基于PLC的电喷发动机实训台控制系统设计

王文乐,刘文东,杨巍巍

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223005)

基于PLC的电喷发动机实训台控制系统设计

王文乐,刘文东,杨巍巍

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223005)

根据电喷汽油发动机起动以及运行过程中的控制要求，结合信捷PLC控制技术对电喷发动机实训台控制系统进行自动化改造，同时采用西门子WinCC软件作为人机交换界面，实时显示发动机的运行状态以及对控制参数的设置。借助于该控制系统可以分步演示发动机整个起动过程，还可以通过人机界面实时显示出系统故障信息。改造后的实训台已经成功应用于汽车专业相关课程的教学当中，成为汽车专业教学一个重大的教改内容。

电喷发动机实训台；PLC 控制；WinCC系统；系统设计

0 引言

根据各种数据分析显示，现代汽车电子学和诊断技能将是未来维修工程师需要重点掌握的关键技能。在众多的汽车维修厂里，核心人物就是掌握了先进汽车电子诊断技能的人员[1]。发动机是汽车的整个动力来源，作为组成汽车整体的4大部分之一，掌握其电控技术原理、故障诊断以及排除技能无疑是当前各职业院校汽车专业培养人才的“重中之重”[2]。在当前形势下，各职业院校都开设了“汽车发动机电控技术”作为专业核心课程，并且为了能够更好地与实践相结合，都纷纷购买了各种用于功能演示以及故障模拟的电喷发动机实训台充当辅助教具，便于学生更好地理解与掌握。

然而为了节省改造成本、赢取更大的利润，各种专门生产教学教具设备的公司一般都是直接购买价格比较便宜但是还能够正常起动的旧汽油发动机，对其结构进行翻新改造、更换部分传感器之后，借助于ECU不易损坏的特性，仍多采用原车ECU通过各种继电器触点对发动机的整个起动以及运行过程进行控制。职业院校购入的这种实训台，最主要的功能是为学生进行故障模拟以及排除方法演示。由于ECU内部程序的不可见性以及其运行过程的不可中断性，学生包括教师在内也只能从发动机外部判断发动机是运行还是静止的状态，而无法通过一定的手段直观分步地看到其内部的运行过程，不便于学生对其电控原理的学习与掌握。

针对以上问题，以电控发动机实训台为研究对象，结合信捷PLC控制技术对其原有控制系统进行改造，设计了一套基于PLC技术的控制系统。借助于PLC编程器的可中断程序以及西门子WinCC的在线实时监控功能，可以为学生直观、分步、动态演示发动机起动的内部运行过程，有助于学生更深层次地学习电控发动机的控制原理。

1 电喷发动机实训台控制系统的组成

改造后的电喷发动机实训台控制系统主要由执行器、传感器和作为控制单元的可编程控制器以及上位机人机界面组成[3]。各传感器与执行器分别通过航空插接器连接到PLC可编程逻辑控制器，最后通过RS232和RS485通信方式将可编程逻辑控制器分别连接于编程器和人机交互WinCC。其系统配置框图如图1所示。

信捷PLC采用先进的嵌入式系统技术，指令功能强大、贴近用户需求，在自动化技术中广泛应用。选用信捷PLC产品作为主要控制部件，可以充分体现出性价比的优势[4]。

图1 电控发动机系统结构框图

此系统选用信捷XC3系列60点PLC，它有36个输入点、24个输出点，输入类型采用PNP型晶体管，输出类型为继电器晶体管混合输出，采用AC220V交流电作为PLC的供电电源，支持DC24V电源可外接扩展模块，另外可支持基本的逻辑控制和数据运算，并且具有支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通信、Modbus通信等功能。

结合项目控制要求，确定I/O点数和I/O点的类型(数字量、模拟量等)，并列出I/O 分配表。然后进行内存容量的估算，适当留有余量。根据设计经验，对于一般开关量控制系统，用户程序所需存储器的容量等于I/O总数乘以8；对于只有模拟量输入的控制系统，每路模拟量需要100个存储器字；对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统，每路模拟量需要200个存储器字[5]。

