婁建民，盧洪泉，臧運(yùn)剛，王冬艷，宮茂云

(哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

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基于VB與PLC的汽車起動機(jī)耐久性試驗(yàn)方法

婁建民，盧洪泉，臧運(yùn)剛，王冬艷，宮茂云

(哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

為了實(shí)現(xiàn)對汽車起動機(jī)耐久性的考核，提出一種基于VB與PLC的測控方法：通過梯形圖對PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使PLC對起動機(jī)耐久性試驗(yàn)工況進(jìn)行循環(huán)控制；運(yùn)用Basic語言編寫計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)監(jiān)控軟件，通過PPI協(xié)議及RS485分別與PLC和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，最后達(dá)到自動控制汽車起動機(jī)耐久試驗(yàn)的整個過程。試驗(yàn)考核結(jié)果表明，該試驗(yàn)考核控制方法能準(zhǔn)確反映起動機(jī)在整車上的耐久性。

起動機(jī);耐久性;自動化控制

0 引言

起動機(jī)是汽車的起動系統(tǒng)中除了蓄電池和點(diǎn)火開關(guān)以外最重要的部件，如果它出現(xiàn)起動失敗故障將直接導(dǎo)致汽車拋錨無法行駛，所以整車制造廠對起動機(jī)的使用壽命檢測非常重視。使用壽命的質(zhì)量檢測不能使用目測等手段進(jìn)行，需要特殊的耐久性試驗(yàn)裝置。一般情況下起動機(jī)的設(shè)計(jì)壽命和發(fā)動機(jī)基本一致，都在10年左右，真實(shí)地考核起動機(jī)在整車上的耐久性就顯得尤為重要，因此汽車和起動機(jī)的制造廠商都將耐久性測試當(dāng)作批產(chǎn)檢驗(yàn)的重要依據(jù)。

要實(shí)現(xiàn)起動機(jī)耐久考核的自動化控制和數(shù)據(jù)采集以及試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，需要穩(wěn)定可靠的測控系統(tǒng)來完成。目前對于起動機(jī)耐久考核的研究主要集中在模擬發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，而對于在真實(shí)的發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行起動機(jī)耐久考核的研究很少涉及。例如，管功湖等[1]基于PLC的汽車起動機(jī)耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)也是依托模擬發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺，無法真實(shí)反映發(fā)動機(jī)在整車上起動的表現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)論稍有不足。

如何能夠如實(shí)反映起動機(jī)在發(fā)動機(jī)上的耐久性，并記錄起動成功或失敗的次數(shù)，同時還要監(jiān)測發(fā)動機(jī)的狀態(tài)變化，作者運(yùn)用Basic語言編寫監(jiān)控軟件和PLC進(jìn)行信息交互，利用PLC的運(yùn)行可靠、開發(fā)周期短等特點(diǎn)兼顧VB作為上位機(jī)界面靈活多變、代碼編寫快捷等優(yōu)勢，同時應(yīng)用數(shù)據(jù)采集模塊來監(jiān)控發(fā)動機(jī)的狀態(tài)參數(shù)確保發(fā)動機(jī)無故障運(yùn)行[3]，最終通過實(shí)際在發(fā)動機(jī)上的試驗(yàn)考核驗(yàn)證了此種方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了起動機(jī)在真實(shí)的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的耐久考核的自動化測量。

1 汽油機(jī)用起動機(jī)耐久考核

1.1 耐久考核的方法

依據(jù)國家在汽車領(lǐng)域?qū)ζ饎訖C(jī)耐久考核所執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 731-2005中規(guī)定汽油發(fā)動機(jī)所使用的起動機(jī)可以在真實(shí)的發(fā)動機(jī)臺架或模擬試驗(yàn)臺上進(jìn)行35 000次耐久考核，如果在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行測試，那么試驗(yàn)工況則按圖1所示的試驗(yàn)周期進(jìn)行。

圖1 一次起動耐久考核試驗(yàn)周期

圖中t1為死起動時間，1 s；t2為發(fā)動機(jī)與起動機(jī)運(yùn)行時間，8 s；t3為點(diǎn)火電關(guān)閉發(fā)動機(jī)利用慣性直至停機(jī)的時間，22 s；n1為發(fā)動機(jī)被起動機(jī)拖動的轉(zhuǎn)速(不點(diǎn)火)；n2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(900±100)r/min(起動機(jī)斷電)；n3為發(fā)動機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速。

