油泵試驗臺的智能控制系統(tǒng)設計

章信華，嵇建波，熊 川

(桂林航天工業(yè)學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

柴油機做為工礦機械設備的主要動力源，故柴油機的動力性能對工礦機械設備至關重要。而噴油泵又是柴油機的心臟,故噴油泵的性能又決定了柴油機的動力性能[1]。油泵試驗臺控制系統(tǒng)有的是使用單片機單獨控制、微機顯示,或采用微機控制和單片機控制相結(jié)合的方法[2-4]，但由于這種控制方式的可靠性都較差，所以試驗臺控制系統(tǒng)的主流方式都是采用PLC做控制器[5-8]，觸摸屏做為顯示器[5-7]。有的采用三菱公司的FX1N-24MR型PLC,富士觸UG530H- VS1型觸摸屏做為顯示器[5]，有的采用西門子的S7-200型PLC做控制器[6-7]，但這些型號的PLC和觸摸屏都已經(jīng)非常老舊，甚至已經(jīng)停產(chǎn)，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實的需求，而近年來試驗臺的控制器都是采用最新型的PLC，例如西門子的S7-1500型PLC[8]。

我公司的老舊油泵試驗臺是采用單片機控制的，可靠性差；噴油量的測量是采用量筒測量體積的方式,這種通過肉眼觀測的方式會導致讀取誤差非常大；另外試驗臺的運行參數(shù)和報警都是通過幾個數(shù)碼管、物理指示燈顯示,存在人機交互不友好、顯示的信息量少等諸多缺點，結(jié)果導致工人測試效率十分低下，且易出現(xiàn)操作失誤和引起安全事故。故有必要重新設計一套新的控制系統(tǒng)來改造這些老舊試驗臺；而本文設計的試驗臺智能控制系統(tǒng)，采用的是西門子最新的S7-1200型PLC和KTP1000型觸摸屏及其配套模塊，使試驗臺的硬件性能和用戶體驗得到了很大的提升，不僅大大減輕了工人的勞動強度,而且使測試一個噴油泵的時間，由原來的40 min縮短到10 min，從而極大地提高了測試效率。該試驗臺的智能控制系統(tǒng)，體現(xiàn)在先進的硬件、算法和美觀的人機交互界面上。

1 試驗臺的硬件系統(tǒng)設計

噴油泵試驗臺的主要性能指標參數(shù)包括：

1)電機額定功率55 kW;

2)電機轉(zhuǎn)速范圍是0～3 000 rpm;

3)電機轉(zhuǎn)速誤差為±2 rpm;

4)可同時測量機械泵和電控單體泵;

5)單次噴油量范圍是0～2 000 g;

6)單次測試噴油泵的時間小于20 min;

7)可設置任意工況;

8)具有安全報警功能。

噴油泵試驗臺的硬件系統(tǒng)設計分為噴油計數(shù)模塊、主軸轉(zhuǎn)速模塊和油量計數(shù)模塊3大模塊設計[9]，噴油泵試驗臺的硬件系統(tǒng)包含觸摸屏、PLC模塊、稱重模塊、AMK電機、模擬量傳感器組、數(shù)字量輸入點和執(zhí)行器組，系統(tǒng)硬件設計原理如圖1所示。PLC是整個控制系統(tǒng)的中樞，觸摸屏主要是完成與操作人員的交互功能，包括參數(shù)設定、數(shù)據(jù)顯示、打印、存儲及監(jiān)測[10]；在PLC的最左邊，連接了1個8通道的模擬量輸入模塊SM1231[11]，以獲取所有的模擬量傳感器參數(shù)；在模擬量模塊的右邊，連接了2個232串口模塊CM1241[12]，分別和稱重模塊、AMK電機通信，從而實現(xiàn)對稱重模塊、AMK電機的控制；在PLC的上面，直接使用網(wǎng)線和觸摸屏通信[4]，從而實現(xiàn)觸摸屏對PLC的控制和顯示其重要參數(shù)；另外PLC的本體具有14個數(shù)字量輸入端口和10個數(shù)字量輸出端口[12]，分別連接所有的數(shù)字量輸入點與執(zhí)行器組。

