黃軍壘，李國文，李月英，張 雷

（1，2.鄭州斯倍思機(jī)電有限公司 河南 鄭州 450007；3.鄭州科技學(xué)院 河南 鄭州 450007；4.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450007）

一、引言

汽車產(chǎn)業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要支撐作用。發(fā)動機(jī)作為汽車心臟，其質(zhì)量和可靠性對汽車安全、穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)油泵是燃油供給系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件［1-2]，主要作用是滿足發(fā)動機(jī)各種工況對燃油的要求，減少零件的摩擦磨損，使發(fā)動機(jī)得到可靠的潤滑，機(jī)油泵品質(zhì)直接影響發(fā)動機(jī)的工作性能和使用壽命。因此，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少故障率，迫切需要研制一套綜合測試系統(tǒng)對機(jī)油泵設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量分析和安全性能檢測。

機(jī)油泵質(zhì)量和性能分析是發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)評價中重要環(huán)節(jié)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（JB / T888 6-1999）所規(guī)定，需要對機(jī)油泵轉(zhuǎn)速特性、壓力特性、通用特性、限壓閥工作特性等6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，檢測工序多，數(shù)據(jù)處理量大，機(jī)油泵性能綜合測試是一項(xiàng)繁瑣、復(fù)雜任務(wù)。目前，國內(nèi)大多數(shù)車企業(yè)仍然沿用傳統(tǒng)人工和半自動化設(shè)備檢測［3-4]，整體設(shè)備測試精度差，檢測效率低下，靈活性不足，相對于國外先進(jìn)水平仍存在一定差距。

近些年，國內(nèi)高校和企業(yè)已經(jīng)逐步研發(fā)自動化測試裝置來實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵的各項(xiàng)性能評估。［5-6]但上述成果更多關(guān)注定排量發(fā)動機(jī)，而缺乏關(guān)于變排量發(fā)動機(jī)深入研究。事實(shí)上，隨著節(jié)能減排政策對汽車發(fā)動機(jī)能耗和控制水平提出更高要求，傳統(tǒng)定排量機(jī)油泵依據(jù)發(fā)動機(jī)的最大功率進(jìn)行排量，在發(fā)動機(jī)正常工況下，導(dǎo)致功率大量消耗和潤滑油浪費(fèi)。近些年，研究變量式機(jī)油泵成為發(fā)展必然選擇［7-9]，變量式機(jī)油泵能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)不同的運(yùn)行工況調(diào)整最佳的機(jī)油排量，降低發(fā)動機(jī)的能耗，減少環(huán)境污染，廣泛應(yīng)用于新型混合動力汽車中。因此，成為當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

綜上所述，本文研發(fā)一套變排量機(jī)油泵智能測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多特性性能測試。首先深入分析機(jī)油泵測試需求，然后建立一套基于工控機(jī)IPC、觸摸屏HMI、西門子PLC的控制系統(tǒng)方案。其次，通過理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)的對比，采用LabVIEW軟件進(jìn)行多點(diǎn)自動控制測量而采集的性能數(shù)據(jù)分析，由計(jì)算機(jī)輸出各種特性圖和分析結(jié)果?？捎糜谄嚈C(jī)油泵的綜合性能和可靠性進(jìn)行檢測和試驗(yàn)，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵壓力波動（脈動）、容積效率與總效率評估、消耗功率評估等有關(guān)機(jī)油泵多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的智能化和自動化測試。

二、變量式機(jī)油泵原理

變排量機(jī)油泵主要由泵體、電磁閥、定子、轉(zhuǎn)子等部分組成。變排量機(jī)油泵原理是根據(jù)發(fā)動機(jī)工況精確的控制機(jī)油泵的流量，變排量設(shè)計(jì)依據(jù)排量與轉(zhuǎn)子和定子之間偏心距的正比關(guān)系，通過控制機(jī)構(gòu)改變某些工況下偏心距，降低機(jī)油泵的驅(qū)動力，從而減小機(jī)油泵輸出流量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃油耗的降低。

