燃气发动机空燃比控制系统硬件设计

摘 要：燃气发动机空燃比控制系统由电子控制单元（ECU）、传感器和执行器三部分组成。硬件设计的重点包括控制器、传感器和执行器的选择，以及信号调理电路、报警电路、键盘电路、显示电路、执行器驱动电路和电源电路等的设计。要求设计的控制系统具有良好的抗干扰能力，保证系统运行可靠。

关键词：燃气发动机，控制器，空燃比控制

引言

煤层气俗称煤矿瓦斯，是煤矿的主要灾源，也是一种清洁能源资源，若不加利用又是温室气体污染源。截至2020年末，累计探明地质储量9380亿立方米，比“十二五”末增长71%。2020年，全国煤层气供应量78亿立方米（含煤层气区块内其他非常规天然气），较2015年翻一番。

“十三五”期间，煤炭、煤层气行业深入贯彻习近平总书记关于安全生产和能源发展重要指示批示精神，抓牢瓦斯抽采这一治本之策，坚持井下瓦斯抽采与地面煤层气开发并举，以用促抽、以抽保安，推动煤矿瓦斯防治水平跨越式提升，煤层气成为常规天然气供应的有力补充，让煤炭这个国家能源安全“压舱石”的底盘更稳，重点地区天然气供应保障的底气更足。

1 控制器的选择

煤层气发动机的工作条件要求空燃比控制系统必须具有可靠性高、抗干扰强、响应快、精度高等特点，同时各种信息的采集必须准确可靠。考虑到本系统的性能要求、输入输出的点数、性价比等，本设计选择的控制器为西门子公司的S7-200系列的CPU224DC/DC/DC型可编程控制器。此外，还选择了6个扩展模块：两个EM222数字量扩展模块、两个EM231模拟量扩展模块和两个EM231热电偶扩展模块。

西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表（及指令表）和功能块图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB程序和数据存储空间。

S7-200有5种CPU模块：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。本系统采用的是CPU224DC/DC/DC型PLC，其性能指标如表1所示[1]。

本系统所需参数较多，如发动机的运行参数：缸温、排气氧浓度、节气门位置和转速;煤层气的压力和甲烷浓度;空气的压力;空气阀和燃气阀的位置。这些参数均为非电量形式，不能直接输入到可编程控制器（PLC）中处理。因此，需要传感器将这些非电量转换成电量。

2 步进电机及驱动器的选择

2.1 5700系列混合式直线步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度;反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。本系统主要用步进电机控制燃气阀和空气阀的开度，要求精度高、体积小、转矩大和响应快。

2.2 M542驱动器

步进电动机需要配置一个专用的驱动器，驱动器的作用是让电机的绕组按照特定的顺序通电。步进电机与其驱动器是一个相互联系的整体，步进电动机系统的运行性能是由步进电机和其驱动器共同决定的。本系统选用的是海顿直线电机（常州）有限公司的M5421型步进电机驱动器。该驱动器适用于2相，4相混合式步进电机的驱动，采用了先进的双极性直流斩波技术，具有输出功率更高、速度更快、电流纹波小和电机热少等特点。

3 硬件电路设计[2][3][6][7]

3.1 输入信号调理电路

空气压力、燃气压力、燃气甲烷浓度、燃气阀开度、空气阀开度、缸温及排气氧浓度等信号通过相应的传感器转换为标准量程的电流或电压，如4～20mA或0～5V。PLC用A/D转换器将它们转换成数字量以供CPU处理。

传感器输出的信号容易受到现场噪声和震动等干扰信号，为了防止这些干扰信号影响测量和控制的精度，在信号调理电路中加入了RC滤波电路。图1所示为空气压力信号的调理电路，其它各信号的调理电路除了输入输出端不同外，基本类似。