汽油機(jī)用起動機(jī)耐久考核的原理是：在發(fā)動機(jī)上先將起動機(jī)安裝好后，再把發(fā)動機(jī)固定在臺架的移動支腿上，連接好線束、ECU、供油、供電(伏安特性與蓄電池一致的模擬電源)、尾氣排風(fēng)、冷卻水循環(huán)。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號通過飛輪盤上的測速齒圈由安裝在假變速箱上的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行采集，利用PLC判斷發(fā)動機(jī)是否啟動并將轉(zhuǎn)速信號、起動成功次數(shù)、起動失敗次數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端的上位機(jī)。發(fā)動機(jī)的狀態(tài)則是由壓力傳感器監(jiān)測機(jī)油壓力和燃油壓力、電壓傳感器監(jiān)測系統(tǒng)電壓、溫度傳感器監(jiān)控起動機(jī)外殼溫度獲得，防止長時間起動導(dǎo)致線圈燒毀。根據(jù)各個傳感器監(jiān)測的參數(shù)，上位機(jī)判斷是否執(zhí)行相關(guān)報(bào)警或處理命令。

1.2 耐久考核測控系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)執(zhí)行部分和監(jiān)測部分的組成如圖2所示

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)硬件主要包括發(fā)動機(jī)及其附件、各種傳感器、S7-200 PLC、數(shù)據(jù)采集模塊及計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)，可依據(jù)各個模塊的功能和用途進(jìn)行選擇。

1.2.1 發(fā)動機(jī)及其附件

發(fā)動機(jī)是直列4缸四沖程、排量為1.5 L的汽油機(jī)，在起動機(jī)耐久考核過程中，也是在此工況下對發(fā)動機(jī)進(jìn)行耐久測試。其附件ECU為國內(nèi)知名電噴匹配廠家開發(fā)的發(fā)動機(jī)電子控制器，不同型號的發(fā)動機(jī)需要與之匹配的ECU才能正常工作，燃油泵為最大1 MPa供油壓力源。

1.2.2 傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器則選用比較普遍的霍爾式，一般需求直流電壓在4.5～24 V之間，響應(yīng)頻率可以達(dá)到100 kHz。將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在發(fā)動機(jī)測速齒圈上方(2±1) mm處。壓力傳感器為應(yīng)變片式，精度為±0.2%FS，量程為0～1 MPa。溫度傳感器選用貼片形式的熱電阻，在0和100 ℃時最大的允許偏差分別為±0.15 ℃和±0.35 ℃。選擇精度為±0.2%FS的電壓傳感器，其量程為0～15 V。

1.2.3 PLC下位機(jī)

選用西門子S7-200型的PLC作為起動機(jī)耐久考核工況的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出為繼電器形式，可靠性好、接線方便快捷、可以使用多種通信形式與上位機(jī)進(jìn)行信息交互。在采集轉(zhuǎn)速信號時，I0.0口作為高速計(jì)數(shù)器使用時其脈沖輸入頻率可以達(dá)到30 kHz。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用臺灣泓格科技公司生產(chǎn)的ICP_CON 7017，具備INIT開關(guān)使初始化模式更加容易，24位的ADC保障了高精度的采樣，同時具有軟件校準(zhǔn)功能并提供8個通道的模擬量輸入，不同類型的信號可以單獨(dú)接入。

對耐久考核測控設(shè)備的組件依據(jù)相關(guān)的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝和調(diào)試。

2 起動機(jī)耐久試驗(yàn)工況控制和監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC下位機(jī)對試驗(yàn)工況的控制

假設(shè)一個起動周期為T總，起始點(diǎn)為點(diǎn)火電接通時刻，經(jīng)過TS-ON后接通起動機(jī)勵磁；在起動過程中,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于nS時關(guān)閉起動機(jī)勵磁，勵磁接通時間為TS-OFF(當(dāng)達(dá)到一定時間TF后發(fā)動機(jī)仍然不啟動將關(guān)閉起動機(jī)勵磁視為起動失敗)；經(jīng)過TE-ON后點(diǎn)火電斷開發(fā)動機(jī)熄火停止，再經(jīng)過TE-OFF后發(fā)動機(jī)重新接通點(diǎn)火電，至此一個起動循環(huán)結(jié)束。PLC程序的時序圖如圖3所示。

