基于PLC的汽車電子燃油泵性能檢測(cè)系統(tǒng)

山海峰，劉 涵，郭吉豐

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引 言

汽車燃油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油電子噴射供給系統(tǒng)中向噴油器按需、按量供給高壓燃油的關(guān)鍵零件［1］，其主要任務(wù)是供給燃油系統(tǒng)足夠的、具有特定壓力的燃油［2］。國(guó)內(nèi)汽車燃油泵多采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只需對(duì)燃油泵進(jìn)行測(cè)試即可，而無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)式燃油泵為新興燃油泵，內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)控制器，且為內(nèi)部灌膠封裝，一旦出現(xiàn)故障就只能報(bào)廢處理，且運(yùn)行在條件較為惡劣的燃油介質(zhì)中，其質(zhì)量的可靠性至關(guān)重要［3-4］。

目前，汽車燃油泵性能的測(cè)試方法主要有機(jī)械油液檢測(cè)法和真空度法［5-7］。油液法是以燃油泵實(shí)際工作燃油為基質(zhì)，通過(guò)測(cè)試臺(tái)模擬油泵工作環(huán)境，測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)，這種傳統(tǒng)的測(cè)試方法存在以下缺陷:所有開(kāi)關(guān)都需人工操作，耗費(fèi)時(shí)間多，測(cè)試效率低;測(cè)試結(jié)果全由人工肉眼讀數(shù)與判斷，存在一定的讀數(shù)誤差，且由于燃油泵的種類繁多，規(guī)格參數(shù)各異，人工判斷其合格與否工作量太大，容易出錯(cuò)。而真空度法則是以氣體為介質(zhì)代替了傳統(tǒng)的油液，是一種比較可靠的氣路檢測(cè)方法，其原理是利用燃油泵在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下引起泵內(nèi)的氣壓變化，用負(fù)壓傳感器來(lái)測(cè)量燃油泵進(jìn)油口處真空度的大小，但燃油泵正常運(yùn)行時(shí)燃油是電機(jī)冷卻的介質(zhì)，故真空度法最大的缺點(diǎn)是燃油泵容易過(guò)熱損壞。因而，研發(fā)適合現(xiàn)代測(cè)試要求、靈活可靠的自動(dòng)化無(wú)刷式燃油泵測(cè)試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［8］。

本研究基于上述兩種方法的缺點(diǎn)，提出一種自動(dòng)化油液測(cè)試法，即以PLC為主控制器，外加多種測(cè)量傳感器、固定驅(qū)動(dòng)控制器的測(cè)試治具及人機(jī)交互操作界面，并利用上位機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄和質(zhì)量判斷，無(wú)需人工進(jìn)行判斷，完全實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。

1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

無(wú)刷式電子燃油泵主要由泵體、永磁電動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、安全閥、單向閥和外殼等部分組成［9］。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)泵體轉(zhuǎn)動(dòng)，燃油從吸油口吸入，流經(jīng)電動(dòng)燃油泵內(nèi)部，再?gòu)某鲇涂趬撼?，給發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)供油，單向閥起到給系統(tǒng)燃油升壓的作用［10-12］。燃油泵在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行好壞將直接影響著燃油泵整體的運(yùn)行效果，如驅(qū)動(dòng)控制器虛焊、短路，則可以根據(jù)運(yùn)行電流和電機(jī)工作速度加以判斷;燃油泵出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以根據(jù)流量和電流加以判斷等，故可以根據(jù)燃油泵在實(shí)際燃油中運(yùn)行情況來(lái)判斷燃油泵的性能好壞。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)功能分析

由于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)集電、液壓和機(jī)械為一體的綜合系統(tǒng)，彼此相互影響著，設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)這幾個(gè)方面都加以深入考慮。經(jīng)分析可知，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于:

(1)檢測(cè)傳感器的選擇，包括精度、應(yīng)用范圍;

(2)驅(qū)動(dòng)控制器可靠的與燃油泵連接;

(3)燃油泵運(yùn)行的油路設(shè)計(jì);

(4)測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)，以便操作方便;

(5)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性;

(6)系統(tǒng)的測(cè)試誤差及測(cè)試精度控制。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)框架圖如圖1所示，由分析可得，PLC為主控制器，實(shí)時(shí)對(duì)燃油泵運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)控制器工作電壓、工作電流、電機(jī)運(yùn)行速度、燃油泵出油壓力、噴油流量以及工作環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)以RS485方式傳送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)加以分析和處理，以便能保持或打印數(shù)據(jù);測(cè)試控制器用于控制測(cè)試治具，以實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)控制器的自動(dòng)切換，減少人工操作。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 驅(qū)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)及治具

