基于微型工業(yè)電腦和PLC的EVP檢測系統(tǒng)開發(fā)

王純賢 王剛 朱威風 戴道成

摘要：針對某汽車電子企業(yè)現(xiàn)有EVP（EGR閥位置傳感器，EGR valve position sensor）手工檢測勞動強度大、操作過程繁瑣、檢測效率和精度低等問題，開發(fā)了以微型工業(yè)電腦為上位機、PLC為下位機的自動檢測系統(tǒng)，利用微型工業(yè)電腦實現(xiàn)參數(shù)設置、檢測數(shù)據(jù)的存儲、處理、統(tǒng)計分析和網(wǎng)絡化，利用PLC實現(xiàn)檢測設備的運動控制和數(shù)據(jù)采集，利用RS232串口實現(xiàn)上位機與下位機的通信。系統(tǒng)實際運行效果良好，滿足了自動檢測要求。

關(guān)鍵詞：EVP；自動檢測；微型工業(yè)電腦；PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)16-4000-04

Development of EVP Detection System Based on Industrial Microcomputer and PLC

WANG Chun-xian，WANG Gang，ZHU Wei-feng，DAI Dao-cheng

(School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract: By utilizing industrial microcomputer as host computer and PLC as lower computer, an EVP (EGR valve position sensor) auto matic detection equipment is developed to solve the problem of labor intensity, cumbersome operation, lower efficiency and accuracy with traditional EVP manual detection in an auto electric company. The industrial microcomputer is used for parameter setting, detection data storage and statistical analysis, networking. The PLC is used for motion control and data acquisition. RS 232 serial port is used for the com munication between the industrial microcomputer and PLC. The real equipment is developed using the technologies and methods ex pounded in the paper, and the operating results proved the effectiveness of those technologies and methods.

Key words: EVP; automatic detection; industrial microcomputer; PLC; control system

EVP是車輛EGR（排氣再循環(huán)，Exhaust Gas Recirculation）閥中極為關(guān)鍵的部件，其質(zhì)量和工作精度直接影響著EGR閥的工作能力。為了保證EGR閥的性能，滿足日益嚴格的排放標準，尤其是“歐Ⅳ”以及更高的排放標準，EGR閥位置傳感器出廠前必須進行嚴格的性能檢測。

傳統(tǒng)的EVP檢測工作由手工完成，操作流程繁瑣，檢測時每件產(chǎn)品的定位與夾緊都需要手工完成，檢測過程中需要不斷調(diào)整，每次都需要重新設定檢測軟件參數(shù)，不僅勞動強度大，而且檢測效率和檢測精度低。因此，迫切需要開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)EVP自動檢測的設備。為此，我們采用以微型工業(yè)電腦為上位機、PLC（可編程邏輯控制器，programmable logic controller）為下位機的控制結(jié)構(gòu)，開發(fā)了EVP自動檢測設備。該文從控制系統(tǒng)的硬件和軟件方面介紹主要的實現(xiàn)技術(shù)。

1 EVP自動檢測設備總體設計

1.1檢測任務分析

EVP是基于霍爾效應的磁場傳感器，通過霍爾元件在磁場中位置的變化產(chǎn)生不同的輸出電壓，各點電壓之間的比率值是反映傳感器靈敏度的重要指標。EVP結(jié)構(gòu)如圖1所示，草帽狀殼體1中部盲孔內(nèi)安裝有導柱6，其上部為四棱柱，頂面與殼體的盲孔間裝有兩個回拉彈簧4，下部為端部外伸的圓柱。與霍爾芯片相對應的磁鐵5鑲嵌在導柱6上部四棱柱的一個側(cè)面，表面為弧形，保證了其在移動時與霍爾芯片2的感應面能夠得到線性變化的磁場。線路板7為圓環(huán)狀，套裝在導柱6下部的圓柱上；霍爾芯片2通過直桿狀導體管腳焊接在線路板7上，當導柱6帶動磁鐵塊5上下移動使霍爾芯片2感應面的磁場發(fā)生線性變化時，霍爾芯片2輸出電壓也跟著發(fā)生線性變化，霍爾芯片2的輸出電壓經(jīng)過線路板電路處理，通過線路板7上的插座端子傳輸?shù)酵獠俊?/p>

工作時，安裝在EGR閥上的EVP通過導柱6的位移變化，將EGR閥的實際開度經(jīng)過霍爾芯片2轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并通過線路板7處理后傳遞給發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制器根據(jù)該信號實施控制，達到最佳EGR率，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。顯然，EVP電壓輸出信號的精確度，直接影響該閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作能力，因此出廠前需要進行檢測，主要檢測指標有：1）最大檢測點數(shù)為40，檢測點位置可根據(jù)需要設置；2）任一點輸入與輸出電壓比值；3）任意兩點間輸入/輸出電壓比值的斜率。

1.2檢測設備整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)檢測要求，自動檢測系統(tǒng)采用了圖2所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由機架、傳動系統(tǒng)、夾具和控制系統(tǒng)組成。機架包括電器柜、氣缸固定支架和傳動機構(gòu)支架；傳動系統(tǒng)由步進電機、絲杠、螺母及導軌組成，通過絲杠螺母將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測棒的直線運動。

1殼體2霍爾芯片3端子插針4回拉彈簧5磁鐵塊6導柱7線路板8后蓋

圖1 EVP結(jié)構(gòu)示意圖

1-氣缸固定支架2-接線端子3-下定位塊4-上定位塊5-導軌6-傳動機構(gòu)支架7-步進電機8-絲杠9-螺母10-檢測棒11-EVP 12-夾緊棒13-工作臺14-氣缸15-電器柜

