基于PLC的渦輪增壓器試驗臺計算機測控系統(tǒng)研究

高崢嶸，張 力，路林吉

0 引言

渦輪增壓器利用內(nèi)燃機排氣能量推動渦輪做功，增大內(nèi)燃機進氣壓力，從而使內(nèi)燃機功率提高，燃油消耗率和排氣污染降低?？梢哉f，渦輪增壓器的應用，使內(nèi)燃機的性能得到了極大的改善。隨著計算流體力學的發(fā)展，可根據(jù)發(fā)動機的性能參數(shù)，設(shè)計出高性能的、與發(fā)動機相匹配的渦輪增壓器。但是，在渦輪增壓器開發(fā)過程中，必須經(jīng)過試驗錄取壓氣機和渦輪的性能數(shù)據(jù)，以便對設(shè)計進行修改，得到性能最佳的機型[i]。

1 車用渦輪增壓器試驗類型

渦輪增壓器試驗大約分為以下幾種類型：壓氣機性能試驗、渦輪性能試驗、接機性能試驗、增壓器與發(fā)動機匹配試驗。

壓氣機與渦輪性能試驗通常在增壓器部件設(shè)計之初或設(shè)計改進時進行，以檢驗壓氣機和渦輪各部件的設(shè)計水平；整機試驗的目的是檢驗壓氣機與渦輪的共同工作特性；增壓器與發(fā)動機匹配試驗在定型之前進行，主要檢驗增壓器與發(fā)動機的匹配情況.包括變幾何渦輪增壓器控制器的可靠性。一般情況.壓氣機性能試

驗與整機性能試驗常在同樣的試驗臺上進行，因為壓氣機需要動力帶動，渦輪正好起這個作用。在渦輪性能試驗中，常不帶壓氣機.采用測功器測量渦輪的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩。整機性能試驗同樣可單獨錄取壓氣機與渦輪的一些性能參數(shù)，諸如流量、壓比與效率等，同時還能錄取增壓器的共同工作特性。由于整機性能試驗可全面錄取壓氣機與渦輪的各種性能參數(shù)，而且還能考察增壓器的自循環(huán)工作特性，模擬增壓器與發(fā)動機聯(lián)合工作狀況，預先發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的一些問題。因此，整機試驗在增壓器開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中占有十分重要的作用，如圖1所示：

圖1 渦輪增壓器測控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

本文描述的渦輪增壓器測試臺是一整機試驗臺，主要實現(xiàn)的功能有：控制、測量、通訊、人機交互等。而且，基于數(shù)字顯示儀表和計算機組態(tài)軟件的發(fā)動機渦輪增壓器性能測試系統(tǒng)，融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易的特點。

2 試驗裝置

渦輪增壓器測控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，如圖2所示：

圖2 主回路圖

渦輪增壓器一端連接發(fā)動機排氣管，另一端連接進氣氣管。渦輪增壓器測控系統(tǒng)主要進行的是渦輪的測控和壓氣機的測控。發(fā)動機渦輪增壓器計算機測控系統(tǒng)主要用于對渦輪增壓器進行性能測試,它由三部分組成：

(1) 控制系統(tǒng)

對現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)進行操作與控制，包括電機、閥門、夾具、接頭等；

(2) 檢測與顯示

采用高精度傳感器與數(shù)字顯示儀表對增壓器的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行檢測與顯示；并具有報警輸出，通過控制系統(tǒng)控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。

(3) 計算機測試

現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)顯儀表的通信接口與計算機連接，將數(shù)據(jù)傳入計算機中，由計算機對數(shù)據(jù)進行記錄、儲存，形成實時報表和歷史報表，供查閱與打印。

3 測試參數(shù)

該系統(tǒng)測試的主要參數(shù)可分為以下幾種類型：

（1）壓力參數(shù)如壓氣機進出口壓力、渦輪進出口壓力、流量計前后壓差、潤滑油壓力、冷卻水壓力等。其中壓氣機進出口、渦輪進出口和流量計壓差等幾個壓力參數(shù)要直接參與增壓器的性能參數(shù)計算，所以要求測試的精度較高。