圖3 PLC對試驗(yàn)工況控制程序的時序圖

2.2 PLC及數(shù)據(jù)采集模塊的I/O分配

S7-200 PLC的I/O分配如表1所列。將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的電源線與開關(guān)電源連接，再將信號線與高速計(jì)數(shù)器的I0.0連接，調(diào)整好傳感器探測端的距離， PLC的I0.0的指示燈會有顯示提示。當(dāng)考核試驗(yàn)完成時需要對I0.3輸入高電平使內(nèi)部C0、C1計(jì)數(shù)器清0，C0和C1分別為起動成功次數(shù)和失敗次數(shù)。由于發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火電和起動機(jī)的勵磁在起動發(fā)動機(jī)的時候電流會很大，所以PLC的輸出端Q0.0和Q0.1直接控制繼電器從而間接控制點(diǎn)火電和起動機(jī)。

表1 S7-200 PLC的I/O分配

ICP_CON 7017的I/O分配如表2所示。該數(shù)采模塊有8個通道，均為模擬量輸入。

表2 ICP_CON 7017的I/O分配

2.3 PLC下位機(jī)對轉(zhuǎn)速的采集

2.3.1 高速計(jì)數(shù)器HSC0的定義

在采集轉(zhuǎn)速時只需要單相計(jì)數(shù)，所以作者定義高速計(jì)數(shù)器為模式0，將HSC0的控制字節(jié)SMB37賦值16#C8，啟用高速計(jì)數(shù)器，更新初始值為0、設(shè)定計(jì)數(shù)方式為普通計(jì)數(shù)，如圖4所示，并使用SM0.1初始化高速計(jì)數(shù)器，將輸入端口I0.0定義為轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖輸入端，再將HDEF指令中HSC賦值0，就完成了高速計(jì)數(shù)器的定義。

圖4 高速計(jì)數(shù)器HSC0的定義

2.3.2 定時中斷的定義

為了保證發(fā)動機(jī)所測轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性及實(shí)時性，按照一定的時間間隔采集高速輸入脈沖。程序中作者選用定時中斷0每隔100 ms更新高速輸入脈沖值HC0，并在中斷程序中應(yīng)用該數(shù)值運(yùn)算得到高速輸入脈沖頻率，中斷事件(EVNT)10通過指令A(yù)TCH和中斷程序INT_0建立連接。

3 VB與下位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

3.1 S7-200通信協(xié)議

在系統(tǒng)通信中，VB與PLC之間的通信依靠USB/PPI線纜。在VB與PLC之間進(jìn)行信息交互時，雙方需要建立一個協(xié)議來控制或讀取PLC中的變量。S7-200中提供一種安全可靠的PPI協(xié)議供上位機(jī)使用，上位機(jī)可以作為主站發(fā)送請求給作為下位機(jī)的PLC，下位機(jī)收到請求便即刻發(fā)送返回值供主站確認(rèn)。PPI協(xié)議中的設(shè)備如果作為從站則不能發(fā)送請求給主站設(shè)備，所以只要用VB進(jìn)行相應(yīng)的編程即可實(shí)現(xiàn)對PLC的控制，下位機(jī)S7-200的程序不用進(jìn)行任何除工程以外的編輯。

以下是使用PPI通信協(xié)議發(fā)送或返回報(bào)文的步驟：

(1)向PLC發(fā)送讀寫命令請求的數(shù)據(jù)格式如下：

SD LE LER SD DA SA FC DASP SSAP DU FCS ED

其中：SD的數(shù)據(jù)格式為68H，定義為開始定界符；LE為發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)長度，從DA到DU的數(shù)據(jù)總長度；LER為再次確認(rèn)發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)長度；SD為數(shù)據(jù)格式為68H；DA為上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的串口地址，定義為目標(biāo)地址；SA為下位機(jī) PLC的地址，定義為源地址；FC為功能碼格式，為6CH時為讀數(shù)據(jù)，為7CH時則為寫數(shù)據(jù)；DSAP為目的服務(wù)存取點(diǎn)；SSAP為源服務(wù)存取點(diǎn)；DU為PLC數(shù)據(jù)變量的地址單元；FCS為發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，取DA到DU數(shù)據(jù)末字節(jié)值進(jìn)行和校驗(yàn)；ED的數(shù)據(jù)格式為16H，定義為結(jié)束分界符。

