻，提高抗干擾能力。同時，使數(shù)字地、模擬地和機體分開。

5 結(jié)束語

根據(jù)煤層氣發(fā)動機的性能特點及運行狀況，設(shè)計以西門子的CPU224CN型可編程控制器作為控制系統(tǒng)的控制器，從全新的角度設(shè)計了一種實用可靠的燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)，該控制器具備硬件抗干擾措施。

燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，增加了能源供給，保護了生態(tài)環(huán)境，為進一步發(fā)展可再生能源積累一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者簡介：

張浴凱（出生年月：1981年10月20日）。性別：男。民族：漢。籍貫：廣東省汕頭市。職稱：中級機電工程師。學歷：本科。主要研究方向：機電工程

（廣東西電動力科技股份有限公司，廣東 汕頭 515071）