（2）溫度參數(shù)溫度參數(shù)主要有壓氣機進出口溫度、渦輪進出口溫度、流量計前溫度、潤滑油進出口溫度、冷卻水進出口溫度等。其中壓氣機進出口溫度、渦輪機進口溫度、流量計前溫度也是要直接參與增壓器性能參數(shù)的汁算，有較高的測量精度要求。

（3）轉(zhuǎn)速現(xiàn)有增壓器最高試驗轉(zhuǎn)速可達30000r／min以上，而且測試工況點都在規(guī)定的折合轉(zhuǎn)速下進行。由于試驗數(shù)據(jù)的測量點是在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的工況下測得的，所以壓氣機轉(zhuǎn)速的測量精度對壓氣機性能影響較大，因此對轉(zhuǎn)速測量要求有較高的精度和靈敏度。

（4）渦輪增壓器是一個高速運轉(zhuǎn)的部件，對其機組的振動要求也是一個重要參數(shù)，要求測量的是軸向和徑向振動加速度。同時還要測試渦輪增壓器的噪聲

（5）流量測試?？梢岳昧髁坑嫓y得的壓力及溫度值當作壓氣機進口的壓力和溫度，流量測試所得數(shù)據(jù)可用于壓氣機和增壓器性能的測算。

4 PLC電氣控制原理

PLC控制臺的主回路圖，如圖3所示：

圖3 PLC布置圖

引自供電為380V(50Hz,5Kw),直接控制葉片泵1、2；經(jīng)變壓后為220V連接電加熱器，并分別提供電腦柜供電電源、控制回路電源、質(zhì)量流量計1電源、質(zhì)量流量計2電源、備用電源1、備用電源2、盤內(nèi)插座電源、盤內(nèi)風機照明電源；另經(jīng)過隔離變壓器（如圖4-2 a所示）轉(zhuǎn)為24V直流電壓，并提供PLC模塊電源、DI電源、DO電源、AI電源、AO電源、儀表電源、條形碼閱讀電源、加速度傳感器電源、振動傳感器電源、路由器電源、備用電源、控制電源。（按工程需要，備用電源數(shù)約占總電源數(shù)的1/5）圖3為PLC的整體布置圖。如圖所示，CPU、工控機和條形碼閱讀器由路由器連接起來。其中CPU控制包括數(shù)字量輸入和輸出控制（即DI、DO）和模擬量輸入和輸出控制（即AI、AO）。

PLC系統(tǒng)將安裝在控制柜的電氣箱內(nèi)完成控制功能。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

根據(jù)增壓器的測試要求和現(xiàn)場的工況，測試系統(tǒng)除了控制、測量和通訊功能外，嗨具有以下功能：

(1) 人機交互

通過計算機軟件，可以實現(xiàn)：a.實時顯示增壓器試驗數(shù)據(jù)；b.記錄試驗數(shù)據(jù)，生成增壓器出廠原始記錄表；c.根據(jù)換算公式進行計算，生成相關(guān)報表；d.以增壓器型號和編號為文件名，保存上述報表。

(2) 測試系統(tǒng)

基于數(shù)字顯示儀表和計算機組態(tài)軟件的發(fā)動機渦輪增壓器性能測試系統(tǒng)，利用了數(shù)字顯示儀表抗干擾能力強，適用于工業(yè)現(xiàn)場的特點，又利用了組態(tài)軟件強大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力，融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易的特點。

6 結(jié)論

借鑒國內(nèi)外其它渦輪增壓器試驗臺的設(shè)計經(jīng)驗，建成了這個車用增壓器測試臺。該系統(tǒng)融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)，通過電氣控制系統(tǒng)來控制液壓系統(tǒng)，集成化、一體化的設(shè)計達到了小型化、設(shè)計簡化、安裝維護方便等目的，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、測試精度高，操作簡單、維護容易等特點。

[1]彭文.汽油機渦輪增壓器試驗臺技術(shù)的研究.[D]南京航空航天大學 2009

[2]鐘華貴.車用渦輪增壓器試驗臺與試驗技術(shù).[J]燃氣渦輪試驗與研究 2003(04):37-40

[3]THEODOSIOS K;KORKIANITIS T Turbo charger design effects on gasoline-engine [J]performance 2005(03)