变量式机油泵智能测控系统设计

黄军垒，李国文，李月英，张 雷

（1，2.郑州斯倍思机电有限公司 河南 郑州 450007；3.郑州科技学院 河南 郑州 450007；4.郑州轻工业大学 电气信息工程学院 河南 郑州 450007）

一、引言

汽车产业是国家经济和社会发展的支柱产业，对国民经济发展起着重要支撑作用。发动机作为汽车心脏，其质量和可靠性对汽车安全、稳定运行有重要影响。在发动机系统中，机油泵是燃油供给系统中的关键部件［1-2]，主要作用是满足发动机各种工况对燃油的要求，减少零件的摩擦磨损，使发动机得到可靠的润滑，机油泵品质直接影响发动机的工作性能和使用寿命。因此，为提高产品质量和减少故障率，迫切需要研制一套综合测试系统对机油泵设备进行质量分析和安全性能检测。

机油泵质量和性能分析是发动机润滑系统评价中重要环节，根据国家标准（JB / T888 6-1999）所规定，需要对机油泵转速特性、压力特性、通用特性、限压阀工作特性等6项指标进行测试，检测工序多，数据处理量大，机油泵性能综合测试是一项繁琐、复杂任务。目前，国内大多数车企业仍然沿用传统人工和半自动化设备检测［3-4]，整体设备测试精度差，检测效率低下，灵活性不足，相对于国外先进水平仍存在一定差距。

近些年，国内高校和企业已经逐步研发自动化测试装置来实现机油泵的各项性能评估。［5-6]但上述成果更多关注定排量发动机，而缺乏关于变排量发动机深入研究。事实上，随着节能减排政策对汽车发动机能耗和控制水平提出更高要求，传统定排量机油泵依据发动机的最大功率进行排量，在发动机正常工况下，导致功率大量消耗和润滑油浪费。近些年，研究变量式机油泵成为发展必然选择［7-9]，变量式机油泵能够根据发动机不同的运行工况调整最佳的机油排量，降低发动机的能耗，减少环境污染，广泛应用于新型混合动力汽车中。因此，成为当前汽车发动机领域研究热点。

综上所述，本文研发一套变排量机油泵智能测控系统，实现多特性性能测试。首先深入分析机油泵测试需求，然后建立一套基于工控机IPC、触摸屏HMI、西门子PLC的控制系统方案。其次，通过理论计算与实际结构参数的对比，采用LabVIEW软件进行多点自动控制测量而采集的性能数据分析，由计算机输出各种特性图和分析结果。可用于汽车机油泵的综合性能和可靠性进行检测和试验，还可以实现机油泵压力波动（脉动）、容积效率与总效率评估、消耗功率评估等有关机油泵多项技术指标的智能化和自动化测试。

二、变量式机油泵原理

变排量机油泵主要由泵体、电磁阀、定子、转子等部分组成。变排量机油泵原理是根据发动机工况精确的控制机油泵的流量，变排量设计依据排量与转子和定子之间偏心距的正比关系，通过控制机构改变某些工况下偏心距，降低机油泵的驱动力，从而减小机油泵输出流量，实现发动机燃油耗的降低。

在机油泵综合测试系统中，流量、压力、扭矩、转速、温度等试验参数的检测是整个控制系统的重要组成部分，是试验台能否对机油泵性能进行高精度检测的关键。主要包括机油泵转速特性、压力特性、通用特性、限压阀工作特性等，通过对型号试验项目获取的测试数据，然后求取各项指标，并获取性能理论曲线。例如，对应于不同转速点绘制流量-压力特性曲线，不同压力点绘制流量-转速特性曲线以及压力突变时限压阀开启的压力值。

三、整体控制方案

（一）硬件方案

在仔细分析变量式机油泵测控系统功能需求基础上，本文设计一套基于工控机IPC、触摸屏HMI、西门子PLC构成的一体化智能测控系统，系统控制方案如图1所示。

图1 机油泵智能测控系统整体方案

上位机中，首先采用底层PLC系统及时获取生产过程数据。在此基础上，设计一套基于 LabVIEW 软件平台，实现数据采集、存储、分析以及性能测试等功能，对机油泵测试台进行远程监控、管理、操作。软件采用模块化设计方式，可根据需求灵活调整，包括友好的人机操作界面、性能曲线的绘制及报表打印、历史数据库管理等功能。

同时，为满足用户便捷化操作需求，系统配备高清触摸屏HMI，能够实时显示动态曲线、显示当前工作状态，也可设定测试系统参数，实现友好人机交互。

底层采用基于PLC构成先进过程控制系统，主要负责采集机油温度、转速等关键参数，以及对执行机构的具体控制。综合考虑生产工艺复杂性、成本因素及兼容性等条件，本文采用SIMATIC的高性能S7-300系列产品，配以通信模块、电源模块、I/O模块、A/D模块和D/A模块，其中模块数目根据设备输入输出信号节点数目确定。系统主要分为以下三部分：

