基于PLC的大功率噴油泵試驗臺控制系統(tǒng)的研制

姚 旺，崔成法，吳國安，王 韜

(湖北省機電研究設計院股份公司，湖北武漢430074)

噴油泵試驗臺主要用于噴油泵的制造及噴油泵的科研與檢測。該試驗臺工作可靠，控制精度高，是柴油機、汽車、拖拉機生產廠進行油泵調試的檢測設備，也是油泵維修行業(yè)的必備產品。

現(xiàn)在所使用的一般試驗臺主要為IPC控制系統(tǒng)，輸出功率為50KW以下，滿足不了大型油泵調試需求。我們研制的大功率試驗臺最大設計功率為90KW，配合相應聯(lián)軸器可實現(xiàn)最大負載扭矩1000Nm，并使用 PLC控制系統(tǒng)，降低硬件成本。HMI觸摸屏人機界面，使得操作人員更加方便操作，扭矩、速度等具體參數(shù)都可在HMI上實時監(jiān)控。

該大功率試驗臺可測試最大噴油泵缸數(shù)為12缸，變頻調速0～3000rpm，最大輸出扭矩700Nm，每個轉速點運行最大維持時間9999min。燃油溫度20～50℃可控，轉速測量精度±1rpm，油箱溫度測量精度0.1℃。

1 系統(tǒng)總體結構

噴油泵試驗臺控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、變頻器以及外圍相應的壓力傳感器、接近開關等元器件構成，其總體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

電氣控制采用了集中控制的方式，控制系統(tǒng)采用了西門子S7－200PLC，PLC自帶兩個串口接口，分別連接HMI觸摸屏(RS485)、Altivar71變頻器(MODBUS)。低壓元器件選擇施耐德系列產品。交流電機結構簡單、價格便宜、維護工作量?。?］，因此選擇90KW交流異步電機。使用觸摸屏簡化了人機界面，使用戶無需任何培訓就能使用計算機［2］。

圖1 電氣總體結構

2.1 供電

設備根據要求，設計為交流380V供電。同時，采用了交流220V轉直流24V的開關電源，為可編程控制器PLC、各類傳感器、各類電磁閥和HMI提供穩(wěn)定直流24V電源。

2.2 控制系統(tǒng)

設備的控制系統(tǒng)采用了當今工業(yè)控制最流行的PLC控制系統(tǒng)。相比原來的工控機系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)具有更加簡單、可靠和抗干擾能力強的優(yōu)勢，特別適合復雜和惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，同時，它采集各類傳感器信號的快速、及時的響應和各種負載完善的驅動，都能完全滿足本次設計和工藝的要求，在設備中起著“大腦”的作用。

2.3 信號采集與輸出控制

PLC控制系統(tǒng)通過采集各類傳感器信號，根據已編寫完成的程序自動控制執(zhí)行機構來達到自動運行的要求。同時，HMI－PLC－變頻器構成的“閉環(huán)”系統(tǒng)，能更方便、精確的控制整個設備。HMI輸入相應的參數(shù)與測試步驟之后，通過RS485串口傳輸給PLC之后，PLC經過數(shù)據處理，將處理好的信號通過MODBUS傳輸給變頻器、發(fā)送測試命令，測試過程以及測試結果又會在HMI上顯示出來，使得操作人員能夠對被測產品的各種信息實時把控。

2.4 分級控制

設備電控部分的主電路與輸出控制電路采用了分級控制，特別是在輸出控制電路中，PLC通過控制繼電器線圈的通斷電來間接控制電磁閥的動作，這樣既可避免因電磁閥的瞬間啟動而帶來的反向沖擊電流對PLC控制系統(tǒng)的損壞，同時也可為電磁閥等負載提供足夠大的驅動電流。分級控制使設備更具穩(wěn)定性，是設備規(guī)范化電氣設計的體現(xiàn)。電氣圖紙(局部)如圖2所示。

圖2 主電路

3 系統(tǒng)軟件設計

該設備的軟件主要由HMI程序與PLC程序構成。其中PLC程序主要包括:動作控制、模擬量采集處理、高轉速測試、變頻器通訊、設備報警、燃油液位溫度報警、機油液位溫度報警等。

3.1 模擬量干擾

90KW的變頻電機安裝在電氣板后，同時壓力傳感器與溫度傳感器都與電機距離較近。當大功率電機運行時，會對模擬量信號造成很大的干擾，通過使用屏蔽電纜以及合理布線，在硬件首先保證避免干擾，之后再在軟件上通過濾波、采樣取值等方法減少干擾。

