基于PLC的電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

王文樂,劉文東,楊巍巍

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安 223005)

基于PLC的電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

王文樂,劉文東,楊巍巍

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安 223005)

根據(jù)電噴汽油發(fā)動機(jī)起動以及運行過程中的控制要求，結(jié)合信捷PLC控制技術(shù)對電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，同時采用西門子WinCC軟件作為人機(jī)交換界面，實時顯示發(fā)動機(jī)的運行狀態(tài)以及對控制參數(shù)的設(shè)置。借助于該控制系統(tǒng)可以分步演示發(fā)動機(jī)整個起動過程，還可以通過人機(jī)界面實時顯示出系統(tǒng)故障信息。改造后的實訓(xùn)臺已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)當(dāng)中，成為汽車專業(yè)教學(xué)一個重大的教改內(nèi)容。

電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺；PLC 控制；WinCC系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

根據(jù)各種數(shù)據(jù)分析顯示，現(xiàn)代汽車電子學(xué)和診斷技能將是未來維修工程師需要重點掌握的關(guān)鍵技能。在眾多的汽車維修廠里，核心人物就是掌握了先進(jìn)汽車電子診斷技能的人員[1]。發(fā)動機(jī)是汽車的整個動力來源，作為組成汽車整體的4大部分之一，掌握其電控技術(shù)原理、故障診斷以及排除技能無疑是當(dāng)前各職業(yè)院校汽車專業(yè)培養(yǎng)人才的“重中之重”[2]。在當(dāng)前形勢下，各職業(yè)院校都開設(shè)了“汽車發(fā)動機(jī)電控技術(shù)”作為專業(yè)核心課程，并且為了能夠更好地與實踐相結(jié)合，都紛紛購買了各種用于功能演示以及故障模擬的電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺充當(dāng)輔助教具，便于學(xué)生更好地理解與掌握。

然而為了節(jié)省改造成本、贏取更大的利潤，各種專門生產(chǎn)教學(xué)教具設(shè)備的公司一般都是直接購買價格比較便宜但是還能夠正常起動的舊汽油發(fā)動機(jī)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻新改造、更換部分傳感器之后，借助于ECU不易損壞的特性，仍多采用原車ECU通過各種繼電器觸點對發(fā)動機(jī)的整個起動以及運行過程進(jìn)行控制。職業(yè)院校購入的這種實訓(xùn)臺，最主要的功能是為學(xué)生進(jìn)行故障模擬以及排除方法演示。由于ECU內(nèi)部程序的不可見性以及其運行過程的不可中斷性，學(xué)生包括教師在內(nèi)也只能從發(fā)動機(jī)外部判斷發(fā)動機(jī)是運行還是靜止的狀態(tài)，而無法通過一定的手段直觀分步地看到其內(nèi)部的運行過程，不便于學(xué)生對其電控原理的學(xué)習(xí)與掌握。

針對以上問題，以電控發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺為研究對象，結(jié)合信捷PLC控制技術(shù)對其原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計了一套基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)。借助于PLC編程器的可中斷程序以及西門子WinCC的在線實時監(jiān)控功能，可以為學(xué)生直觀、分步、動態(tài)演示發(fā)動機(jī)起動的內(nèi)部運行過程，有助于學(xué)生更深層次地學(xué)習(xí)電控發(fā)動機(jī)的控制原理。

1 電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)的組成

改造后的電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)主要由執(zhí)行器、傳感器和作為控制單元的可編程控制器以及上位機(jī)人機(jī)界面組成[3]。各傳感器與執(zhí)行器分別通過航空插接器連接到PLC可編程邏輯控制器，最后通過RS232和RS485通信方式將可編程邏輯控制器分別連接于編程器和人機(jī)交互WinCC。其系統(tǒng)配置框圖如圖1所示。

信捷PLC采用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，指令功能強(qiáng)大、貼近用戶需求，在自動化技術(shù)中廣泛應(yīng)用。選用信捷PLC產(chǎn)品作為主要控制部件，可以充分體現(xiàn)出性價比的優(yōu)勢[4]。