圖2 EVP自動檢測設備結(jié)構(gòu)示意圖

EVP的夾緊由底部氣缸完成，氣缸上的磁性開關(guān)信號傳送給控制系統(tǒng)，作為是否能正常開始檢測和故障排除等操作的判斷信號；傳動機構(gòu)支架上裝有極限和原點兩個光電傳感器，前者用于避免電機移動距離超出安全范圍，后者用于調(diào)整電機原點與夾具基準面之間的距離。對于不同型號的EVP，通過易于更換的EVP夾具和檢測參數(shù)設置，實現(xiàn)設備的柔性化。

1.3控制系統(tǒng)的硬件設計

控制系統(tǒng)采用了以微型工業(yè)電腦為上位機、PLC為下位機的兩層模式（圖3）。利用微型工業(yè)電腦實現(xiàn)參數(shù)設置、檢測數(shù)據(jù)的存儲、處理、統(tǒng)計分析和網(wǎng)絡化，利用PLC實現(xiàn)檢測設備的運動控制和數(shù)據(jù)采集，利用RS232串口實現(xiàn)上位機與下位機的通信。

微型工業(yè)電腦采用研華PPC-L61T觸控式液晶屏微型工業(yè)電腦，它選用了低功耗的CPU，機身設計輕巧，不但提供了各種通訊接口（COM、USB）與儲存接口（HDD、CF card），而且提供了硬盤驅(qū)動模塊和無線網(wǎng)絡模塊，可以滿足客戶在不同工業(yè)環(huán)境上的需要。

根據(jù)設備底層控制要求，綜合考慮性能、I/O點數(shù)、可靠性和成本等因素，選用歐姆龍公司的CPM2A-20CDT-D PLC和MAD11模擬量模塊。該PLC有12個輸入點，8個輸出點，且為輸入輸出一體化結(jié)構(gòu)，安裝和調(diào)試較方便。MAD11有2個模擬量輸入，實現(xiàn)EVP輸入和輸出電壓的數(shù)據(jù)采集。

2控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1系統(tǒng)軟件整體設計

控制系統(tǒng)軟件包括下位機控制程序和上位機監(jiān)控與管理程序，控制流程如圖4所示。根據(jù)程序模塊化設計思想，下位機程序分為系統(tǒng)初始化（電機回原點）、電機參數(shù)設置、EVP燒錄、手動檢測、自動檢測和氣缸控制六個子程序，上位機程序分為自動操作、手動操作、參數(shù)設置、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)幫助五個功能模塊（圖5）。下面簡要介紹上位機自動操作和統(tǒng)計分析模塊的開發(fā)。

2.2自動操作模塊設計

自動操作模塊是系統(tǒng)的主要功能模塊（圖6），其任務一是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)設置數(shù)據(jù)，對下位機發(fā)送控制指令，下位機根據(jù)該指令控制步進電機的運動和模擬量模塊的EVP輸入/輸出電壓數(shù)據(jù)采集，二是讀取下位機PLC和模擬量模塊的輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)PLC的輸出數(shù)據(jù)判斷當前設備的工作狀態(tài)，同時將模擬量模塊的輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到每一檢測點的EVP實際電壓比率值，并通過計算得到電壓比率斜率，判斷是否合格，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入檢測數(shù)據(jù)庫。

圖6自動操作模塊界面2.3統(tǒng)計分析模塊設計

統(tǒng)計分析模塊是通過隨機抽取檢測數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析，并以此作為判定EVP檢測精度和設備過程能力的重要依據(jù)。具體實現(xiàn)是通過調(diào)用MINITAB統(tǒng)計分析軟件[4]，對隨機抽取的一組檢測電壓值數(shù)據(jù)和電壓比率值進行分析，得到檢測數(shù)據(jù)的直方圖、排列圖、因果圖、相關(guān)圖、控制圖等分析圖。這里以靈敏度Xbar-R控制圖（圖7）和過程能力統(tǒng)計分析圖（圖8）說明EVP檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

圖7在樣本均數(shù)對樣本中，中心線是2.78814，上可信限（UCL）是2.79639，下可信限（LCL）是2.77990，表明這是一個穩(wěn)定的過程；在樣本極差對樣本中，中心線是0.01429，上可信限（UCL）是0.03022，下可信限（LCL）是0，表明用戶的過程可能沒有超過變異性。圖8的過程能力分析中，正態(tài)曲線基本覆蓋了直方圖，滿足服從正態(tài)近似正態(tài)分布條件，Cpk指數(shù)=0.86，顯示過程能力低，但滿足實際要求值0.72，Ppk指數(shù)=0.78，大于實際要求值0.61。

3結(jié)束語

EVP自動檢測設備采用微型工業(yè)電腦與PLC相結(jié)合的方式實現(xiàn)了EVP的自動檢測，解決了傳統(tǒng)手工檢測勞動強度大、檢測效率和精度低等問題。在工廠實際檢測運行結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅極大地降低了操作人員的勞動強度，而且提高了檢測精度和效率，同時通過檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，為提高產(chǎn)品工藝質(zhì)量和設備的過程能力提供了可靠依據(jù)。

參考文獻：

[1]馬西秦.自動檢測技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[2]曾文武,鄒志明.傳感器在現(xiàn)代汽車上的應用與發(fā)展[J].宜春學院學報,2009,31（2）:48-49.

[3]方錫邦，周守元，周革.非接觸式廢氣再循環(huán)閥位置傳感器[P].中國：201010189330.1，2010.10.20

[4]洪楠,侯軍.MINITAB統(tǒng)計分析教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]王純賢,李祥,魏亞孰,等.基于微型工業(yè)電腦的設備柔性化改造[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（8）：2000-2003.

[6]何默為,劉永賢.上位機與PLC遠程通信實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集研究[J].機械與電子，2007（4）：49-52.