圖1 硬件系統(tǒng)設計

觸摸屏采用的是西門子KTP1000 Basic彩色PN型，可以與S7-1200控制器無縫兼容。還具有單獨的可組態(tài)功能鍵，這些功能鍵提供了觸摸反饋功能，增強了可用性和操作可靠性[11]。

PLC采用西門子的S7-1200型PLC,該小型可編程控制器具有集成PROFINET接口和強大的集成工藝功能，滿足多種應用中完全不同的自動化需求。該控制器帶有多達6個高速計數(shù)器。其中3個輸入為100 kHz，3個輸入為10 kHz，用于計數(shù)和測量[12]。

稱重模塊用于稱取每次噴油泵的噴油量，采用了梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊，該稱重模塊使用串口通訊,通過發(fā)送不同的指令,來實現(xiàn)不同的功能,包括“去皮指令”、“置零指令”、稱重指令等等。該稱重模塊的精度達到10 mg,最大量程為2 550 g[13],實際使用時,PLC是通過串口模塊CM1241和該稱重模塊通信,來達到稱重的目的。

電機是用于驅(qū)動油泵運轉(zhuǎn)的動力源，采用了AMK伺服電動機，該電機的速度,位置精度非常準確,不僅反應快速,且具有機電時間常數(shù)小、線性度高,當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降[14]。PLC也是通過串口模塊CM1241與AMK伺服電動機通信，通過向電機發(fā)送不同的指令,來實現(xiàn)不同的功能,包括“啟動電機”,“設置轉(zhuǎn)速,“停止電機等等。

傳感器組采集的都是試驗臺的重要模擬量參數(shù)，這些傳感器的輸出量都是4～20 mA電流，PLC使用專用的模擬量采集模塊SM1231，來采集這些模擬量，傳感器組包含以下傳感器：

1)燃油溫度傳感器；

2)機油溫度傳感器；

3)噴油溫度傳感器；

4)燃油壓力傳感器；

5)機油壓力傳感器；

6)空氣壓力。

數(shù)字量輸入點獲取試驗臺的電機轉(zhuǎn)速、噴油次數(shù)、燃油液位低和物理按鈕輸入等等。所有的數(shù)字量輸入點都直接輸入PLC的本體模塊，輸入點和分配好的I/O地址是：DI0.0—燃油液位低；DI0.1—機油液位低；DI0.2—防護門未關；DI0.3—計數(shù)開；DI0.4—計數(shù)關；DI0.5—燃油泵起動；DI0.6—燃油泵停止；DI0.7—機油泵起動；DI1.0—機油泵停止；DI1.1—燃油濾清堵塞；DI1.2—機油濾清堵塞；DI1.3—電機脈沖；DI1.4—排油泵啟動。

執(zhí)行器組用來完成試驗臺的多種控制功能，都是通過數(shù)字量輸出控制的，所有的數(shù)字量輸出點都直接由PLC的本體模塊輸出。這些執(zhí)行器和分配好的I/O地址：DQ0.1—燃油加熱；DQ0.2—機油加熱；DQ0.3—聲光報警燈；DQ0.4—排油泵；DQ0.5—燃油泵啟停；DQ0.6—機油泵啟停；DQ0.7—噴油計數(shù)擋板。

2 試驗臺的核心算法設計

試驗臺需要實現(xiàn)很多邏輯控制功能，這些邏輯控制功能都有相應的算法，最終在PLC中編程實現(xiàn)這些算法。這些算法包括：

1)模擬量濾波算法。試驗臺中的模擬量包括燃油的油溫和油壓、機油的油溫和油壓等等。模擬量濾波采用“中位值平均濾波法 ”，即連續(xù)采樣4次值，去掉最大值和最小值，對剩下來的2個值取平均值，該平均值即是濾波后得到的值，算法流程如圖2所示，公式如式(1)所示:

mout=(m1+m2+m3+m4-mmin-mmax)/2

(1)

