基于PLC的大功率喷油泵试验台控制系统的研制

2014-03-15崔成法吴国安

黄冈职业技术学院学报 2014年3期

姚旺，崔成法，吴国安，王韬

(湖北省机电研究设计院股份公司，湖北武汉430074)

喷油泵试验台主要用于喷油泵的制造及喷油泵的科研与检测。该试验台工作可靠，控制精度高，是柴油机、汽车、拖拉机生产厂进行油泵调试的检测设备，也是油泵维修行业的必备产品。

现在所使用的一般试验台主要为IPC控制系统，输出功率为50KW以下，满足不了大型油泵调试需求。我们研制的大功率试验台最大设计功率为90KW，配合相应联轴器可实现最大负载扭矩1000Nm，并使用 PLC控制系统，降低硬件成本。HMI触摸屏人机界面，使得操作人员更加方便操作，扭矩、速度等具体参数都可在HMI上实时监控。

该大功率试验台可测试最大喷油泵缸数为12缸，变频调速0～3000rpm，最大输出扭矩700Nm，每个转速点运行最大维持时间9999min。燃油温度20～50℃可控，转速测量精度±1rpm，油箱温度测量精度0.1℃。

1 系统总体结构

喷油泵试验台控制系统主要由PLC、触摸屏、变频器以及外围相应的压力传感器、接近开关等元器件构成，其总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

电气控制采用了集中控制的方式，控制系统采用了西门子S7－200PLC，PLC自带两个串口接口，分别连接HMI触摸屏(RS485)、Altivar71变频器(MODBUS)。低压元器件选择施耐德系列产品。交流电机结构简单、价格便宜、维护工作量小［1］，因此选择90KW交流异步电机。使用触摸屏简化了人机界面，使用户无需任何培训就能使用计算机［2］。

图1 电气总体结构

2.1 供电

设备根据要求，设计为交流380V供电。同时，采用了交流220V转直流24V的开关电源，为可编程控制器PLC、各类传感器、各类电磁阀和HMI提供稳定直流24V电源。

2.2 控制系统

设备的控制系统采用了当今工业控制最流行的PLC控制系统。相比原来的工控机系统，PLC控制系统具有更加简单、可靠和抗干扰能力强的优势，特别适合复杂和恶劣的现场环境，同时，它采集各类传感器信号的快速、及时的响应和各种负载完善的驱动，都能完全满足本次设计和工艺的要求，在设备中起着“大脑”的作用。

2.3 信号采集与输出控制

PLC控制系统通过采集各类传感器信号，根据已编写完成的程序自动控制执行机构来达到自动运行的要求。同时，HMI－PLC－变频器构成的“闭环”系统，能更方便、精确的控制整个设备。HMI输入相应的参数与测试步骤之后，通过RS485串口传输给PLC之后，PLC经过数据处理，将处理好的信号通过MODBUS传输给变频器、发送测试命令，测试过程以及测试结果又会在HMI上显示出来，使得操作人员能够对被测产品的各种信息实时把控。

2.4 分级控制

设备电控部分的主电路与输出控制电路采用了分级控制，特别是在输出控制电路中，PLC通过控制继电器线圈的通断电来间接控制电磁阀的动作，这样既可避免因电磁阀的瞬间启动而带来的反向冲击电流对PLC控制系统的损坏，同时也可为电磁阀等负载提供足够大的驱动电流。分级控制使设备更具稳定性，是设备规范化电气设计的体现。电气图纸(局部)如图2所示。

图2 主电路

3 系统软件设计

该设备的软件主要由HMI程序与PLC程序构成。其中PLC程序主要包括:动作控制、模拟量采集处理、高转速测试、变频器通讯、设备报警、燃油液位温度报警、机油液位温度报警等。

3.1 模拟量干扰

90KW的变频电机安装在电气板后，同时压力传感器与温度传感器都与电机距离较近。当大功率电机运行时，会对模拟量信号造成很大的干扰，通过使用屏蔽电缆以及合理布线，在硬件首先保证避免干扰，之后再在软件上通过滤波、采样取值等方法减少干扰。

3.2 计数测试

计数测试是电机带动喷油泵在不同的转速下，测量喷油泵工作指定圈数，每个喷油口输出的燃油量。其中测试最高设计转速达到了3000rpm。而该实验台使用PLC控制系统，因此程序存在运行周期。为达到精确精准的测量高转速下喷油泵工作圈数，进行了以下两点设计:

1.计数传感器接入PLC高速输入接口，并在PLC设置中打开高速通道。

2.在进行计数测试时，采用PLC内部中断，让PLC程序进入计数测试循环，减少PLC循环周期。S7－200可编程控制器具有最多可达34个中断源，每个中断源都分配一个编号识别［3］。

3.3 变频器通讯

PLC与71变频器通过MODBUS通讯。在正常循环下，设置定时器，使得PLC每隔0.5S读取一次变频器的设置转速、当前转速、扭矩等数值，通过人机界面HMI显示。当需要修改参数时，通过人机界面输入相对应参数值，按下确认按键，此时进入写入中断。当写入完成时，变频器反馈代码，退出写入中断，再次进入正常循环，间隔读取变频器相关参数。

通讯协议如下:

1.读取N个值，如图3

图3 读取协议

2.写入单个值，如图4

图4 写入协议

4 测试流程

90KW实验台包含多种测试项目，如:定转速测试、多转速测试、波动转速测试、计数测试。

4.1 定转速测试

定转速测试:变频电机带动喷油泵在恒定转速下测试，通过HMI可查看当前转速、当前扭矩、总测试时间与已测试时间。转速、测试时间可在HMI上设置。其中测试时间要求至少24h，因此采用多重定时器来实现定时。

4.2 多转速测试

多转速测试:变频电机带动喷油泵在多转速下测试，通过HMI可查看当前转速、当前扭矩、总测试时间与已测试时间。转速、测试时间可在HMI上设置。该测试需要设置6种不同的速度以及在该速度下的测试时间，然后按照1－2－3－4－5－6－5－4－3－2－1的测试顺序进行测试。不同速度切换时，加速时间为5S固定值。

4.3 波动转速测试

波动转速测试:变频电机带动喷油泵在多转速下测试，通过HMI可查看当前转速、当前扭矩、总测试时间与已测试时间。转速、测试时间可在HMI上设置。该测试需要设置2种不同的速度、切换时间以及总测试时间，然后按照1－2－1－2不停的循环进行测试。不同速度切换时，加速时间通过两种速度的速度差与切换时间计算而来，因此整个测试过程的转速如同正弦波曲线般变化。

4.4 计数测试

计数测试:变频电机带动喷油泵在不同转速下测试，测量喷油泵工作指定圈数，每个喷油口输出的燃油量。进入计数测试界面，当实际速度达到测试速度后，点击HMI上计数启动按钮，当飞轮上计数开关第一次检测到时，挡油板电磁阀动作，带动挡油板收回，喷油泵的喷油口通过油管连接至油杯中，油杯漏下的油进入量杯。当计数到达设定次数加1时，计数停止，挡油板伸出，挡住油杯漏下的油。