韓丹

基于物聯(lián)網(wǎng)的高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓丹

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

高壓共軌系統(tǒng)作為目前柴油機(jī)普遍采用的噴油系統(tǒng)，可以提高燃燒效率，降低尾氣污染物排放。為解決高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)因不具備聯(lián)網(wǎng)功能而無(wú)法進(jìn)行噴油規(guī)律數(shù)據(jù)搜集和分析的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)模式的高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。采用觸摸屏作為本地人機(jī)交互方式，物聯(lián)網(wǎng)通信模塊為遠(yuǎn)程通信方式，實(shí)現(xiàn)了在良好人機(jī)交互的前提下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能，為電控燃油噴射系統(tǒng)噴油規(guī)律的研究提供了基礎(chǔ)。

高壓共軌系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；燃油噴射

引言

高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)是研究噴油規(guī)律和校驗(yàn)噴油器的主要裝備，在柴油機(jī)的研發(fā)、應(yīng)用和維修中有著不可替代的作用。目前高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用中以校驗(yàn)噴油器為主，僅具有噴油器控制、軌壓監(jiān)控、流量監(jiān)測(cè)等功能，且為單機(jī)獨(dú)立工作模式，不具備聯(lián)網(wǎng)功能。單機(jī)獨(dú)立工作的高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)噴油規(guī)律數(shù)據(jù)搜集和分析能力較弱，無(wú)法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集和分析任務(wù)，限制了在其噴油規(guī)律研究中的應(yīng)用。因此本文研究在試驗(yàn)臺(tái)常用功能基礎(chǔ)上增加聯(lián)網(wǎng)功能和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能的物聯(lián)網(wǎng)高壓共軌試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)和噴油數(shù)據(jù)的本地和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，為噴油規(guī)律的大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。

1 電控燃油噴射系統(tǒng)

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)油路部分如圖1所示，主要包括高壓油泵、高壓油管、共軌管、噴油器、回油管等組成。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)工作時(shí)，首先由低壓油泵向高壓油泵供給低壓燃油，高壓油泵在主軸帶動(dòng)下將燃油通過(guò)高壓油管輸送至共軌管，使共軌管內(nèi)燃油維持一定范圍內(nèi)，在ECU控制下高壓油管內(nèi)的高壓燃油通過(guò)噴油器噴射定量的燃油，完成噴油過(guò)程。由于噴射過(guò)程全部為電子控制，可以靈活控制噴油時(shí)刻和噴油量。較高的燃油壓力可以使噴射更均勻一致，燃燒更充分，因此可以提高燃油燃燒效率。

圖1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)燃油噴射過(guò)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，采用周立功IoT9608工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器作為核心設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。IoT9608控制器是由廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)專用控制模塊，如圖2所示。該模塊基于Cortex-A8 AM3352處理器開(kāi)發(fā)，包含8路A/D轉(zhuǎn)換、18個(gè)IO端口、支持RS485通信和多種聯(lián)網(wǎng)方式，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 IoT9608控制器實(shí)物圖

由表1可知，IoT6908支持多種通信方式并包含多個(gè)外設(shè)接口，足夠滿足試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控需求。測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由以IoT9608為核心的監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器兩部分組成。監(jiān)控終端主要完成試驗(yàn)臺(tái)控制，包括傳感器信號(hào)采集、軌壓控制和噴油器控制等；遠(yuǎn)程服務(wù)器接收監(jiān)控終端記錄的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)值數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于試驗(yàn)臺(tái)安裝在室內(nèi)固定環(huán)境，安裝環(huán)境中多具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信采用了WiFi通信方式，監(jiān)控終端通過(guò)WiFi模塊連接至互聯(lián)網(wǎng)并訪問(wèn)遠(yuǎn)程服務(wù)器。

監(jiān)控終端的人機(jī)交互部分選用威綸通公司的MT8101iE工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能。

表1 IoT9608參數(shù)列表

3 監(jiān)控終端硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，良好的硬件設(shè)計(jì)可以減小干擾、提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。為此，本文基于IoT9608設(shè)計(jì)了傳感器信號(hào)采集電路、燃油計(jì)量單元驅(qū)動(dòng)電路和噴油器驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)和噴油控制。