在機(jī)油泵綜合測試系統(tǒng)中，流量、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等試驗(yàn)參數(shù)的檢測是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，是試驗(yàn)臺能否對機(jī)油泵性能進(jìn)行高精度檢測的關(guān)鍵。主要包括機(jī)油泵轉(zhuǎn)速特性、壓力特性、通用特性、限壓閥工作特性等，通過對型號試驗(yàn)項(xiàng)目獲取的測試數(shù)據(jù)，然后求取各項(xiàng)指標(biāo)，并獲取性能理論曲線。例如，對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)繪制流量-壓力特性曲線，不同壓力點(diǎn)繪制流量-轉(zhuǎn)速特性曲線以及壓力突變時限壓閥開啟的壓力值。

三、整體控制方案

（一）硬件方案

在仔細(xì)分析變量式機(jī)油泵測控系統(tǒng)功能需求基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一套基于工控機(jī)IPC、觸摸屏HMI、西門子PLC構(gòu)成的一體化智能測控系統(tǒng)，系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

圖1 機(jī)油泵智能測控系統(tǒng)整體方案

上位機(jī)中，首先采用底層PLC系統(tǒng)及時獲取生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于 LabVIEW 軟件平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析以及性能測試等功能，對機(jī)油泵測試臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理、操作。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，可根據(jù)需求靈活調(diào)整，包括友好的人機(jī)操作界面、性能曲線的繪制及報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)庫管理等功能。

同時，為滿足用戶便捷化操作需求，系統(tǒng)配備高清觸摸屏HMI，能夠?qū)崟r顯示動態(tài)曲線、顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，也可設(shè)定測試系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)交互。

底層采用基于PLC構(gòu)成先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)采集機(jī)油溫度、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，以及對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體控制。綜合考慮生產(chǎn)工藝復(fù)雜性、成本因素及兼容性等條件，本文采用SIMATIC的高性能S7-300系列產(chǎn)品，配以通信模塊、電源模塊、I/O模塊、A/D模塊和D/A模塊，其中模塊數(shù)目根據(jù)設(shè)備輸入輸出信號節(jié)點(diǎn)數(shù)目確定。系統(tǒng)主要分為以下三部分：

檢測系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的重要組成，該部分主要使用先進(jìn)傳感器采集關(guān)鍵工藝參數(shù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩、機(jī)油溫度和機(jī)油泵的進(jìn)出口壓力以及噴油量等。例如，機(jī)油溫度是關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，油溫測量精度為±1℃。因此，項(xiàng)目中選OMORN溫度控制器，檢測熱工信號以4～20mA電流送入PLC的模擬量。同時，在測試系統(tǒng)中也存在部分開關(guān)量輸入信號，例如電機(jī)起停、加熱管開啟狀態(tài)等。

控制系統(tǒng)是PLC系統(tǒng)核心，主要目的是實(shí)現(xiàn)油溫、壓力及轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制，例如轉(zhuǎn)速控制單元主要由伺服電機(jī)、變頻器和扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器組成，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測轉(zhuǎn)速反饋值，模擬機(jī)油泵實(shí)際運(yùn)行情況。

（二）硬件方案

系統(tǒng)測試平臺分為自動和手動模式，可通過預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行自動測試，也可利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作或現(xiàn)場觸摸屏手動調(diào)試。系統(tǒng)整體測試流程如圖2所示。

圖2 智能測控系統(tǒng)測試流程

測試臺通上電后，首先PLC及觸摸屏自動進(jìn)行參數(shù)初始化及故障診斷，判斷各元件是否能正常工作。其次，測試臺判斷計(jì)算機(jī)、觸摸屏及所有元件均能使用后，下一步，液壓電控元件動作（通斷/開度控制）調(diào)節(jié)油液流向及系統(tǒng)負(fù)載，PLC控制伺服驅(qū)動器使伺服電機(jī)動作，從輔助油箱內(nèi)吸取一定溫度的油液對管道進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后調(diào)解伺服電機(jī)速度和系統(tǒng)壓力，各傳感器采集對應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏和計(jì)算機(jī)中，并在計(jì)算機(jī)中利用組態(tài)軟件進(jìn)行制圖、制表等數(shù)據(jù)處理功能。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司研制的一種圖形化的編程語言，可作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化用戶界面開發(fā)、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號處理、控制與仿真、數(shù)據(jù)管理、記錄與報(bào)表生成等，功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)靈活，易于用戶根據(jù)項(xiàng)目需求建立基于虛擬儀器開發(fā)和測試平臺，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界應(yīng)用極其廣泛。同時，LabVIEW集成滿足VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信功能，高效便捷地實(shí)現(xiàn)與其他編程語言的交互設(shè)計(jì)，例如通過OPC或者DLL方式與Matlab或VC等程序語言混合編程，提高程序設(shè)計(jì)靈活性，豐富控制軟件功能。