(2)如果下位機(jī)PLC收到上述請求命令后，經(jīng)過和校驗(yàn)正確，即可返回E5H告知上位機(jī)，下位機(jī)已收到讀寫命令。

(3)上位機(jī)收到E5H后發(fā)送如下數(shù)據(jù)讓PLC執(zhí)行讀寫命令：

SD SA DA FC FCS ED

其中：SD的數(shù)據(jù)格式為10H，定義為起始符；SA為下位機(jī) PLC的地址，定義為源地址；DA為上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的串口地址，定義為目標(biāo)地址；FC此時的數(shù)據(jù)格式為5CH，定義為確認(rèn)命令功能碼；FCS為發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)SA、DA、FC的和的末字節(jié)；ED數(shù)據(jù)格式為16H，定義為結(jié)束符。

按照上述收發(fā)兩次數(shù)據(jù)(十六進(jìn)制形式)就進(jìn)行了一次數(shù)據(jù)的讀或者寫操作。

3.2 VB與PLC通信接口的實(shí)現(xiàn)

VB與PLC通過PPI協(xié)議通信時，計(jì)算機(jī)端要提供相應(yīng)的通信軟件。VB的串行通信一般有兩種方式：一種是使用WIN32 API函數(shù)進(jìn)行通信，但是代碼編寫復(fù)雜，調(diào)試周期較長；另一種是由VB自帶的MSComm控件進(jìn)行通信，此方法代碼編寫工作量少、調(diào)試簡單。因此選取MSComm控件與PLC進(jìn)行PPI通信。在串口通信設(shè)計(jì)中，利用定時器控制計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)送請求命令及確認(rèn)命令，利用事件觸發(fā)來處理PLC返回的數(shù)據(jù)。這種方法在數(shù)據(jù)采集時能夠可控定時操作，實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果的穩(wěn)定采集，既提升了數(shù)據(jù)在采集過程中的準(zhǔn)確性，又能通過信息窗口顯示PLC返回的數(shù)據(jù)。

VB在與PLC進(jìn)行PPI通信時，需要在窗口加載串口并初始化，然后進(jìn)行VB與PLC命令讀寫的實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時處理。

3.2.1 VB串口設(shè)備的打開和初始化

VB與PLC通信和與數(shù)據(jù)采集模塊通信分別使用不同的MSComm控件，在窗口加載過程中打開兩個通信端口，在控件的屬性或者程序中設(shè)置輸入輸出緩沖區(qū)的大小、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)。

3.2.2 VB與PLC發(fā)送和返回命令的實(shí)現(xiàn)

VB與PLC的通信流程如圖5所示，串口打開并初始化完成后，VB發(fā)送讀寫請求的報(bào)文，PLC返回E5H作為應(yīng)答響應(yīng)，VB接到應(yīng)答響應(yīng)后發(fā)送如下指令10 02 5C 5E 16，此時PLC將返回?cái)?shù)據(jù)給VB做相關(guān)處理。

圖5 VB與PLC通信流程

3.2.3 數(shù)據(jù)實(shí)時處理

VB獲取PLC返回?cái)?shù)據(jù)的方式為事件觸發(fā)，如果串口接收緩沖區(qū)開始接收數(shù)據(jù)并達(dá)到控件預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)個數(shù)時，系統(tǒng)立刻對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)提取、運(yùn)算處理，如果接收的數(shù)據(jù)只有一個字符，則需要在字符前補(bǔ)“0”，最后補(bǔ)空格。

3.3 VB與數(shù)據(jù)采集模塊通信的實(shí)現(xiàn)

VB與ICP_CON 7017模塊的信息交互通過USB轉(zhuǎn)485接口連接，該模塊有兩種通信協(xié)議：一種是Modbus RTU協(xié)議，另外一種為DCON協(xié)議。Modbus RTU協(xié)議代碼復(fù)雜，因此選用報(bào)文格式簡單的DCON協(xié)議。該協(xié)議的數(shù)據(jù)幀分為指令幀格式(見表3)和響應(yīng)幀格式，響應(yīng)幀格式分為正常響應(yīng)幀(見表4)和錯誤響應(yīng)幀(見表5)兩種方式。

