基于PLC的汽车零部件电气负荷试验装置的设计

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(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁 沈阳 110141)

1 引言

随着全球经济和科技的高速发展，人们对汽油煤炭等传统能源的需求日益增加，导致传统能源的损耗速度过快，对环境的影响日趋严重，其中最受人们关注的问题之一就是二氧化碳的排放。出于对经济、环境等多方面的因素，各国开始大力发展新能源汽车。随着汽车工业的高速发展，汽车电子零部件的可靠性问题就显得举足轻重，这影响汽车行驶的安全性能。

汽车上的供电系统由汽车发电机和蓄电池构成，同时汽车起动机作为汽车发动的主要部件也是与供电系统直接相连接的，因此汽车发动机、蓄电池、汽车起动机构成了汽车供电系统的三个重要组成部分。由于各个组成部分受自身条件的影响，必然会在供电线路上产生电压变化，从而影响以此并联的汽车电子设备。

为了更好地考查汽车电子设备在常见的或可预见的非正常条件下工作的能力，国际标准ISO 16750-2及世界各个车厂对此都做出了相应的要求，我国发布的GB/T 28046.2也对此做出了规定[1]。

由于现在的测试设备中没有专门的测试设备，并且现有的相关测试设备价格昂贵，少则几万，多则几十万。而且这些设备无法完全满足标准的试验要求，仅能实现一个或几个试验。因此需要即能满足相关测试要求，又具有性能稳定、可靠性高、价格便宜等特点的相关设备。本文采用PLC作为控制器，并使用触摸屏实现可视化，设计了满足标准试验要求的电气负荷试验装置。

2 测试需求分析[3]

2.1 直流供电电压

本试验的目的是在最小供电电压和最大供电电压范围内证实设备功能。按照表1或表2对受试设备(DUT)的有效输入端供电，所有DUT的功能应正常。

表1 UN=12V系统供电

表2 UN=24V系统供电

2.2 过电压

本试验的目的是模拟发电机调节器失效引起发电机输出电压上升到高于常规供电电压。对于12V系统，试验方法为在加热箱中将DUT加热到T=(Tmax-20℃)。向DUT有效端施加18V的电压持续60min。对于24V系统，试验方法为在加热箱中将DUT加热到T=(Tmax-20℃)。向DUT有效端施加36V的电压持续60min。

2.3 反向电压

本试验的目的是当使用辅助起动装置时DUT对蓄电池反向连接的抵御能力。本试验不适用于交流发电机或带有钳位二极管而没有外部反向极性保护的装置。如果DUT用于未接熔断器的交流电路，且整流二极管能耐受反向电压60s，则对UN=12V系统用4V的反向试验电压同时施加到DUT有效输入端子上持续60s±6s，本试验不适用于24V系统；除上述情况外，用试验电压UA(见表3)反向同时施加到DUT有效输入端子上持续60s±6s。

表3 反向电压

2.4 参考接地和供电偏移

所有输入和输出应模拟实车连接到典型负荷或网络，对DUT供给电压UA使其正常工作。接地/供电偏移试验适用于接地/供电线路，供电偏移分别按次序应用于每条接地/供电线路以及各个接地/供电线路之间。所有DUT偏移电压为1.0V。

(1)对DUT提供电压UA；

(2)对DUT的接地/供电线路进行接地/供电线路电压偏离；

(3)在该条件下进行功能试验；

(4)按不同接地/供电组合重复测试(3)的内容。

反向偏移电压重复上述试验。

3 系统设计

3.1 控制方案设计

整个电气负荷试验装置采用PLC加触摸屏的模式。PLC主要负责系统控制逻辑关系的实现，触摸屏主要用于人机交互。整个测试装置由PLC、触摸屏、接触器、指示灯、报警蜂鸣器等元器件组成(见图1)。

图1 控制系统组成图

根据系统控制信号的数量，本系统选用西门子公司的S7-200型PLC作为控制系统的核心。可以结合实际的测试要求进行现场调整控制程序，增加测试能力和项目。

触摸屏采用威纶通TK6051iP，使用EasyBuilder Pro组态软件，适用于高标准的复杂机器的可视化。显示屏拥有RS-232/RS-485和micro USB接口，可以方便的与PLC、计算机进行通信，交换数据。

整个控制系统根据不同的测试项目，不同的测试参品，连接相应的负载，修改相关测试参数。系统的输入信号有直流电源电压信号，按钮开关的开关信号和报警信号。直流电源电压信号用来判断电源电压是否正常的；按钮开关的开关信号用于开始和结束测试；当有报警信号时，整个系统切断电源，以保证系统安全系统的输出信号有直流电源电压信号、接触器信号、运行指示灯和报警蜂鸣器信号。直流电源电压信号用以显示测试的电压值，接触器信号用于控制接触器动作。运行指示灯限号用以显示是否处测试过程中，以及测试是否结束。当系统出现误操作，测试电源未正常接入时，蜂鸣器报警以保证系统运行正常，并保证测试参数正确。

3.2 程序开发设计

(1)PLC软件设计

根据系统的输入输出信号的要求，确定PLC的I/O地址分配，这里包括开关量地址和模拟量地址。输入信号不仅来自于物理元器件，还有来自触摸屏的软元件信号。程序设计采用模块化的设计方法，设计每个测试项目程序模块，并统一设计初始化模块和报警模块，以及触摸屏的通信模块。根据不同测试项目的要求和使用的地址，分析整个系统的逻辑关系，编写控制程序。在程序的编写过程中需要识别干扰信号，以避免系统产生误动作和误报警。在每一步中，以该动作完成的产生的相应传感器信号常闭触点作为互锁条件。最后，通过仿真模块对程序进行仿真，以验证程序的不完善部分，并加以改进。

(2)触摸屏软件简介

触摸屏使用EasyBuilder Pro组态软件，软件支持windows 平台所有矢量字体；支持历史数据、故障报警等，可以保存到 U 盘或者 SD 卡里面；支持三组串口同时连接不同协议的设备，应用更加灵活方便。软件还具有离线模拟和在线模拟功能，在调试过程中使用在线模拟功能可以节省大量程序重复下载的时间。

图2 触摸屏主菜单

(3)触摸屏程序设计

为了实现人机交互设备与PLC的通讯，必须在人机交互设备与PLC两者之间建立连接。根据PLC设备的通讯参数，将触摸屏软件的通讯参数设置一致。根据所需测试项目，并根据所确定的PLC的I/O地址分配，分别编写各个测试项目的程序和界面(图2为触摸屏主菜单)。编写故障报警界面，记录系统故障问题及发生时间，便于管理维护人员发现问题并及时处理。利用软件自带的离线模拟功能对程序进行模拟，对不完善的地方进行改进。最后与硬件相连，进行实际测试，对程序进一步完善。

4 结论

本文设计的试验装置以PLC为控制器，并采用触摸屏来实现人机交互，实现了设备运行的可视化操作。不仅满足了标准中各个试验项目的测试需要，并且具有性能稳定、可靠性高、价格便宜等特点。并且可以根据不同标准、不同车厂的特殊需求，随时增减测试项目、改变测试响应参数以及拓展被测通道数量，完全实现了设计目的。随着服务对象的不断增加，该装置扩展成模块化管理，为企业提供诸如国际标准、国家标准、不同车厂要求的全面测试解决方案。