检测系统是整个控制系统的重要组成，该部分主要使用先进传感器采集关键工艺参数，包括电机转速和输出扭矩、机油温度和机油泵的进出口压力以及喷油量等。例如，机油温度是关键参数，根据标准要求，油温测量精度为±1℃。因此，项目中选OMORN温度控制器，检测热工信号以4～20mA电流送入PLC的模拟量。同时，在测试系统中也存在部分开关量输入信号，例如电机起停、加热管开启状态等。

控制系统是PLC系统核心，主要目的是实现油温、压力及转速的稳定控制，例如转速控制单元主要由伺服电机、变频器和扭矩、转速传感器组成，通过转速传感器检测转速反馈值，模拟机油泵实际运行情况。

（二）硬件方案

系统测试平台分为自动和手动模式，可通过预先设定的试验参数进行自动测试，也可利用计算机远程操作或现场触摸屏手动调试。系统整体测试流程如图2所示。

图2 智能测控系统测试流程

测试台通上电后，首先PLC及触摸屏自动进行参数初始化及故障诊断，判断各元件是否能正常工作。其次，测试台判断计算机、触摸屏及所有元件均能使用后，下一步，液压电控元件动作（通断/开度控制）调节油液流向及系统负载，PLC控制伺服驱动器使伺服电机动作，从辅助油箱内吸取一定温度的油液对管道进行预热，预热完成后调解伺服电机速度和系统压力，各传感器采集对应数据显示在触摸屏和计算机中，并在计算机中利用组态软件进行制图、制表等数据处理功能。

四、系统软件设计

LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司研制的一种图形化的编程语言，可作为标准数据采集和仪器控制软件，能够实现图形化用户界面开发、数据采集、仪器控制、信号处理、控制与仿真、数据管理、记录与报表生成等，功能强大、结构灵活，易于用户根据项目需求建立基于虚拟仪器开发和测试平台，在工业界和学术界应用极其广泛。同时，LabVIEW集成满足VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信功能，高效便捷地实现与其他编程语言的交互设计，例如通过OPC或者DLL方式与Matlab或VC等程序语言混合编程，提高程序设计灵活性，丰富控制软件功能。

因此，本文利用LabVIEW软件研发一套智能测试系统，按照模块化设计方法，该系统包括登录界面、工艺显示、性能测试、数据管理、故障预警、数据打印等模块组成。其中，登录界面能够根据工程需要定义差异化用户类型，赋予不同级别管理权限，一般分为客户模式、操作员、管理员，客户模式下只能调取曲线和数据显示，而无法修改任意参数，相反操作员模式下，技术人员能够根据需求修改工艺或控制参数，而管理员模式可修改底层程序代码或者调整架构。

工艺画面是模拟整个测控系统运行状态，图3为基于LabVIEW的机油泵测控系统工艺图，以可视化方式，直观显示工艺流程，便于工程人员及时掌握设备运行信息。

图3 机油泵测控系统工艺图

机油泵性能测试模块是控制软件核心，包括测试类型选择、参数修改等功能，试验类型包括油泵转速特性试验、压力特性试验、压力波动（脉动）试验、黏度特性试验、通用特性试验、起动出油特性试验、限压阀工作特性试验。参数选择则包括试验编号、机油泵型号等，系统可预先存储10种以上试验系统参数，用户输入编号自动加载相关测控参数。

控制模块主要显示转速、油温、压力等控制参数，技术人员可修改PID参数、控制器的工作模式、手动输出等。历史数据管理模块主要建立转速、油温、油压、流量等关键参数的数据库，方便工程人员描绘历史数据趋势曲线，同时在深入分析工业历史数据基础上，提取有价值操作信息，改进工艺参数。实时监控模块主要监控测控系统运行状态，当系统发生故障时，立即弹出报警对话框，并在屏幕前端显示故障类型、时间、当前值等，并伴随报警声音，及时提醒工程人员消除故障。

为验证测控系统有效性，本文以湖南机油泵股份有限公司变排量机油泵为测试对象，选取5台工装样件。根据JB / T 8886-1999《内燃机机油泵试验方法》和JB / T51051-1999《内燃机机油泵产品可靠性考核》，通过大量数据分析，建立油泵转速特性试验、压力特性试验、压力波动（脉动）试验、黏度特性试验、通用特性试验、起动出油特性试验、限压阀工作特性试验等测试数学模型，能够有效检测汽车油泵性能，产品性能合格。相对于传统人工检测，该系统检测精度高，效率快，降低劳动强度，能够满足企业大规模批量化生产需求。该设备成功研发对于提高我国汽车产业技术实力，增强市场竞争力具有重要现实意义。

五、结论

本文研发一套基于LabVIEW的变量式机油泵智能测控系统，可实现对汽车机油泵综合性能测试。其中底层采用PLC控制系统，负责温度、压力、转速等关键参数智能检测与稳定控制，上位机中研发LabVIEW测试系统，实现过程数据统计分析、智能决策、故障诊断、远程监控等功能。应用于国内某油泵公司，运行结果表明该系统能完成压力、流量等特性综合测试，检测精度高、速度快，满足国家相关标准要求，在汽车领域具有广阔市场前景。