式中，mout為濾波輸出值，m1、m2、m3、m4分別為連續(xù)4次的采樣值，mmin為4次采樣值中的最小值，mmax為4次采樣值中的最大值；

2)試驗臺的安全報警算法。當實驗臺的某個參數(shù)出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，并停機，從而保證了工人的安全。其中機油液位低報警算法如圖3所示，其他的報警算法是相似的。

3)燃油和機油的溫控算法。燃油和機油的溫度控制，通常采用工業(yè)中最常用的PID算法控制[15-16]，以使溫度達到設置值。PID的公式如式(2)所示：

(2)

式中，Kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，e(t)為給定值和測量值之差，u(t)為PID控制器的輸出；

4)啟動試驗臺的流程。啟動試驗臺包含一些固定的步驟，這些步驟具有嚴格的先后順序，只有嚴格執(zhí)行這些步驟，才能正常啟動試驗臺，啟動試驗臺的步驟如下所示：

(1)打開燃油泵;

(2)打開機油泵;

(3)選擇電機的正反轉(zhuǎn);

(4)單擊“啟動”按鈕，啟動電機;

(5)通過“手動擋”或者“自動擋”設置工況，包括電機的轉(zhuǎn)速和噴油的次數(shù)的設置；設置好之后，電機將按照設置的速度，帶動凸輪箱運轉(zhuǎn)，凸輪箱中的凸輪驅(qū)動噴油泵開始噴油。

5)噴油泵測試流程。工人完成一次噴油量測量的完整步驟如下：

(1)按下“計數(shù)”按鈕;

(2)試驗臺將打開“擋板”，燃油將進入稱重模塊;

(3)試驗臺根據(jù)電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)，計算出當前噴油的次數(shù);

(4)當噴油次數(shù)達到設置的次數(shù)時，關閉“擋板”;

(5)延遲5 s，等待油量穩(wěn)定;

(6)試驗臺向“稱重模塊”發(fā)送稱重指令，得到這次的“噴油量”;

(7)啟動排油泵，將“稱重模塊”中的油排出。

圖2 中位值平均濾波法 圖3 機油液位低報警算法

3 試驗臺觸摸屏的組態(tài)界面設計

試驗臺的觸摸屏主要是完成與操作人員的交互功能，包括參數(shù)設定、監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示等等，操作人員使用它進行試驗臺的控制。觸摸屏的界面設計是通過組態(tài)程序完成的，要求組態(tài)界面具有良好的人機交互體驗，以及將重要參數(shù)放在界面的核心區(qū)域等等。觸摸屏組態(tài)軟件界面如圖4所示，該界面按照不同的屬性劃分，分為以下幾個區(qū)域：

圖4 觸摸屏顯示界面

1)“參數(shù)顯示”區(qū)域。該區(qū)域位于頂部，顯示試驗臺的關鍵模擬量，顯示以下參數(shù)：燃油壓力、機油壓力、扭矩等6個模擬量參數(shù)。

2)“報警”區(qū)域。該區(qū)域用來向工人顯示所有報警信息，以提醒工人未完成哪些關鍵步驟，或者顯示試驗臺的一些設備出現(xiàn)問題，從而引導工人維修相應的設備，以及保障了工人的安全；該區(qū)域顯示了以下報警：緊急停機、防護門未關、噴油器未壓緊、5 u燃油濾堵塞、10 u燃油濾堵塞等14個報警。

3)“參數(shù)測量”區(qū)域。該區(qū)域顯示的是試驗臺最重要的核心參數(shù)，所以放在整個界面的正中間，且字體也是最大的。該區(qū)域顯示了以下參數(shù)：

(1)轉(zhuǎn)速： 即電機當前的轉(zhuǎn)速；

(2)噴油次數(shù)：即當前已完成的噴油次數(shù)；

(3)本次噴油量；

(4)上次噴油量。

4)油筒油量顯示構(gòu)件。該構(gòu)件實時向工人顯示油筒當前燃油的重量，當油筒里面的燃油達到極限值時，以提醒工人按下“排油泵啟動”按鈕，將油筒里面的燃油排空，為下一次測試做準備。

