基于ＰＬＣ的電控發(fā)動機教學(xué)實驗臺設(shè)計

摘要 介紹基于PLC技術(shù)，使電控發(fā)動機教學(xué)實驗臺實現(xiàn)故障設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等功能的方法。

關(guān)鍵詞 PLC；LabVIEW；虛擬儀器；電控發(fā)動機；實驗臺

中圖分類號 G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）10-0070-03

Design of Electronic Control Engine’s Lab Equipment Based on PLC//Chen Ning

Abstract The paper mainly expounds the methods that electronic control engine’s lab equipment achieve setting fault and data acquisition based on PLC technic.

Key words Programmable Logic Controller（PLC）；LabVIEW；Virtual Instrument；Electronic Control Engine；lab equipment

Author’s address Zhejiang Institute of Mechanical Electrical Engineering，Hangzhou，310053

我國政府分別于1994年頒布《汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》和2004年頒布《汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》以來，汽車產(chǎn)業(yè)快速成長為國民經(jīng)濟(jì)四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。2006年我國汽車產(chǎn)量為728萬輛，超過德國而居世界第三位，汽車銷量為721.6萬輛，超過日本而居世界第二位，我國的汽車工業(yè)即便在全球范圍也具有舉足輕重的地位。

快速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)引發(fā)了高技能、高素質(zhì)的從業(yè)人員的供需矛盾。矛盾的解決之道，一方面需要各類教育培訓(xùn)機構(gòu)加強汽車行業(yè)人才的培養(yǎng)；另一方面實驗實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備必須緊跟汽車技術(shù)發(fā)展的潮流，才能滿足汽車技術(shù)，尤其是汽車電子技術(shù)日新月異發(fā)展的狀況。但是早期的汽車電控系統(tǒng)教學(xué)設(shè)備，往往采用按鍵開關(guān)，只能對汽車電路進(jìn)行斷路、開路設(shè)置，故障點和故障類型設(shè)置單一，也難以模擬復(fù)雜的汽車電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流信息。近年來，隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了由計算機系統(tǒng)主導(dǎo)，進(jìn)行故障設(shè)置、教學(xué)和考核的汽車電控系統(tǒng)教學(xué)實驗臺，借助計算機平臺無論是故障設(shè)置的復(fù)雜程度、仿真程度都得到極大的提高。但是，這類教學(xué)實驗臺必須解決計算機發(fā)出故障設(shè)置指令，直至執(zhí)行部件產(chǎn)生動作設(shè)置故障成功的問題，用以代替、提升傳統(tǒng)的按鍵開關(guān)設(shè)置故障的模式。

現(xiàn)在控制領(lǐng)域主要采用單片機和PLC作為控制設(shè)備。其中，單片機是一種芯片，配合外圍電路來現(xiàn)實所需要的各種功能，大都用匯編語言、C語言等來開發(fā)嵌入式軟件。PLC是一種可編程的控制器，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件，易于使用，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其成本也迅速降低。綜合考慮，采用PLC來實現(xiàn)本文的功能更具優(yōu)勢。同時，基于PLC技術(shù)設(shè)計的電控發(fā)動機實驗臺對其他汽車電控系統(tǒng)的教學(xué)實驗臺極具借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文中的控制是與測量緊密結(jié)合的，實現(xiàn)邊采集邊控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

系統(tǒng)可以采用NI公司的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡為核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。為了防止現(xiàn)場信號受外界的影響，所以在送入A/D前應(yīng)進(jìn)行信號調(diào)理，包括放大、濾波、隔離、保持等。

控制單元以PLC為核心構(gòu)成；上位監(jiān)控可采用LabVIEW，充分利用其強大的虛擬儀表功能、豐富的圖形界面模塊、數(shù)值分析、數(shù)字信號處理等功能。PLC與PC機通過串行連接將實現(xiàn)上位機對PLC的控制，其系統(tǒng)框圖見圖2。

其中，PLC選擇三菱FX系列PLC，串口功能選擇MAXIM的MAX232芯片實現(xiàn)。

控制環(huán)節(jié)流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集子程序始終工作，不斷測量電路中各端子在某一時刻t的電壓參數(shù)Ut。

故障設(shè)置子程序根據(jù)故障設(shè)置的內(nèi)容，調(diào)用故障模式，其內(nèi)容包括故障設(shè)置部位，如是空氣流量傳感器還是節(jié)氣門位置傳感器等；還包括故障性質(zhì)，如是短路還是斷路等；還包括此故障模式下電路端子應(yīng)該出現(xiàn)的故障電壓數(shù)據(jù)值Uk。最后，向PLC發(fā)出控制指令。

系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定和收斂的控制準(zhǔn)則可以表達(dá)為：

ΔU=|ut-uk|≤γ

以ΔU來判斷故障設(shè)置是否有效。其

中γ是一個預(yù)先設(shè)置值，根據(jù)一定的算法和多次試驗得到。其值過大，會導(dǎo)致精度過低，產(chǎn)生偽故障；其值過小，會導(dǎo)致故障設(shè)置進(jìn)入多次循環(huán)。