無(wú)刷式燃油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器由于是與電機(jī)本體一體化安裝，整個(gè)泵機(jī)體積較小，功率密度較高，尺寸較小，本系統(tǒng)測(cè)試的驅(qū)動(dòng)控制器尺寸為33 mm×35 mm，鑒于如今PCB焊接工廠的固定焊接工藝要求為焊接寬度需大于50 mm，而且單塊驅(qū)動(dòng)控制器測(cè)試效率較低，操作較為麻煩，所以設(shè)計(jì)過(guò)程常對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的尺寸作一定的調(diào)整，將驅(qū)動(dòng)控制器板以10連裝的方式加工，不僅固定尺寸足夠，而且測(cè)試效率一次能提高10倍，既方便焊接，又提高測(cè)試效率。

驅(qū)動(dòng)控制器在實(shí)際使用過(guò)程中是與燃油泵直接焊接并灌膠塑封在燃油泵內(nèi)部，故在測(cè)試過(guò)程中需對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行無(wú)焊測(cè)試，利用機(jī)械裝置對(duì)其進(jìn)行固定并可靠連接。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試治具如圖2所示，治具主要完成對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的固定，以及利用探針對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部信號(hào)的測(cè)試;另外，治具內(nèi)部足夠的空間用于放置一些傳感器檢測(cè)處理電路，這既可縮短模擬信號(hào)的傳輸，提高系統(tǒng)測(cè)試的抗干擾性，同時(shí)又可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的整體連線，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制器測(cè)試治具

1.2.2 測(cè)試傳感器選型

驅(qū)動(dòng)控制器工作電壓為6 V～20 V，工作電流為5 A，最大電流為20 A，燃油泵正常工作壓力400 kPa，流量為120 L/H，并且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸容易收到干擾，故輸出信號(hào)方式采用電流環(huán)，部分傳感器的參數(shù)如表1所示，為了保證測(cè)試系統(tǒng)精度，系統(tǒng)傳感器精度均為0.5%左右。

表1 部分器件參數(shù)表

1.2.3 燃油泵油路設(shè)計(jì)

由于燃油泵需在循環(huán)液體環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)加負(fù)載運(yùn)行，系統(tǒng)需搭建一套能調(diào)節(jié)燃油壓力的油路循環(huán)模擬運(yùn)行裝置，燃油泵測(cè)試油路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 燃油泵測(cè)試油路系統(tǒng)

燃油從油箱經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)入泵機(jī)，在泵機(jī)出口處接有止回閥、泄壓閥及可調(diào)壓力閥。止回閥即為單向閥，主要作用是防止電機(jī)關(guān)閉時(shí)燃油回流;泄壓閥主要作用是限定系統(tǒng)最高工作壓力;可調(diào)壓力閥主要作用是調(diào)整燃油泵工作壓力。燃油經(jīng)過(guò)上述3個(gè)閥之后再回到油箱，在循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)燃油泵工作時(shí)的燃油壓力、流量及溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量;另外，為了延長(zhǎng)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試條件的良好控制，系統(tǒng)在油路循環(huán)中加有冷卻裝置，從而可以對(duì)燃油整體溫度進(jìn)行控制。

1.2.4 系統(tǒng)測(cè)試精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響測(cè)試精度的因數(shù)有很多，從實(shí)際測(cè)試情況中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，燃油溫度越來(lái)越高，燃油泵流量會(huì)有所下降，工作電流會(huì)有所上升;另外，由于測(cè)試系統(tǒng)工作電流較大，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)線路較多，難免會(huì)存在電壓線路衰減問(wèn)題;再者，燃油泵泵機(jī)隨著工作時(shí)間不同，泵機(jī)葉輪與本體磨損程度也不相同，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行也會(huì)有一定的影響。

系統(tǒng)有必要對(duì)上述這些因數(shù)加以控制以減小其影響，提高系統(tǒng)的精度。首先，系統(tǒng)中加入循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對(duì)燃油溫度進(jìn)行控制，以便在測(cè)試燃油泵的過(guò)程中，系統(tǒng)溫度能保持在一個(gè)相當(dāng)?shù)姆秶?，系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試;另外，測(cè)試過(guò)程中本研究對(duì)系統(tǒng)電機(jī)供電電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，以減少電壓衰減帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容:PLC軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。從前面的分析可以得知，系統(tǒng)主要需要資源如表2所示。

表2 系統(tǒng)信號(hào)資源

本研究選用西門(mén)子S7-200系列224XP CPU模塊為主控制器，其自身帶14個(gè)數(shù)字輸入，10個(gè)數(shù)字輸出，另外，選配2個(gè)模擬量EM231模塊以及電源模塊，操作屏則使用Smart700，其靈活的操作性使得其與PLC能夠?qū)崟r(shí)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試要求。

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件部分主要包括實(shí)時(shí)與觸摸屏及上位機(jī)電腦進(jìn)行通信兩部分工作，以便能實(shí)時(shí)顯示與記錄驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)。