3.2 发动机转速测量电路

发动机转速测量电路由转速传感器、施密特触发器74LS14和光电耦合器4N25构成，电路如图2所示。转速传感器对发动机的飞轮齿数进行采集，输出正弦波信号，该信号经过施密特触发器整形变成方波信号，由光电耦合器送入PLC的I0.0，作为高速计数器的计数脉冲，以测出定长时间内的脉冲数，然后计算出发动机的转速。由于施密特触发器的滞回特性对噪声信号具有较高的抗干扰能力，并且经过光电耦合器的隔离作用，因此该电路不仅简单，而且抗干扰能力好。

3.3 步进电机驱动电路

步进电机驱动电路主要包括M542型步进电机驱动器和步进电机，其连接电路如图3所示。PLC的输出口Q0.0和Q0.2输出的分别是燃气阀步进电机的驱动脉冲和控制方向信号，输入到M542型步进电机驱动器，经过驱动器的细分、放大等处理过程，然后控制步进电机的动作。该电路由于采用了专用的步进电机驱动器，使得电路连接简单可靠，驱动能力大大增加，抗干扰能力增强。空气阀步进电机的驱动电路类似，仅PLC的输出口不同（見表2输入输出资源分配表）。

3.4 键盘电路

本系统共设置了关机、复位、燃气阀开度增大调节、燃气阀开度减小调节、空气阀开度增大调节和空气阀开度减小调节6个按键，图4所示的键盘电路是关机信号的输入电路，其它几个键盘电路基本类似，只是输出口不同（见表2输入输出资源分配表）。

在按键的闭合与断开瞬间均有一个抖动过程，由此会产生一系列的干扰脉冲，影响系统的可靠性。因此，如何消除该干扰信号就成为了设计键盘电路的关键环节。本系统采用了施密特触发器74LS14作为按键和PLC的接口电路，利用施密特触发器的滞回特性来消除按键抖动过程中产生的干扰信号，收到了良好的效果，且电路简单可靠。

3.5 报警电路

报警电路共设置了11个指示灯和1个蜂鸣器。当某个参数超过设定的限制值时，报警电路根据它对控制系统的影响程度分别予以声光报警，以提醒工作人员注意并进行相应的操作。各参数的报警情况如下：

（1）指示灯报警：燃气压力、8个缸的排气温度和关机信号仅采用指示灯报警。

（2）声光报警：氧传感器信号采用指示灯与蜂鸣器同时报警。

图5为燃气压力报警信号的报警电路，主要由光电耦合器4N25和发光二极管组成。输出口Q0.4的信号经过光电耦合器4N25的滤波和隔离后控制发光二极管的亮灭。其它报警电路的设计基本类似，只是输出口不同（见表2输入输出资源分配表）。

3.6 显示电路

显示器作为人机接口的重要环节之一，近年来发展很快。目前，显示器的种类有发光二极管、数码管、平板显示器、阴极射线管和液晶显示器等系列。本系统选用的数码管来显示所需观测的数据。

为了便于监控系统的运行，需要实时地显示各参数的值，由于原机的显示系统中对空气压力、燃气压力、排气温度已有显示，而选用的甲烷传感器对燃气的浓度也有显示，所以本系统中的显示电路主要包括燃气阀开度显示电路和空气阀开度显示电路。

本系统的显示电路选用智能型驱动芯片HD7279A来驱动数码管。HD7279A是一片具有串行接口的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。其内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等;具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。

图6所示的是燃气阀开度显示电路，PLC的Q3.0～Q3.3四路输出信号输入到HD7279A中，来驱动数码管实时地显示燃气阀的开度。空气阀开度显示电路与图6的输入端不同，其它部分类似。

3.7 电源电路

控制系统需要的电源有+24VDC和+5VDC两种。其中，+24VDC提供给PLC及其扩展模块、步进电机驱动器和甲烷传感器;+5VDC提供给一些外围器件。为此，本系统采用三端稳压器TA7805F进行电压转换来得到所需要的+5VDC电源。

TA7805F具有以下特点：

（1） 可以为CMOS、TTL及其它IC电路提供电源;

（2） 内部集成了过负载保护电路;

（3） 内部具有限流保护电路;

