第八代广本雅阁2.4电控发动机实训教学系统开发

冯 勇,郑尧军,陈开考

(浙江经济职业技术学院 汽车技术学院,杭州 310018)

0 引 言

《电控发动机检修》课程是高职高专汽车类专业教学的重点和难点课程,再加上历年的职业院校技能竞赛必然会有电控发动机检修 (故障诊断)项目,电控发动机的教学一直很受关注。虽然国内的一些科研单位和有关企业研制开发了不少电控发动机实验教学系统,但由于研发人员与教学脱节等各种原因,在性能上很难满足教学要求,影响了教学效果;国外进口的电控发动机实验教学系统,价格昂贵,不完全适合中国的国情。鉴于此,本文在分析国内文献的基础上,根据发动机电控系统的教学重点与难点,以第八代广本雅阁2.4电控发动机为研究对象,利用工控软件研制开发出实时数据采集、实时设故与排故等功能于一体的发动机电控系统实验教学系统,以期提高汽车类专业的实训教学效果,并降低教学成本。

1 电控发动机实训教学系统概述

1.1 电控发动机管理系统的教学特性

现代电控发动机电子控制管理系统已经实现了发动机的综合管理,通过对外围传感器信号的采集、执行器的控制实现了对电控发动机管理系统的管理控制;同时也为电控发动机管理系统的远程化软件控制创造了有利的技术性条件,在技术上软件系统的重点是控制电喷发动机外围线路,即可实现对电喷发动机管理系统的管理控制。

1.2 电控发动机实训教学系统解决的问题

基于软件控制的电控发动机实训系统的重点是解决电控发动机实训教学设备、师资与众多学生无法人人实时同步实训间的问题。经研究确定采用基于服务器/客户端方式进行的软件数据采集与管理,所有被管理数据均置于服务器数据库中,电控发动机台架通过以太网方式连接,实现电控发动机实训台与软件服务器、教师机、学生机间的相互连接,可有效解决集中教学过程中产生的设备、师资与学生数间的问题,实训教学系统的数据真实、实时变化。基于软件控制的电控发动机实训系统的结构如图1所示。

图1 基于软件控制的电控发动机实训系统的结构

2 电控发动机实训教学系统的开发

电控发动机实训教学系统的开发面向职业院校汽车专业课程实训教学,开发过程中按照实用、快捷、自由组合的原则,在开发环境选择、控制软件功能设计 (上位机)、数据采集硬件控制器等方面进行了研究。

2.1 开发环境

在工业控制等领域广泛应用的组态软件提供了面向监控和数据采集的快速二次开发平台,只需利用软件中自带的工具与控件,就能根据用户对被控对象和控制目的的要求,对模块间进行任意组合,从而可完成所需要的软件开发工作,并生成面向最终用户的控制系统。工控组态软件系统主要有组态环境和运行环境两部分组成。组态环境作为完整的工具软件,能帮助用户快速设计和构造自己的应用系统;运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,通过用户指定的硬件控制器PLC进行数据处理交换、上位机与下位机的控制与反馈,最终达到完成用户组态设计的功能和目标。

2.2 组态工程的建立 (上位机)

2.2.1 实验教学系统人机界面 (上位机)设计

鉴于汽车实训系统产品大多为非标产品,开发成本大、周期长,有必要在满足产品功能、教学需要的情况下进行低成本快速开发。本文通过对第八代广本雅阁2.4电控发动机的组成和工作原理的深入研究,结合利用本组态软件的组态 (开发)环境快速绘制出广本雅阁2.4发动机电控系统实训教学系统原理图,并针对发动机电控系统原理图的特点,设计了相应的人机交互式动画与界面;按照实际实训教学的需要,界面中设计了可进行故障检测的检测工具——虚拟万用表,虚拟万用表通过对下位机 (硬件控制器PLC)运行环境的实时监控与数据采集,进行数据的实时反馈,使得本广本雅阁2.4电控发动机实训系统具备了良好的人机交互特性,可实现信号的实时采集、实时显示,故障的在线控制、反馈及测试功能的控制。最后生成的人机界面整体效果图如图2所示。