2 PLC的工作模式

FX系列PLC通信采用異步格式，由1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗位及1位停止位組成，比特率為9 600bps，字符為ASCⅡ碼，數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

FX系列PLC有4條通信命令，分別是讀命令、寫命令、強制通命令、強制斷命令，如表1所示。

計算機向PLC發(fā)送的報文格式如圖5。其中，STX為開始標(biāo)志：02H；ETX為結(jié)束標(biāo)志：03H；CMD為命令的ASCⅡ碼；SUMH、SUML為按字節(jié)求累加和，溢出不計。由于每字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)變?yōu)閮勺止?jié)的ASCⅡ碼，故校驗和為SUMH與SUML。

PLC向PC發(fā)的應(yīng)答報文格式如圖6所示。

PC與FX系列PLC間采用應(yīng)答方式通信，傳輸出錯，則組織重發(fā)。PLC根據(jù)PC的命令，在每個循環(huán)掃描結(jié)束處的END語句后組織自動應(yīng)答，不必在PLC一方編寫程序。其傳輸過程如圖7所示。

3 PLC與LabVIEW的串行通信

由于FX系列PLC只有PTS422和RS485的串行通信接口，所以與PC機進(jìn)行串口通信時要接一個RS232與PTS422（或RS485）的轉(zhuǎn)換電纜，完成通信的硬件連接。

用PC機的RS-232接口與PLC通信，需要對PLC一些參數(shù)進(jìn)行配置。采用FX系列PLC的默認(rèn)設(shè)置為，啟動位：1位；數(shù)據(jù)長度：7位；停止位：2位；奇偶校驗：偶校驗；波特率：9 600 b/s。

通信格式設(shè)置完之后，PC機開始向PLC傳送數(shù)據(jù)。其過程如圖8所示。

1）通信開始先由PC機向PLC發(fā)出呼叫，由于是一對一的呼叫，不需要地址碼；

2）PLC接受到呼叫信號后，以相應(yīng)的字符發(fā)送應(yīng)答信號；

3）PC機收到正確的應(yīng)答信號后，將數(shù)據(jù)傳送給PLC；

4）PLC接收到數(shù)據(jù)后，以相應(yīng)的字符發(fā)送結(jié)束信號；

5）PC機收到結(jié)束信號后停止傳送數(shù)據(jù)，通信結(jié)束。

在LabVIEW的程序中可采用下列步驟實現(xiàn)與PLC之間的通訊：

1）初始化串口，設(shè)置雙方通訊的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等，與PLC的設(shè)置相同；

2）把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按PIE命令幀的格式打包；

3）寫端口，把整個命令幀發(fā)送到串口；

4）延時等待PIE的應(yīng)答幀到達(dá)串口；

5）讀串口，讀取PLC的應(yīng)答幀；

6）把讀取的應(yīng)答幀解包，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

LabVIEW與PLC的通訊過程中，上位機的命令幀格式如圖9所示。

其中@表示一幀的開始，上位機按“節(jié)點號”來識別PLC；識別碼是兩個字符的上位機命令代碼，它表示上位機要對PLC進(jìn)行何種操作；正文包括起始字和字?jǐn)?shù)，起始字指的是要讀寫通道的起始地址，字?jǐn)?shù)是指要讀寫的通道個數(shù)；FCS碼（兩個字符）用于校驗，由上位機計算并設(shè)置在命令幀里，安排在終止符前，以檢查在傳送數(shù)據(jù)時是否發(fā)生錯誤。FCS碼的具體算法是：從一幀數(shù)據(jù)的開始到幀正文結(jié)束（FCS之前）所有數(shù)據(jù)字符ASCII碼執(zhí)行“異或”操作的結(jié)果，此結(jié)果是一個8位二進(jìn)制數(shù)，然后分別把其高4位和低4位轉(zhuǎn)換成兩個16進(jìn)制數(shù)表示的ASCII碼；終止符是“*”。

同理，PLC在接收命令幀后要返回相應(yīng)的應(yīng)答幀，其格式就是在識別碼的后面加一個結(jié)束碼，結(jié)束碼表示返回給PLC的錯誤代碼，如果正確為00H，其他為不同的錯誤代碼。

LabVIEW與PLC串行通信的VI程序面板如圖10所示。

4 結(jié)論

基于PLC技術(shù)所實現(xiàn)的電控發(fā)動機教學(xué)實驗臺，具有開發(fā)周期短、功能強的優(yōu)點，借助強大的計算機平臺與虛擬儀器技術(shù)支持，很好地解決了故障設(shè)置的問題。故障的類型與復(fù)雜程度可以高度吻合實際的發(fā)動機電控系統(tǒng)故障情況。并且，可以與教學(xué)、考核等其他計算機所實現(xiàn)的功能很好地協(xié)調(diào)工作。

基于本文電控發(fā)動機教學(xué)實驗臺，已經(jīng)陸續(xù)研制了10余臺，在汽車技術(shù)人才的培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。