（4） 最大输出电流可达1A。

本系统的电源电路如图7所示。图中，C1和C2是旁路电容，起到抑制干扰的作用，而C3起到滤波的作用。由于TA7805F内部是非线性器件，一定会出现谐波，所以在输出端应该对输出信号进行滤波。

4 硬件抗干扰设计[4][5][8]

发电机组工作的环境比较恶劣，例如震动、电磁干扰和天气等多种因素的干扰，使系统无法正常工作。为此，必须采取必要的措施来免除或减小这些因素的影响和损害，以提高系统工作的稳定性和可靠性。本节主要在硬件的设计过程中从以下几个方面采取措施来提高系统的抗干扰能力。

（1） 屏蔽技术

为了提高系统的电磁兼容性，把本控制系统安装在金属材料制成的封闭机箱内，利用金属材料的屏蔽特性来屏蔽外部静电和电磁辐射的干扰，同时降低本系统对发动机其它电子设备的干扰。同时，传感器与控制器的连线采用屏蔽电缆，防止电磁辐射、噪声等干扰信号通过连线进入电路。

（2） 输入、输出信号处理技术

电路中模拟量的采样经常受到工频干扰，因此为了抑制高次谐波干扰，通常在采样开关前加入一个时间常数T=RC的低通滤波器。

对于本系统中的转速输入信号及脉冲输出信号，可以通过隔离措施来切断干扰通道，避免强电流对回路的冲击。常用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离和变压器隔离。变压器隔离是传递脉冲输入、输出信号时，不能传递直流分量，因此常用于不要求传递直流分量的输入输出控制设备中。由于光电耦合器结构简单，因此可用于输入、输出隔离通道之中。

（3） PCB板设计技术

在绘制电路板时，布线是必须考虑的因素，布线应做到一下几点：

Ⅰ 电源线和地线尽可能粗一点，且电流流向与信号流向一致;

Ⅱ 电路板铜模线尽量使用45°折线;

Ⅲ 避免相邻信号线的线间干扰和减少信号在传输导线上的延迟;

Ⅳ 模拟信号避开高频、大电流器件，重要的模拟信号线采用地线包围的办法以减少电磁耦合;

Ⅴ 地线的布局与抗干扰能力有很大关系，电路板的四周和不走线的地方，覆盖地线，以减小地线电阻，提高抗干扰能力。同时，使数字地、模拟地和机体分开。

5 结束语

根据煤层气发动机的性能特点及运行状况，设计以西门子的CPU224CN型可编程控制器作为控制系统的控制器，从全新的角度设计了一种实用可靠的燃气发动机空燃比控制系统，该控制器具备硬件抗干扰措施。

燃气发动机空燃比控制系统硬件设计，增加了能源供给，保护了生态环境，为进一步发展可再生能源积累一定的技术基础。

参考文献：

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.15-18、110-119、212-227

[2]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程[M].北京：北京希望电子出版社，2002.11-32

[3]张洪润，吕泉，吴建平等.电子线路及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.175-196

[4]赵家贵.电子电路设计[M].北京：中国计量出版社，2005.84-92

[5]T. A. baritaud and T. A. Heize. Gasoline Distribution Measurements with PLIF in a SI Engine[J]. SAE Paper 922355.1-3

[6]Todd D. Fansler et al. Fuel Distributions in a Firing direct - Injection Spark - Ignition engine Using Laser Induced Fluorescence Imaging[J]. SAE Paper 950110.2-3

[7]John J，Moskwat，Karl Hedricktt J . Automotive Engine Modeling for Real Time Control Application [J] . Proc. American Contr.Conf，1987.2-4

[8]張洪润， 傅瑾新.传感器应用电路200例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.718-740

作者简介：

张浴凯（出生年月：1981年10月20日）。性别：男。民族：汉。籍贯：广东省汕头市。职称：中级机电工程师。学历：本科。主要研究方向：机电工程

（广东西电动力科技股份有限公司，广东 汕头 515071）