姚 旺，崔成法，吳國(guó)安，王 韜

(湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院股份公司，湖北武漢430074)

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)主要用于噴油泵的制造及噴油泵的科研與檢測(cè)。該試驗(yàn)臺(tái)工作可靠，控制精度高，是柴油機(jī)、汽車、拖拉機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行油泵調(diào)試的檢測(cè)設(shè)備，也是油泵維修行業(yè)的必備產(chǎn)品。

現(xiàn)在所使用的一般試驗(yàn)臺(tái)主要為IPC控制系統(tǒng)，輸出功率為50KW以下，滿足不了大型油泵調(diào)試需求。我們研制的大功率試驗(yàn)臺(tái)最大設(shè)計(jì)功率為90KW，配合相應(yīng)聯(lián)軸器可實(shí)現(xiàn)最大負(fù)載扭矩1000Nm，并使用 PLC控制系統(tǒng)，降低硬件成本。HMI觸摸屏人機(jī)界面，使得操作人員更加方便操作，扭矩、速度等具體參數(shù)都可在HMI上實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該大功率試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)試最大噴油泵缸數(shù)為12缸，變頻調(diào)速0～3000rpm，最大輸出扭矩700Nm，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)運(yùn)行最大維持時(shí)間9999min。燃油溫度20～50℃可控，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度±1rpm，油箱溫度測(cè)量精度0.1℃。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、變頻器以及外圍相應(yīng)的壓力傳感器、接近開關(guān)等元器件構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電氣控制采用了集中控制的方式，控制系統(tǒng)采用了西門子S7－200PLC，PLC自帶兩個(gè)串口接口，分別連接HMI觸摸屏(RS485)、Altivar71變頻器(MODBUS)。低壓元器件選擇施耐德系列產(chǎn)品。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)工作量?。?］，因此選擇90KW交流異步電機(jī)。使用觸摸屏簡(jiǎn)化了人機(jī)界面，使用戶無需任何培訓(xùn)就能使用計(jì)算機(jī)［2］。

圖1 電氣總體結(jié)構(gòu)

2.1 供電

設(shè)備根據(jù)要求，設(shè)計(jì)為交流380V供電。同時(shí)，采用了交流220V轉(zhuǎn)直流24V的開關(guān)電源，為可編程控制器PLC、各類傳感器、各類電磁閥和HMI提供穩(wěn)定直流24V電源。

2.2 控制系統(tǒng)

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用了當(dāng)今工業(yè)控制最流行的PLC控制系統(tǒng)。相比原來的工控機(jī)系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)具有更加簡(jiǎn)單、可靠和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，特別適合復(fù)雜和惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)，它采集各類傳感器信號(hào)的快速、及時(shí)的響應(yīng)和各種負(fù)載完善的驅(qū)動(dòng)，都能完全滿足本次設(shè)計(jì)和工藝的要求，在設(shè)備中起著“大腦”的作用。

2.3 信號(hào)采集與輸出控制

PLC控制系統(tǒng)通過采集各類傳感器信號(hào)，根據(jù)已編寫完成的程序自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行的要求。同時(shí)，HMI－PLC－變頻器構(gòu)成的“閉環(huán)”系統(tǒng)，能更方便、精確的控制整個(gè)設(shè)備。HMI輸入相應(yīng)的參數(shù)與測(cè)試步驟之后，通過RS485串口傳輸給PLC之后，PLC經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將處理好的信號(hào)通過MODBUS傳輸給變頻器、發(fā)送測(cè)試命令，測(cè)試過程以及測(cè)試結(jié)果又會(huì)在HMI上顯示出來，使得操作人員能夠?qū)Ρ粶y(cè)產(chǎn)品的各種信息實(shí)時(shí)把控。