因此，本文利用LabVIEW軟件研發(fā)一套智能測試系統(tǒng)，按照模塊化設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)包括登錄界面、工藝顯示、性能測試、數(shù)據(jù)管理、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)打印等模塊組成。其中，登錄界面能夠根據(jù)工程需要定義差異化用戶類型，賦予不同級別管理權(quán)限，一般分為客戶模式、操作員、管理員，客戶模式下只能調(diào)取曲線和數(shù)據(jù)顯示，而無法修改任意參數(shù)，相反操作員模式下，技術(shù)人員能夠根據(jù)需求修改工藝或控制參數(shù)，而管理員模式可修改底層程序代碼或者調(diào)整架構(gòu)。

工藝畫面是模擬整個測控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，圖3為基于LabVIEW的機(jī)油泵測控系統(tǒng)工藝圖，以可視化方式，直觀顯示工藝流程，便于工程人員及時掌握設(shè)備運(yùn)行信息。

圖3 機(jī)油泵測控系統(tǒng)工藝圖

機(jī)油泵性能測試模塊是控制軟件核心，包括測試類型選擇、參數(shù)修改等功能，試驗(yàn)類型包括油泵轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)、壓力特性試驗(yàn)、壓力波動（脈動）試驗(yàn)、黏度特性試驗(yàn)、通用特性試驗(yàn)、起動出油特性試驗(yàn)、限壓閥工作特性試驗(yàn)。參數(shù)選擇則包括試驗(yàn)編號、機(jī)油泵型號等，系統(tǒng)可預(yù)先存儲10種以上試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)，用戶輸入編號自動加載相關(guān)測控參數(shù)。

控制模塊主要顯示轉(zhuǎn)速、油溫、壓力等控制參數(shù)，技術(shù)人員可修改PID參數(shù)、控制器的工作模式、手動輸出等。歷史數(shù)據(jù)管理模塊主要建立轉(zhuǎn)速、油溫、油壓、流量等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，方便工程人員描繪歷史數(shù)據(jù)趨勢曲線，同時在深入分析工業(yè)歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提取有價值操作信息，改進(jìn)工藝參數(shù)。實(shí)時監(jiān)控模塊主要監(jiān)控測控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，立即彈出報(bào)警對話框，并在屏幕前端顯示故障類型、時間、當(dāng)前值等，并伴隨報(bào)警聲音，及時提醒工程人員消除故障。

為驗(yàn)證測控系統(tǒng)有效性，本文以湖南機(jī)油泵股份有限公司變排量機(jī)油泵為測試對象，選取5臺工裝樣件。根據(jù)JB / T 8886-1999《內(nèi)燃機(jī)機(jī)油泵試驗(yàn)方法》和JB / T51051-1999《內(nèi)燃機(jī)機(jī)油泵產(chǎn)品可靠性考核》，通過大量數(shù)據(jù)分析，建立油泵轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)、壓力特性試驗(yàn)、壓力波動（脈動）試驗(yàn)、黏度特性試驗(yàn)、通用特性試驗(yàn)、起動出油特性試驗(yàn)、限壓閥工作特性試驗(yàn)等測試數(shù)學(xué)模型，能夠有效檢測汽車油泵性能，產(chǎn)品性能合格。相對于傳統(tǒng)人工檢測，該系統(tǒng)檢測精度高，效率快，降低勞動強(qiáng)度，能夠滿足企業(yè)大規(guī)模批量化生產(chǎn)需求。該設(shè)備成功研發(fā)對于提高我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)實(shí)力，增強(qiáng)市場競爭力具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

五、結(jié)論

本文研發(fā)一套基于LabVIEW的變量式機(jī)油泵智能測控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對汽車機(jī)油泵綜合性能測試。其中底層采用PLC控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)智能檢測與穩(wěn)定控制，上位機(jī)中研發(fā)LabVIEW測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、智能決策、故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。應(yīng)用于國內(nèi)某油泵公司，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)能完成壓力、流量等特性綜合測試，檢測精度高、速度快，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在汽車領(lǐng)域具有廣闊市場前景。