3.2 計數(shù)測試

計數(shù)測試是電機帶動噴油泵在不同的轉速下，測量噴油泵工作指定圈數(shù)，每個噴油口輸出的燃油量。其中測試最高設計轉速達到了3000rpm。而該實驗臺使用PLC控制系統(tǒng)，因此程序存在運行周期。為達到精確精準的測量高轉速下噴油泵工作圈數(shù)，進行了以下兩點設計:

1.計數(shù)傳感器接入PLC高速輸入接口，并在PLC設置中打開高速通道。

2.在進行計數(shù)測試時，采用PLC內部中斷，讓PLC程序進入計數(shù)測試循環(huán)，減少PLC循環(huán)周期。S7－200可編程控制器具有最多可達34個中斷源，每個中斷源都分配一個編號識別［3］。

3.3 變頻器通訊

PLC與71變頻器通過MODBUS通訊。在正常循環(huán)下，設置定時器，使得PLC每隔0.5S讀取一次變頻器的設置轉速、當前轉速、扭矩等數(shù)值，通過人機界面HMI顯示。當需要修改參數(shù)時，通過人機界面輸入相對應參數(shù)值，按下確認按鍵，此時進入寫入中斷。當寫入完成時，變頻器反饋代碼，退出寫入中斷，再次進入正常循環(huán)，間隔讀取變頻器相關參數(shù)。

通訊協(xié)議如下:

1.讀取N個值，如圖3

圖3 讀取協(xié)議

2.寫入單個值，如圖4

圖4 寫入協(xié)議

4 測試流程

90KW實驗臺包含多種測試項目，如:定轉速測試、多轉速測試、波動轉速測試、計數(shù)測試。

4.1 定轉速測試

定轉速測試:變頻電機帶動噴油泵在恒定轉速下測試，通過HMI可查看當前轉速、當前扭矩、總測試時間與已測試時間。轉速、測試時間可在HMI上設置。其中測試時間要求至少24h，因此采用多重定時器來實現(xiàn)定時。

4.2 多轉速測試

多轉速測試:變頻電機帶動噴油泵在多轉速下測試，通過HMI可查看當前轉速、當前扭矩、總測試時間與已測試時間。轉速、測試時間可在HMI上設置。該測試需要設置6種不同的速度以及在該速度下的測試時間，然后按照1－2－3－4－5－6－5－4－3－2－1的測試順序進行測試。不同速度切換時，加速時間為5S固定值。

4.3 波動轉速測試

波動轉速測試:變頻電機帶動噴油泵在多轉速下測試，通過HMI可查看當前轉速、當前扭矩、總測試時間與已測試時間。轉速、測試時間可在HMI上設置。該測試需要設置2種不同的速度、切換時間以及總測試時間，然后按照1－2－1－2不停的循環(huán)進行測試。不同速度切換時，加速時間通過兩種速度的速度差與切換時間計算而來，因此整個測試過程的轉速如同正弦波曲線般變化。

4.4 計數(shù)測試

計數(shù)測試:變頻電機帶動噴油泵在不同轉速下測試，測量噴油泵工作指定圈數(shù)，每個噴油口輸出的燃油量。進入計數(shù)測試界面，當實際速度達到測試速度后，點擊HMI上計數(shù)啟動按鈕，當飛輪上計數(shù)開關第一次檢測到時，擋油板電磁閥動作，帶動擋油板收回，噴油泵的噴油口通過油管連接至油杯中，油杯漏下的油進入量杯。當計數(shù)到達設定次數(shù)加1時，計數(shù)停止，擋油板伸出，擋住油杯漏下的油。

5 操作界面

HMI觸摸屏操作界面包括:歡迎界面、主界面、參數(shù)設計界面、傳感器校訂界面和計數(shù)界面。以下為其中部分界面，如圖5、圖6。

圖5 歡迎界面

圖6 主界面

6 結束語

使用該系統(tǒng)研制的90KW大功率可靠性實驗臺已在南岳電控(衡陽)工業(yè)技術有限公司正常運行三年。實踐證明，該設備具有檢測精度高、功能多樣化、使用安全可靠等特點，充分滿足了用戶的要求。

［1］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊(第2版)［M］.機械工業(yè)出版社，2011:201－203.

［2］嚴盈富.觸摸屏與PLC入門［M］.人民郵電出版社，2007:2－3.

［3］廖常初.PLC編程及應用(第3版)［M］.機械工業(yè)出版社，2008:108－110.