2.4 分級(jí)控制

設(shè)備電控部分的主電路與輸出控制電路采用了分級(jí)控制，特別是在輸出控制電路中，PLC通過控制繼電器線圈的通斷電來間接控制電磁閥的動(dòng)作，這樣既可避免因電磁閥的瞬間啟動(dòng)而帶來的反向沖擊電流對(duì)PLC控制系統(tǒng)的損壞，同時(shí)也可為電磁閥等負(fù)載提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。分級(jí)控制使設(shè)備更具穩(wěn)定性，是設(shè)備規(guī)范化電氣設(shè)計(jì)的體現(xiàn)。電氣圖紙(局部)如圖2所示。

圖2 主電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)備的軟件主要由HMI程序與PLC程序構(gòu)成。其中PLC程序主要包括:動(dòng)作控制、模擬量采集處理、高轉(zhuǎn)速測(cè)試、變頻器通訊、設(shè)備報(bào)警、燃油液位溫度報(bào)警、機(jī)油液位溫度報(bào)警等。

3.1 模擬量干擾

90KW的變頻電機(jī)安裝在電氣板后，同時(shí)壓力傳感器與溫度傳感器都與電機(jī)距離較近。當(dāng)大功率電機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)模擬量信號(hào)造成很大的干擾，通過使用屏蔽電纜以及合理布線，在硬件首先保證避免干擾，之后再在軟件上通過濾波、采樣取值等方法減少干擾。

3.2 計(jì)數(shù)測(cè)試

計(jì)數(shù)測(cè)試是電機(jī)帶動(dòng)噴油泵在不同的轉(zhuǎn)速下，測(cè)量噴油泵工作指定圈數(shù)，每個(gè)噴油口輸出的燃油量。其中測(cè)試最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)到了3000rpm。而該實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用PLC控制系統(tǒng)，因此程序存在運(yùn)行周期。為達(dá)到精確精準(zhǔn)的測(cè)量高轉(zhuǎn)速下噴油泵工作圈數(shù)，進(jìn)行了以下兩點(diǎn)設(shè)計(jì):

1.計(jì)數(shù)傳感器接入PLC高速輸入接口，并在PLC設(shè)置中打開高速通道。

2.在進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)試時(shí)，采用PLC內(nèi)部中斷，讓PLC程序進(jìn)入計(jì)數(shù)測(cè)試循環(huán)，減少PLC循環(huán)周期。S7－200可編程控制器具有最多可達(dá)34個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源都分配一個(gè)編號(hào)識(shí)別［3］。

3.3 變頻器通訊

PLC與71變頻器通過MODBUS通訊。在正常循環(huán)下，設(shè)置定時(shí)器，使得PLC每隔0.5S讀取一次變頻器的設(shè)置轉(zhuǎn)速、當(dāng)前轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)值，通過人機(jī)界面HMI顯示。當(dāng)需要修改參數(shù)時(shí)，通過人機(jī)界面輸入相對(duì)應(yīng)參數(shù)值，按下確認(rèn)按鍵，此時(shí)進(jìn)入寫入中斷。當(dāng)寫入完成時(shí)，變頻器反饋代碼，退出寫入中斷，再次進(jìn)入正常循環(huán)，間隔讀取變頻器相關(guān)參數(shù)。

通訊協(xié)議如下:

1.讀取N個(gè)值，如圖3

圖3 讀取協(xié)議

2.寫入單個(gè)值，如圖4

圖4 寫入?yún)f(xié)議

4 測(cè)試流程

90KW實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含多種測(cè)試項(xiàng)目，如:定轉(zhuǎn)速測(cè)試、多轉(zhuǎn)速測(cè)試、波動(dòng)轉(zhuǎn)速測(cè)試、計(jì)數(shù)測(cè)試。