3.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)中傳感器分別為測(cè)量共軌壓力的軌壓傳感器、測(cè)量噴油量的噴油量傳感器、測(cè)量回油量的回油量傳感器和測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，其中軌壓傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器，工作時(shí)隨著共軌壓力的變化傳感器電阻值發(fā)生變化，然后通過(guò)惠斯通電橋和轉(zhuǎn)換電路將電阻值轉(zhuǎn)換為0-5V電壓信號(hào)；噴油量和回油量傳感器通過(guò)測(cè)量一定噴油次數(shù)時(shí)噴油和回油量杯內(nèi)的液位高度得到測(cè)量結(jié)果，并將液位高度轉(zhuǎn)換為0-5V電壓信號(hào)；主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量采用Omron公司的工業(yè)級(jí)E6C2系列200線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)量，改編碼器可以將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為200，因此可以通過(guò)測(cè)量脈沖頻率的方式得到主軸轉(zhuǎn)速。

綜上，傳感器按輸出信號(hào)可以分為0-5V模擬量傳感器和脈沖數(shù)字量傳感器兩類。通過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)模擬量傳感器在試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)會(huì)受到較大干擾，如果不濾除干擾信號(hào)則無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。由于干擾信號(hào)為高頻信號(hào)，而實(shí)際信號(hào)變化緩慢，因此設(shè)計(jì)了RC低通濾波電路。所有模擬量傳感器均有參考地、信號(hào)輸出和參考5V電源三個(gè)引腳，輸出信號(hào)為0-5V，軌壓傳感器對(duì)應(yīng)實(shí)際軌壓值為0-150MPa，噴油量和回油量傳感器對(duì)應(yīng)實(shí)際油量為0-50ml。輸出信號(hào)經(jīng)濾波電路后連接至IoT9608控制器的ADC端口，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)線性變換得到測(cè)量結(jié)果的實(shí)際值。脈沖數(shù)字量傳感器由于輸出為數(shù)字脈沖信號(hào)可以由控制器的IO端口直接測(cè)量，因此旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出端直接連接至控制模塊的IO端口，通過(guò)測(cè)量脈沖頻率得到主軸轉(zhuǎn)速值。

3.2 燃油計(jì)量單元驅(qū)動(dòng)電路

由于IoT9608控制器的IO端口輸出能力有限，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)燃油計(jì)量單元，因此需要專門的信號(hào)放大電路將控制器的控制信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)燃油計(jì)量單元。

在博世官方給出的的工作參數(shù)中，線圈電阻為2.6~3.15Ω，燃油計(jì)量單元開(kāi)閉大小受工作電流控制，無(wú)供電時(shí)處于最大狀態(tài)，電流越大閥門越小，其中最大工作電流為1.8A。由此，可以采用脈寬調(diào)制（PWM）的方式對(duì)燃油計(jì)量單元開(kāi)閉大小進(jìn)行控制，通過(guò)控制器IO端口輸出PWM信號(hào)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)工作電流調(diào)節(jié)。博世官方給出的參考脈寬調(diào)制控制頻率范圍為165~195Hz。電路采用P-MOS管AO3401對(duì)單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)燃油計(jì)量單元。

3.3 噴油器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于噴油器開(kāi)啟和保持需要不同的工作電流，因此驅(qū)動(dòng)電路需要根據(jù)噴油器的狀態(tài)切換輸出電流。本文采用了雙占空比 PWM 脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，在開(kāi)啟階段為保證較高的電流采用 100%占空比即全開(kāi)輸出，當(dāng)噴油器開(kāi)啟后立刻轉(zhuǎn)入低占空比使噴油器處于保持狀態(tài)，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)噴油器開(kāi)啟后占空比在 15%比較合適。