表3 指令幀格式

表4 正常響應(yīng)幀格式

表5 錯誤響應(yīng)幀格式

表中：“#”、“＄”、“～”、“>”、“！”和“？”為始端標(biāo)識代碼，標(biāo)記該幀為何種類型，其中“#”、“＄”和“～”代表指令幀，“>”和“！”代表正常響應(yīng)幀，“？”代表錯誤響應(yīng)幀；地址為指令接收方的站號；“CHKSUM”為指令的校驗(yàn)和，由兩位十六進(jìn)制數(shù)組成，校驗(yàn)和的初值為“0”，之后由起始標(biāo)識符與此幀報(bào)文中的字節(jié)逐一進(jìn)行異或運(yùn)算得到最終結(jié)果。

3.4 VB上位機(jī)界面功能

為了方便對試驗(yàn)結(jié)果及過程進(jìn)行監(jiān)控，需要開發(fā)上位機(jī)人機(jī)操作界面，利用VB中的工具，對界面進(jìn)行編輯和繪制。界面中需要有起動機(jī)主要參數(shù)的曲線監(jiān)測、PLC下位機(jī)的控制、起動機(jī)耐久考核的次數(shù)(包括成功和失敗的次數(shù))以及發(fā)動機(jī)狀態(tài)的報(bào)警設(shè)置等主要功能區(qū)域。

4 試驗(yàn)測試案例

利用起動機(jī)耐久試驗(yàn)考核裝置對重慶華川電裝生產(chǎn)的起動機(jī)進(jìn)行測試。起動機(jī)線圈外殼選取溫度監(jiān)控測點(diǎn)(位置點(diǎn)A)采用風(fēng)機(jī)吹拂保持線圈外殼溫度45 ℃以下，現(xiàn)場測試情況如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)測試現(xiàn)場

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定中：起動機(jī)耐久性測試進(jìn)行20 000次成功次數(shù)達(dá)到100%；起動機(jī)線圈溫度始終低于45 ℃。經(jīng)過實(shí)踐證明，該起動機(jī)耐久性考核裝置可靠性強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好。

5 結(jié)束語

通過對汽油機(jī)起動機(jī)耐久考核的過程進(jìn)行總結(jié)和分析，提出一種在發(fā)動機(jī)真實(shí)狀態(tài)下起動機(jī)耐久考核的方法。選擇了基于VB上位機(jī)、S7-700 型號的PLC和ICP_CON 7017數(shù)據(jù)采集模塊的自動化控制系統(tǒng)，利用LC梯形圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對起動機(jī)在發(fā)動機(jī)上耐久試驗(yàn)工況的控制，并利用VB與PLC穩(wěn)定、可靠的PPI通信設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了起動機(jī)耐久考核和相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。

為了保證發(fā)動機(jī)在長時間的起動過程中不出現(xiàn)故障，又增加了VB上位機(jī)與ICP_CON 7017數(shù)據(jù)采集模塊的通信程序設(shè)計(jì)，對發(fā)動機(jī)的機(jī)油壓力、燃油壓力和系統(tǒng)電壓等主要參數(shù)以及起動機(jī)的外殼溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，使得試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。通過汽油機(jī)用起動機(jī)的耐久考核試驗(yàn)，證實(shí)了基于VB與PLC的汽車起動機(jī)耐久性試驗(yàn)方法的合理性和實(shí)用性。

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Automobile Starter Durability Test Method Based on PLC and VB

LOU Jianmin，LU Hongquan，ZANG Yungang，WANG Dongyan，GONG Maoyun

(Harbin Dongan Auto Engine Co.,Ltd., Harbin Heilongjiang 150066,China)

To achieve automobile starter durability assessment, a monitoring and control method was proposed based on VB and PLC. Through the ladder diagram, PLC program was designed, so that the PLC could be used to realize loop control to the starter durability test conditions. The monitoring software of the upper computer was written by using Basic language, which was communicated with PLC and data acquisition module through PPI protocol and RS485,then automatic control to the whole process of automobile starter durability test was achieved. The assessment test results show that the control method can accurately reflect the durability of the starter in vehicle.

Automobile starter; Durability; Automatic control

2016-07-18

婁建民，學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)及零部件試驗(yàn)開發(fā)。E-mail：loujianmin@daae.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.007

U467.4+97

B

1674-1986(2016)11-031-05