4.1 定轉(zhuǎn)速測(cè)試

定轉(zhuǎn)速測(cè)試:變頻電機(jī)帶動(dòng)噴油泵在恒定轉(zhuǎn)速下測(cè)試，通過HMI可查看當(dāng)前轉(zhuǎn)速、當(dāng)前扭矩、總測(cè)試時(shí)間與已測(cè)試時(shí)間。轉(zhuǎn)速、測(cè)試時(shí)間可在HMI上設(shè)置。其中測(cè)試時(shí)間要求至少24h，因此采用多重定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)定時(shí)。

4.2 多轉(zhuǎn)速測(cè)試

多轉(zhuǎn)速測(cè)試:變頻電機(jī)帶動(dòng)噴油泵在多轉(zhuǎn)速下測(cè)試，通過HMI可查看當(dāng)前轉(zhuǎn)速、當(dāng)前扭矩、總測(cè)試時(shí)間與已測(cè)試時(shí)間。轉(zhuǎn)速、測(cè)試時(shí)間可在HMI上設(shè)置。該測(cè)試需要設(shè)置6種不同的速度以及在該速度下的測(cè)試時(shí)間，然后按照1－2－3－4－5－6－5－4－3－2－1的測(cè)試順序進(jìn)行測(cè)試。不同速度切換時(shí)，加速時(shí)間為5S固定值。

4.3 波動(dòng)轉(zhuǎn)速測(cè)試

波動(dòng)轉(zhuǎn)速測(cè)試:變頻電機(jī)帶動(dòng)噴油泵在多轉(zhuǎn)速下測(cè)試，通過HMI可查看當(dāng)前轉(zhuǎn)速、當(dāng)前扭矩、總測(cè)試時(shí)間與已測(cè)試時(shí)間。轉(zhuǎn)速、測(cè)試時(shí)間可在HMI上設(shè)置。該測(cè)試需要設(shè)置2種不同的速度、切換時(shí)間以及總測(cè)試時(shí)間，然后按照1－2－1－2不停的循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。不同速度切換時(shí)，加速時(shí)間通過兩種速度的速度差與切換時(shí)間計(jì)算而來，因此整個(gè)測(cè)試過程的轉(zhuǎn)速如同正弦波曲線般變化。

4.4 計(jì)數(shù)測(cè)試

計(jì)數(shù)測(cè)試:變頻電機(jī)帶動(dòng)噴油泵在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試，測(cè)量噴油泵工作指定圈數(shù)，每個(gè)噴油口輸出的燃油量。進(jìn)入計(jì)數(shù)測(cè)試界面，當(dāng)實(shí)際速度達(dá)到測(cè)試速度后，點(diǎn)擊HMI上計(jì)數(shù)啟動(dòng)按鈕，當(dāng)飛輪上計(jì)數(shù)開關(guān)第一次檢測(cè)到時(shí)，擋油板電磁閥動(dòng)作，帶動(dòng)擋油板收回，噴油泵的噴油口通過油管連接至油杯中，油杯漏下的油進(jìn)入量杯。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)設(shè)定次數(shù)加1時(shí)，計(jì)數(shù)停止，擋油板伸出，擋住油杯漏下的油。

5 操作界面

HMI觸摸屏操作界面包括:歡迎界面、主界面、參數(shù)設(shè)計(jì)界面、傳感器校訂界面和計(jì)數(shù)界面。以下為其中部分界面，如圖5、圖6。

圖5 歡迎界面

圖6 主界面

6 結(jié)束語

使用該系統(tǒng)研制的90KW大功率可靠性實(shí)驗(yàn)臺(tái)已在南岳電控(衡陽)工業(yè)技術(shù)有限公司正常運(yùn)行三年。實(shí)踐證明，該設(shè)備具有檢測(cè)精度高、功能多樣化、使用安全可靠等特點(diǎn)，充分滿足了用戶的要求。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)(第2版)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2011:201－203.

［2］嚴(yán)盈富.觸摸屏與PLC入門［M］.人民郵電出版社，2007:2－3.

［3］廖常初.PLC編程及應(yīng)用(第3版)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2008:108－110.