此实训台控制系统由信捷XC-60(主PLC)、E4-D/A(数模扩展模块)、E8-A/D(模数扩展模块)等组成，其硬件配置以及I/O分配分别如表1和表2所示。

表1 PLC系统配置

表2 电喷发动机PLC控制设计I/O信号表

2 PLC控制系统程序设计

在汽油发动机的起动过程中，燃油喷射、电子点火以及怠速控制作为电子控制系统的3大主要控制内容，对于发动机是否能够顺利起动以及正常运行起到非常重要的作用。发动机的起动以及正常运行过程是一个需要多方面因素相互配合、相对复杂的控制过程。有的发动机即使能够顺利起动，运行一段时间之后，也会因为随后喷油以及点火控制效果的不佳而引起怠速不稳、抖动严重之类的故障，严重时还会出现发动机自动熄火的现象[6]。影响发动机正常起动以及运行的主要因素有喷油时刻、喷油脉宽、点火提前角等。此系统以喷油控制、点火控制、怠速控制、爆震控制、混合气体浓度控制、温度控制和基准电压控制共同构成整个电喷发动机电控系统[7]。

电喷发动机实训台电控系统程序编制采用XC系列编程工具软件，它是基于Windows的应用软件，可方便地对信捷PLC XC系列进行编程、下载和监控等操作，所用的设计以梯形逻辑图编辑为主。

XC系列PLC可以采用梯形图(LAD)和指令表(STL)两种语言方式编写程序。其中梯形图与电器控制线路图非常相似，其语言符号及规则符合电气工程人员的读图及思维习惯，形象、直观，受到很多电气工程人员的青睐。而指令表则需要编程人员掌握一定的计算语言基础。结合此课题的设计要求和编程人员逻辑思维习惯，采用梯形图的编程方式，这样也方便调试和监控程序。

PLC控制系统程序设计主要分为点火控制、喷油控制、怠速控制3部分。编程软件界面以及点火与喷油部分程序如图2所示。

图2 编程软件界面及点火与喷油部分程序

3 人机界面设计

电喷发动机电控系统监控程序设计采用西门子WinCC监控组态软件，通过Modbus通信协议可方便地对信捷PLC XC系列进行通信、下载和监控等操作[8]。

在整个电控系统监控程序设计中，WinCC主界面是整个电喷发动机电控系统的总成，也是在整个控制过程当中显示频率最高的，它包含有各个部分和各个参数。作者将整个系统监控程序分为点火、燃油喷射、怠速控制3部分，并分别设有不同的分界面，且分界面与主界面可以自由地切换监控。按下Start按钮即可启动发动机。控制系统主界面如图3所示。

利用WinCC主界面的在线监测功能，可以随时监测到各个传感器信号和电池电压信号，并进行故障预警。借助WinCC软件的趋势图控件，可以将火花塞跳火电压、喷油器电流等参数动态显示，读取实时波形并显示数据流。

图3 发动机电子控制系统主界面

4 结束语

结合PLC控制技术，对电控汽油发动机实训台进行基于PLC的控制系统改造设计，改造后的电喷发动机实训台具有以下功能：

(1)借助于电控汽油发动机的PLC分步控制模式，可以演示汽油发动机起动的整个过程；

(2)利用人机交互WinCC监控系统，可以观测到系统中实时显示的故障信息、数据流和波形。

此次改造设计通过维持原有ECU控制系统的完整性，在采用PLC控制系统实现同样功能的基础上，将控制原理及过程更好地呈现在学生面前，有利于教学。改造之后的实训台既可以帮助学生理解实车发动机的控制过程，也能为学生展示不同的控制手段，有利于开拓学生的思路。此课题设计可以作为汽车专业教学一个重大的教改内容。

【1】舒华,姚国平.汽车电子控制技术[M].北京:人民交通出版社,2009.

【2】张亚宁.电控发动机实训台架的研究与开发[D].西安：长安大学,2012.

【3】陈加国,周立,张书慧.汽车发动机电控系统实训台的研究与制作[J].南京工业职业技术学院院报,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】苏卫峰,文武.基于MODBUS协议信捷PLC与上位机通信在化工吸附分离系统中的应用[J].科技创新与应用,2016(6):68-69.

【5】吕桂志.基于信捷PLC对细石混凝土泵电气系统的设计[J].电子技术,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,杨昌明,王国荣.汽车电控系统故障诊断检修实例[M].北京：金盾出版社,2003.

【7】付百学.汽车电子控制技术[M].北京：机械工业出版社,2000.

【8】朱凌云,林琳.基于WINCC的PLC控制系统仿真平台设计[J].实验室研究与探索,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

王文乐(1981—)，女，博士,工程师，研究方向为汽车检测与维修技术。E-mail:feixue0907@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.006

U472.9

B

1674-1986(2017)01-026-04