图2 第八代广本雅阁2.4电控发动机实训教学系统人机界面

2.2.2 数据库 (逻辑层)设计

由于广本雅阁2.4电控发动机运行时本身有大量的实时数据在动态变化,刷新响应时间短,因此作为人机交互软件的核心中介——实时数据库是整个实训系统的核心与引擎。大量的数据如何采集、存储与检索是关键。需要设计相应的实时数据库进行数据的采集、处理与分发。本文以Microsoft Excel为数据库平台,通过自定义数据变量完成实时数据库的创建。上位机图形界面与实时数据库的联系(以交互的方式)则通过动画连接的方式,完成与逻辑层实时数据库数据的交换。

2.3 硬件控制器PLC的设计 (下位机)

2.3.1 硬件控制器PLC(物理层)的设计

由于实训系统由广本雅阁2.4电控发动机、故障设置装置 (开关型及硬件控制器)、软件上位机及其他辅助部分组成,成本较高,考虑到实训系统针对其他车型电控系统的快速、低成本应用,硬件控制器PLC在设计应当具备一定通用性、移植能力,能根据不同车型的电控发动机进行硬件组合,从而达到简化硬件装置的目的。

本硬件控制器拟采用RS485总线协议全双工、多点通信设计,最高传输速率可达15200bps,满足了实时性要求,并可根据电控发动机系统的复杂程度,模块自由扩展组合成需要的硬件控制器。硬件控制器的功能设计如图3所示,硬件控制器的组成结构框图如图4所示。

图3 硬件控制器功能设计示意

图4 硬件控制器组成结构框图

2.3.2 设备连接 (数据链路层)

由于工控组态软件本身作为一个快速二次开发的软件平台,自带了设备窗口,可基本兼容目前主流硬件厂商;在设备窗口中只要选择硬件设备的类型,即可建立系统与外部硬件设备的连接关系,使实训系统可识别外部设备,在构件属性窗口中将上位机数据对象 (变量)与设备缓存 (控制地址)一一对应,从而以实现组态软件中的画面图形对象动作及控制动作与PLC的控制同步,实现对工业过程的实时监控。

2.3.3 网络功能的拓展

由于汽车实训教学的特殊性,在教学过程中,如何利用单一的实训设备,完成大面积的点对点实训教学是关键;本电控发动机实训教学系统采用了软件控制设备,较好地解决了对设备的软控制,也为实训系统进行网络功能的拓展创造了条件。网络型实训教学系统设计采用星型拓扑结构,以服务器/客户端方式进行数据通讯与管理,设计的教师服务器则通过特定的设备,以以太网 (RJ45)的方式实现电控发动机与服务器、学生用计算机连接;利用现有的物联网技术,设计上可拓展局域网内实训系统为基于互联网的网络汽车电控发动机实训教学系统。网络化教学系统总体结构示意如图5所示。

图5 网络化教学系统总体结构示意

3 结 语

本文以工控组态软件为开发平台进行二次快速开发,研发了具有数据实时采集与反馈,故障设置、排除与控制等功能的发动机电控系统实训教学系统。该系统在硬件设计上利用RS485协议的特性,预留了模块自由组合拓展的功能,通过与硬件控制器对应的上位机软件的快速开发,即可应用于各类汽车电控发动机系统。利用现有的物联网技术、无线网络技术、无线传感技术对实训教学系统进行网络化教学功能拓展,为本电控发动机实训系统脱离地域的限制,实现真正的资源共享提供了可能。

[1]郑尧军,骆美富,陈开考,等.基于网络化教学的电喷发动机实训系统开发研究[J].拖拉机与农用运输车,2010,(1)：26-28.

[2]陈开考,郑尧军,骆美富,等.基于基于图形化自动变速器测控系统研究与设计[J].拖拉机与农用运输车,2009,36(2)：101-102.

[3]陈开考,骆美富.电喷发动机故障诊断教学系统研究[J].实验室研究与探索,2007,26(6)：153-156.

[4]王银山,杨旭,胡建明.电控发动机故障诊断实验台的设计与研究[J].天津工程师范学院学报,2005,15(1)：30-33.