圖1 電控發(fā)動機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此系統(tǒng)選用信捷XC3系列60點PLC，它有36個輸入點、24個輸出點，輸入類型采用PNP型晶體管，輸出類型為繼電器晶體管混合輸出，采用AC220V交流電作為PLC的供電電源，支持DC24V電源可外接擴(kuò)展模塊，另外可支持基本的邏輯控制和數(shù)據(jù)運算，并且具有支持高速計數(shù)、脈沖輸出、外部中斷、C語言編輯功能塊、I/O點的自由切換、自由格式通信、Modbus通信等功能。

結(jié)合項目控制要求，確定I/O點數(shù)和I/O點的類型(數(shù)字量、模擬量等)，并列出I/O 分配表。然后進(jìn)行內(nèi)存容量的估算，適當(dāng)留有余量。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，對于一般開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的容量等于I/O總數(shù)乘以8；對于只有模擬量輸入的控制系統(tǒng)，每路模擬量需要100個存儲器字；對于既有模擬量輸入又有模擬量輸出的控制系統(tǒng)，每路模擬量需要200個存儲器字[5]。

此實訓(xùn)臺控制系統(tǒng)由信捷XC-60(主PLC)、E4-D/A(數(shù)模擴(kuò)展模塊)、E8-A/D(模數(shù)擴(kuò)展模塊)等組成，其硬件配置以及I/O分配分別如表1和表2所示。

表1 PLC系統(tǒng)配置

表2 電噴發(fā)動機(jī)PLC控制設(shè)計I/O信號表

2 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計

在汽油發(fā)動機(jī)的起動過程中，燃油噴射、電子點火以及怠速控制作為電子控制系統(tǒng)的3大主要控制內(nèi)容，對于發(fā)動機(jī)是否能夠順利起動以及正常運行起到非常重要的作用。發(fā)動機(jī)的起動以及正常運行過程是一個需要多方面因素相互配合、相對復(fù)雜的控制過程。有的發(fā)動機(jī)即使能夠順利起動，運行一段時間之后，也會因為隨后噴油以及點火控制效果的不佳而引起怠速不穩(wěn)、抖動嚴(yán)重之類的故障，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)自動熄火的現(xiàn)象[6]。影響發(fā)動機(jī)正常起動以及運行的主要因素有噴油時刻、噴油脈寬、點火提前角等。此系統(tǒng)以噴油控制、點火控制、怠速控制、爆震控制、混合氣體濃度控制、溫度控制和基準(zhǔn)電壓控制共同構(gòu)成整個電噴發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)[7]。

電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺電控系統(tǒng)程序編制采用XC系列編程工具軟件，它是基于Windows的應(yīng)用軟件，可方便地對信捷PLC XC系列進(jìn)行編程、下載和監(jiān)控等操作，所用的設(shè)計以梯形邏輯圖編輯為主。

XC系列PLC可以采用梯形圖(LAD)和指令表(STL)兩種語言方式編寫程序。其中梯形圖與電器控制線路圖非常相似，其語言符號及規(guī)則符合電氣工程人員的讀圖及思維習(xí)慣，形象、直觀，受到很多電氣工程人員的青睞。而指令表則需要編程人員掌握一定的計算語言基礎(chǔ)。結(jié)合此課題的設(shè)計要求和編程人員邏輯思維習(xí)慣，采用梯形圖的編程方式，這樣也方便調(diào)試和監(jiān)控程序。

PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計主要分為點火控制、噴油控制、怠速控制3部分。編程軟件界面以及點火與噴油部分程序如圖2所示。

圖2 編程軟件界面及點火與噴油部分程序

3 人機(jī)界面設(shè)計

電噴發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計采用西門子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件，通過Modbus通信協(xié)議可方便地對信捷PLC XC系列進(jìn)行通信、下載和監(jiān)控等操作[8]。

在整個電控系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計中，WinCC主界面是整個電噴發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的總成，也是在整個控制過程當(dāng)中顯示頻率最高的，它包含有各個部分和各個參數(shù)。作者將整個系統(tǒng)監(jiān)控程序分為點火、燃油噴射、怠速控制3部分，并分別設(shè)有不同的分界面，且分界面與主界面可以自由地切換監(jiān)控。按下Start按鈕即可啟動發(fā)動機(jī)?？刂葡到y(tǒng)主界面如圖3所示。