PLC在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中需有兩種模式:一是單獨(dú)調(diào)試模式，即單獨(dú)測(cè)試某塊驅(qū)動(dòng)控制器的性能;另一個(gè)是自動(dòng)測(cè)試模式，系統(tǒng)能按照設(shè)定的時(shí)間和次數(shù)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，PLC的系統(tǒng)控制主流程圖如圖4所示。

圖4 PLC主控制流程圖

系統(tǒng)的運(yùn)行方式依據(jù)模式的選擇，在自動(dòng)測(cè)試模式下，操作人員通過(guò)觸摸屏或上位機(jī)設(shè)定測(cè)試時(shí)間以及測(cè)試次數(shù)，程序自動(dòng)依次進(jìn)行多塊驅(qū)動(dòng)控制器的測(cè)量，同時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī);手動(dòng)測(cè)試模式則是對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試，操作人員可獨(dú)立地選擇任何一塊驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)兩種測(cè)試的流程圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)、手動(dòng)測(cè)試流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了便于分析與保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需利用上位機(jī)來(lái)處理數(shù)據(jù)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，且可能需要進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，故上位機(jī)常采用RS485方式與PLC進(jìn)行通信;另外，為確保通信的準(zhǔn)確性，上位機(jī)與PLC之間的通信還需按照一定的協(xié)議進(jìn)行。一部分上位機(jī)與PLC通信時(shí)設(shè)定的標(biāo)志符如表3所示，程序通過(guò)對(duì)這些標(biāo)志符進(jìn)行解析，使得PLC與上位機(jī)能夠正確的獲取信息并按照指定的命令進(jìn)行測(cè)試。

表3 通信標(biāo)志符

該系統(tǒng)利用Visual Basic 6.0進(jìn)行上位機(jī)測(cè)試軟件的編寫(xiě)。上位機(jī)可以設(shè)定測(cè)試次數(shù)以及單次測(cè)試時(shí)間，并對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，得出測(cè)試結(jié)果并加以存儲(chǔ)，另外，可根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)試報(bào)告的打印。在運(yùn)行的過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)試狀態(tài)，利于操作人員控制。

3 綜合實(shí)驗(yàn)與分析

該系統(tǒng)的測(cè)試燃油泵如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制器無(wú)焊接測(cè)試，測(cè)試燃油泵將電機(jī)UVW三相連接線引至泵機(jī)外部，電機(jī)額定工作電壓為12 V，額定轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，等效額定轉(zhuǎn)矩為35 mN，負(fù)載壓力400 kPa時(shí)，等效額定流量為120 L/h。

圖6 測(cè)試電機(jī)實(shí)物

測(cè)試時(shí)，測(cè)試電機(jī)通過(guò)測(cè)試治具連接到驅(qū)動(dòng)控制器上，并在如圖7所示控制柜的控制下自動(dòng)運(yùn)行。

利用上述裝置即可對(duì)不同燃油泵電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的燃油泵一些典型特定運(yùn)行情況如表4所示。首先是相同負(fù)載壓力、不同電壓下的工作;其次是相同電壓、不同壓力時(shí)的運(yùn)行，在工作負(fù)載壓力一定的情況下，燃油泵的流量隨著工作電壓的變化而變化，電壓流量曲線如圖8所示。從表4中可以看出，在電機(jī)額定電壓 12 V，壓力401.4 kPa 時(shí)，流量117.3 L/h，與額定工作點(diǎn)較為相近，精度為2.25%，基本可以達(dá)到性能判斷的要求，且在同等條件下，相互間比對(duì)更加有利于產(chǎn)品的一致性測(cè)試。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)表格中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)一些常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)控制器或燃油泵的質(zhì)量問(wèn)題，如驅(qū)動(dòng)控制器虛焊，導(dǎo)致電機(jī)缺相或者斷相，從而使得電機(jī)速度變小，電流變大;另外，同等電壓下，不同燃油泵泵流量、轉(zhuǎn)速不一致，可以判定出燃油泵內(nèi)部葉輪出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。

圖7 控制柜實(shí)物圖

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖8 電壓流量曲線

根據(jù)表4中幾個(gè)數(shù)據(jù)量，可以在上位機(jī)中建立起燃油泵工作時(shí)的各種關(guān)系對(duì)應(yīng)表，在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中上位機(jī)自動(dòng)對(duì)測(cè)試的燃油泵進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并判定燃油泵的性能以及驅(qū)動(dòng)控制器的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出的汽車無(wú)刷式燃油泵性能測(cè)試系統(tǒng)能夠方便地測(cè)試出燃油泵及其驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，以PLC、觸摸屏及上位機(jī)構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)具有操作方便，處理靈活等特點(diǎn)。實(shí)際使用結(jié)果表明，該測(cè)試方法操作比較簡(jiǎn)單、測(cè)試效率較高，相比人工讀表方式大大減少了測(cè)試過(guò)程中測(cè)試人員的工作量，能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中性能初步檢測(cè)的要求，為企業(yè)的高質(zhì)量生產(chǎn)帶來(lái)了一定的幫助。

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