“轉(zhuǎn)速設定及控制”區(qū)域。該區(qū)域分為“手動檔位”和“自動檔位”，用來設置噴油泵的工況，工況的設置包含2個參數(shù)的設置，即：噴油次數(shù)、轉(zhuǎn)速設置。

“手動檔位”區(qū)域需要工人手動輸入這2個參數(shù)，為了方便更改轉(zhuǎn)速，添加了“轉(zhuǎn)速+”和“轉(zhuǎn)速-”2個按鈕，每次單擊這2個按鈕，可以將轉(zhuǎn)速增加或者減小50 rpm；另外為了方便工人的操作，將常用的6組工況參數(shù)預先輸入“自動檔位”中，并編號為F1至F6擋，工人在使用的時候，直接點擊界面最下面的按鈕F1至F6，即可切換到相應的工況。

5)“電機設置”區(qū)域。該區(qū)域位于整個界面的右下角，包含4個按鈕，且每一個按鈕上添加了指示燈，當單擊了該按鈕后，按鈕上的指示燈會點亮，從而大大增強了人機交互體驗。4個按鈕分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動和停止按鈕，這4個分別用來設置電機的轉(zhuǎn)向和啟停的。

另外，對于部分頻繁使用的數(shù)字量輸入點，采用了物理按鈕，不僅方便工人的使用，同時延長觸摸屏的使用壽命。這些按鈕包括：排油泵啟動、量油計數(shù)開、量油計數(shù)關、燃油泵起動、燃油泵停止、機油泵起動、機油泵停止等7個按鈕。

4 系統(tǒng)安裝及調(diào)試結(jié)果

正在安裝的實驗臺如圖5所示，該試驗臺已經(jīng)安裝好了觸摸屏，AMK電機，PLC等等模塊。

圖5 噴油泵試驗臺

系統(tǒng)安裝完成后，即可在試驗臺上安裝噴油泵進行測試，測試步驟如下:

1)安裝好噴油泵；

2)啟動燃油泵和機油泵；

3)在觸摸屏上設置好相應的工況參數(shù)；

4)啟動AMK主電機，電機將按照設置的轉(zhuǎn)速開始運行；

5)噴油泵將在電機的運轉(zhuǎn)下，開始噴油；

6)“稱重模塊”將測量噴油泵在該工況下的噴油量。

首先測試了電機的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速值設置為0～3 000 rpm之間的任意值，發(fā)現(xiàn)都能達到目標轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速誤差都在±2 rpm以內(nèi)，說明試驗臺滿足轉(zhuǎn)速指標；對同一個噴油泵進行多次測量，并和標準泵的噴油量進行比較，發(fā)現(xiàn)噴油量的誤差在5%以下，說明了試驗臺能夠可靠測量噴油泵的噴油量；將噴油泵的工況設置為最工況，測試其噴油量達到2 000 g，說明了試驗臺滿足噴油量范圍是0～2 000 g的指標。并對整個測試過程進行計時，發(fā)現(xiàn)測試一個噴油泵的時間，由原來的40分鐘縮短到10分鐘，說明試驗臺滿足單次測試噴油泵時間小于20分鐘的指標。綜上可知，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗臺的所有指標，能夠滿足企業(yè)的實際生產(chǎn)需要。

5 結(jié)束語

本文所設計的試驗臺控制系統(tǒng)，采用西門子產(chǎn)品線中最新的S7-1200型PLC和KTP1000型觸摸屏做為試驗臺的控制中樞和顯示界面，可以自動地控制主軸轉(zhuǎn)速、噴油計數(shù)、燃油溫度、壓力等等，能夠完成噴油泵在任意工況下噴油量的測量。該系統(tǒng)于2014年在重慶紅江機械有限責任公司正式立項，并命名為“55 kW油泵試驗臺”，并于2015年開始正式投入生產(chǎn)，投產(chǎn)至今，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。目前該試驗臺1次只能測試1個噴油泵，效率偏低，而可以同時測試多個噴油泵的技術(shù)還沒有實現(xiàn)，該技術(shù)難點，也是以后要研究的方向。