利用WinCC主界面的在線監(jiān)測功能，可以隨時監(jiān)測到各個傳感器信號和電池電壓信號，并進(jìn)行故障預(yù)警。借助WinCC軟件的趨勢圖控件，可以將火花塞跳火電壓、噴油器電流等參數(shù)動態(tài)顯示，讀取實時波形并顯示數(shù)據(jù)流。

圖3 發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)主界面

4 結(jié)束語

結(jié)合PLC控制技術(shù)，對電控汽油發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺進(jìn)行基于PLC的控制系統(tǒng)改造設(shè)計，改造后的電噴發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺具有以下功能：

(1)借助于電控汽油發(fā)動機(jī)的PLC分步控制模式，可以演示汽油發(fā)動機(jī)起動的整個過程；

(2)利用人機(jī)交互WinCC監(jiān)控系統(tǒng)，可以觀測到系統(tǒng)中實時顯示的故障信息、數(shù)據(jù)流和波形。

此次改造設(shè)計通過維持原有ECU控制系統(tǒng)的完整性，在采用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)同樣功能的基礎(chǔ)上，將控制原理及過程更好地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，有利于教學(xué)。改造之后的實訓(xùn)臺既可以幫助學(xué)生理解實車發(fā)動機(jī)的控制過程，也能為學(xué)生展示不同的控制手段，有利于開拓學(xué)生的思路。此課題設(shè)計可以作為汽車專業(yè)教學(xué)一個重大的教改內(nèi)容。

【1】舒華,姚國平.汽車電子控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2009.

【2】張亞寧.電控發(fā)動機(jī)實訓(xùn)臺架的研究與開發(fā)[D].西安：長安大學(xué),2012.

【3】陳加國,周立,張書慧.汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)實訓(xùn)臺的研究與制作[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院報,2012,12(4):39-41. CHEN J G,ZHOU L,ZHANG S H.Research and Manufacturing of Training Platform of Auto Engine Electronic Control System[J].Journal of Nanjing Institute of Industry Technology,2012,12(4):39-41.

【4】蘇衛(wèi)峰,文武.基于MODBUS協(xié)議信捷PLC與上位機(jī)通信在化工吸附分離系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(6):68-69.

【5】呂桂志.基于信捷PLC對細(xì)石混凝土泵電氣系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù),2012(8):36-38. LYU G Z.Design of the Electrical System for Fine Aggregate Concrete Pump Based on “XINJE”PLC[J].Electronic Technology,2012(8):36-38.

【6】汪立亮,楊昌明,王國榮.汽車電控系統(tǒng)故障診斷檢修實例[M].北京：金盾出版社,2003.

【7】付百學(xué).汽車電子控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

【8】朱凌云,林琳.基于WINCC的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2010，29(5):49-53. ZHU L Y,LIN L.Design of Simulation Platform of PLC Control System Based on WINCC[J].Research and Exploration in Laboratory,2010,29(5):49-53.

Design of PLC Control System on EFI Engine Training Platform

WANG Wenle,LIU Wendong,YANG Weiwei

(Mechanical and Electronic Engineering Department, Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huaian Jiangsu 223005,China)

Based on some requirements during the process of EFI gasoline engine starting and running control, combined with the Xinjie PLC control technology, an EFI engine training platform was transformed. Siemens WinCC software was used as the man-machine interface of the exchange,to display the engine running state and the control parameter settings real-time. With the aid of this control system based on PLC, not only the whole starting process can be demonstrated step by step, but also the system fault information can be displayed in real time. Now the transformed training platform has been successfully applied to the teaching of automotive professional courses, by which students’ learning interest is improved greatly and good teaching results are achieved.

EFI engine training platform; PLC control ;WinCC system; System design

2016-09-26

王文樂(1981—)，女，博士,工程師，研究方向為汽車檢測與維修技術(shù)。E-mail:feixue0907@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.006

U472.9

B

1674-1986(2017)01-026-04