圖4 噴油器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

噴油器的驅(qū)動(dòng)電壓為48V，開(kāi)啟時(shí)電流要求為19.3A，但開(kāi)啟時(shí)刻的瞬時(shí)電流可以達(dá)到數(shù)十安培到上百安培，因此驅(qū)動(dòng)模塊要有較大的電流余量，但大電流MOS管存在發(fā)熱嚴(yán)重、成本高昂的問(wèn)題，本文采用了4個(gè)IR3205 N-MOS管并聯(lián)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且采用光耦隔離方式將控制器的控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路隔離開(kāi)，避免了噴油器通斷時(shí)對(duì)控制器的干擾，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件包含IoT9608控制器Linux程序和觸摸屏人機(jī)交互界面兩部分，其中Linux程序由A/D轉(zhuǎn)換子程序、脈沖頻率計(jì)數(shù)子程序、噴油器控制PWM子程序、軌壓控制子程序、WiFi通信子程序和Modbus通信子程序組成，各子程序分別占用一個(gè)進(jìn)程共同完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)。A/D轉(zhuǎn)換子程序完成模擬量傳感器的數(shù)據(jù)采集和線性變換任務(wù)，脈沖頻率計(jì)數(shù)子程序完成旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖采樣并計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速，噴油器控制PWM子程序根據(jù)設(shè)置的噴油次數(shù)和脈寬完成噴油動(dòng)作，軌壓控制子程序讀取當(dāng)前共軌壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整燃油計(jì)量單元開(kāi)度，WiFi通信子程序完成所有參數(shù)向遠(yuǎn)處服務(wù)器的上傳任務(wù)，Modbus通信子程序接收觸摸屏的Modbus指令并進(jìn)行解碼，根據(jù)指令要求向其他個(gè)子程序發(fā)送設(shè)置值或讀取參數(shù)值。

觸摸屏人機(jī)交互界面是操作人員對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)置和操作的工作界面，主要完成試驗(yàn)臺(tái)工作參數(shù)設(shè)置，如共軌壓力、噴油脈寬、噴油次數(shù)等，并進(jìn)行工作過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和本地存儲(chǔ)。

5 遠(yuǎn)程服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

圖5 服務(wù)器工作流程圖

遠(yuǎn)程服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)網(wǎng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要方式，一臺(tái)服務(wù)器可以同時(shí)接受和監(jiān)控多臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)，為噴油數(shù)據(jù)的搜集提供有效手段，也是進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的必要條件。遠(yuǎn)程服務(wù)器主要作為服務(wù)端響應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的存儲(chǔ)服務(wù)請(qǐng)求，采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，服務(wù)器工作流程如圖5所示，在接收到試驗(yàn)臺(tái)發(fā)送的工作參數(shù)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)查詢和分析，數(shù)據(jù)庫(kù)字段包括噴油器型號(hào)、記錄時(shí)間、共軌壓力實(shí)際值、共軌壓力設(shè)定值、噴油脈寬、噴油次數(shù)、噴油量、回油量等。

6 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT設(shè)計(jì)了高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)控制器IoT9608為核心實(shí)現(xiàn)了噴油控制、軌壓控制、噴油量和回油量監(jiān)測(cè)、主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)等測(cè)控

功能，并且基于WiFi模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)功能和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)，為噴油規(guī)律的大數(shù)據(jù)積累提供了平臺(tái)。

[1]韓丹.電控燃油噴射系統(tǒng)循環(huán)供油準(zhǔn)確性相關(guān)影響因素的研究[D].石河子大學(xué),2016.

[2]李鐵栓,崔國(guó)旭,黃小丁,張幽彤.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)智能化試驗(yàn)臺(tái)研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2010(02):24-27.

[3]龔永罡,付俊英,汪昕宇,王蘊(yùn)琪,高爽.MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電腦與電信,2017(11):89-91+94.

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Design of Control System for High Pressure Common Rail Test Bench Based onthe Internet of Things*

Han Dan

（Shaanxi Polytechnic Institute, College of automobile engineering, Shaanxi Xianyang 712000）

High pressure common rail system is widely used for diesel engines, which can improve combustion efficiency and reduce exhaust emission.This paper designs high pressure common rail control system based on the Internet of things mode,in order to solve the problem that the high pressure common rail test bench cannot collect and analyze the data of fuel injection rule because of the lack of networking function.Touch screen is adopted as the local human-computer interaction mode. And the Internet of things communication module is the remote communication mode.The remote data acquisition function is realized on the premise of good man-machine interaction.It provides the foundation for the study of the injection rule of the electronic control fuel injection system.

high pressure common rail system;the Internet of things;fuel injection

U461.99

A

1671-7988(2019)14-120-04

U461.99

A

1671-7988(2019)14-120-04

韓丹（1991-），女，碩士，助教，主要從事汽車電子技術(shù)方面的研究。

院級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目（ZK18-21）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.039