基于LABVIEW的內(nèi)燃機氣道試驗臺測控系統(tǒng)上位機設(shè)計

麻春輝,張淑華

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

0 引言

內(nèi)燃機氣道試驗臺是測量內(nèi)燃機缸內(nèi)進氣速度和進氣阻力特性的試驗裝置，通過測量兩者參數(shù)來確定氣道結(jié)構(gòu)和尺寸的依據(jù)[1]。文中針對內(nèi)燃機氣道試驗臺開發(fā)出測控系統(tǒng)上位機，提供人機交互界面實現(xiàn)下位機數(shù)據(jù)的顯示、存儲等處理，并實現(xiàn)對氣門升程電機的控制。對下位機寄存器中傳感器的數(shù)值進行顯示和存儲，并向下位機發(fā)送氣門升程的數(shù)值。并能通過發(fā)送氣門升程參數(shù)，使氣門升程參數(shù)發(fā)生連續(xù)變化，工況穩(wěn)定后自動采集傳感器數(shù)據(jù)并記錄，實現(xiàn)自動連續(xù)測量。

1 氣道試驗臺簡介及測控系統(tǒng)組成

氣道試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，通過控制步進電機驅(qū)動絲杠進而調(diào)節(jié)氣門升程。測控系統(tǒng)如圖2所示，PLC連通上位機和傳感器、執(zhí)行器。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)示意

圖2 測控系統(tǒng)的組成

2 上位機與PLC的通訊協(xié)議

此試驗臺上位機控制程序采用LABVIEW編寫，該語言使用簡單，可以在多種操作系統(tǒng)下運行[2]；下位機PLC采用三菱FX1N-14MR，該型號自帶4AD(4～20 mA)、2DA(4～20 mA)轉(zhuǎn)換模塊，PC機與PLC通過系統(tǒng)自帶的RS232串口通訊。根據(jù)課題的要求，需要上位機開發(fā)一個串口軟件，實現(xiàn)上、下位機之間的連接與通信。文中的設(shè)計采用的是三菱FX1N-14MR型單片機的特有通信。

FX系列的 PLC 單片機采用的通信字符是ASCII碼，包括1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、l位停止位及l(fā)位偶校驗位，同上位機通信采用的波特率是9 600 b/s[3]。

PC機向PLC發(fā)送的報文格式見表1。

表1 報文格式

下位機與上位機通訊協(xié)議制定好后，下一步進行試驗臺數(shù)據(jù)間的通訊。具體實現(xiàn)方法如下：

(1)PLC采集孔板兩側(cè)壓差信號后，放入寄存器當(dāng)中，供上位機計算調(diào)用。

(2)壓差傳感器采集所需壓力信號后，放入PLC相應(yīng)寄存器后，供上位機系統(tǒng)調(diào)用。

(3)通過轉(zhuǎn)速傳感器采集在不同氣門升程下葉片式風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速，存放入PLC對應(yīng)寄存器中，上位機調(diào)用數(shù)據(jù)并計算出渦輪比。

(4)上位機給氣門開度指令，PLC接收指令后控制步進電機運動，驅(qū)動絲杠，打開節(jié)氣門至指定開度。

其中，三菱FX1N-14MR單片機將轉(zhuǎn)速傳感器采集的葉片風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)保存到寄存器D50，供上位機的調(diào)用；將壓差傳感器采集到的實際壓差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量存入寄存器D8030，供上位機調(diào)用；上位機發(fā)送氣門升程的指令到寄存器D52，PLC驅(qū)動步進電機聯(lián)動氣門從而調(diào)節(jié)升程。

3 程序設(shè)計

上位機既可進行單點試驗，通過上位機輸入氣門的升程，也可通過設(shè)置起始、結(jié)束升程值和步長，使氣門升程參數(shù)發(fā)生連續(xù)變化，逐步開啟氣門，工況穩(wěn)定后自動采集傳感器數(shù)據(jù)并記錄，實現(xiàn)自動連續(xù)測量完成全部采集數(shù)據(jù)的過程，并對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、并分析計算出渦流比，繪制流量與渦流比的曲線。并可以將氣門升程參數(shù)發(fā)送至下位機指定寄存器中供PLC調(diào)用。

試驗臺上位機界面如圖3所示。

圖3 內(nèi)燃機氣道試驗臺上位機界面

3.1 讀轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)框圖程序

通過串口向PLC發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令串，讀取PLC寄存器D50數(shù)字量，并接收PLC的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制并行顯示，框圖程序如圖4所示。

圖4 讀轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)框圖程序

3.2 讀壓差數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)框圖程序

向PLC發(fā)送讀壓差數(shù)據(jù)的命令串，功能是取PLC寄存器D8030的數(shù)字量。壓差接收程序框圖與轉(zhuǎn)速接收程序框圖編程基本一致。

3.3 發(fā)送氣門升程值程序

向PLC寄存器D52中寫入數(shù)據(jù)氣門升程數(shù)值,框圖如圖5所示。

圖5 發(fā)送氣門升程值程序框圖

4 結(jié)論

該上位機配合下位機已經(jīng)成功完成基于氣道試驗臺的某型號柴油機的數(shù)據(jù)采集工作，實驗表明：

(1)該上位機設(shè)計按照三菱下位機的通信協(xié)議完成上位機和下位機的數(shù)據(jù)傳輸，包括提取傳感器的信號進行顯示及向下位機發(fā)送氣門升程的數(shù)值。

(2)對于連續(xù)測量可以實現(xiàn)自動控制、自動發(fā)動控制氣門升程參數(shù)，使氣門升程參數(shù)發(fā)生連續(xù)變化，同時工況穩(wěn)定后自動采集傳感器數(shù)據(jù)并記錄。

(3)試驗結(jié)果參數(shù)包括流通系數(shù)、渦流比、平均流通系數(shù)和平均渦流比的計算公式編寫入上位機程序中，將結(jié)果進行顯示和保存，并提供公式更改接口，大大簡化了后續(xù)的計算工作。

該上位機建立了友好的PC人機交互界面，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時顯示、采集、存儲，發(fā)送氣門升程數(shù)據(jù)等目的，完成了設(shè)計目標，解決了傳統(tǒng)人工測量誤差高的問題，提高了實驗結(jié)果的準確性。