章信華，嵇建波，熊 川

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

柴油機(jī)做為工礦機(jī)械設(shè)備的主要?jiǎng)恿υ?，故柴油機(jī)的動(dòng)力性能對(duì)工礦機(jī)械設(shè)備至關(guān)重要。而噴油泵又是柴油機(jī)的心臟,故噴油泵的性能又決定了柴油機(jī)的動(dòng)力性能[1]。油泵試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)有的是使用單片機(jī)單獨(dú)控制、微機(jī)顯示,或采用微機(jī)控制和單片機(jī)控制相結(jié)合的方法[2-4]，但由于這種控制方式的可靠性都較差，所以試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的主流方式都是采用PLC做控制器[5-8]，觸摸屏做為顯示器[5-7]。有的采用三菱公司的FX1N-24MR型PLC,富士觸UG530H- VS1型觸摸屏做為顯示器[5]，有的采用西門子的S7-200型PLC做控制器[6-7]，但這些型號(hào)的PLC和觸摸屏都已經(jīng)非常老舊，甚至已經(jīng)停產(chǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的需求，而近年來(lái)試驗(yàn)臺(tái)的控制器都是采用最新型的PLC，例如西門子的S7-1500型PLC[8]。

我公司的老舊油泵試驗(yàn)臺(tái)是采用單片機(jī)控制的，可靠性差；噴油量的測(cè)量是采用量筒測(cè)量體積的方式,這種通過(guò)肉眼觀測(cè)的方式會(huì)導(dǎo)致讀取誤差非常大；另外試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警都是通過(guò)幾個(gè)數(shù)碼管、物理指示燈顯示,存在人機(jī)交互不友好、顯示的信息量少等諸多缺點(diǎn)，結(jié)果導(dǎo)致工人測(cè)試效率十分低下，且易出現(xiàn)操作失誤和引起安全事故。故有必要重新設(shè)計(jì)一套新的控制系統(tǒng)來(lái)改造這些老舊試驗(yàn)臺(tái)；而本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)智能控制系統(tǒng)，采用的是西門子最新的S7-1200型PLC和KTP1000型觸摸屏及其配套模塊，使試驗(yàn)臺(tái)的硬件性能和用戶體驗(yàn)得到了很大的提升，不僅大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且使測(cè)試一個(gè)噴油泵的時(shí)間，由原來(lái)的40 min縮短到10 min，從而極大地提高了測(cè)試效率。該試驗(yàn)臺(tái)的智能控制系統(tǒng)，體現(xiàn)在先進(jìn)的硬件、算法和美觀的人機(jī)交互界面上。

1 試驗(yàn)臺(tái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)參數(shù)包括：

1)電機(jī)額定功率55 kW;

2)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是0～3 000 rpm;

3)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差為±2 rpm;

4)可同時(shí)測(cè)量機(jī)械泵和電控單體泵;

5)單次噴油量范圍是0～2 000 g;

6)單次測(cè)試噴油泵的時(shí)間小于20 min;

7)可設(shè)置任意工況;

8)具有安全報(bào)警功能。

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為噴油計(jì)數(shù)模塊、主軸轉(zhuǎn)速模塊和油量計(jì)數(shù)模塊3大模塊設(shè)計(jì)[9]，噴油泵試驗(yàn)臺(tái)的硬件系統(tǒng)包含觸摸屏、PLC模塊、稱重模塊、AMK電機(jī)、模擬量傳感器組、數(shù)字量輸入點(diǎn)和執(zhí)行器組，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理如圖1所示。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞，觸摸屏主要是完成與操作人員的交互功能，包括參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、打印、存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)[10]；在PLC的最左邊，連接了1個(gè)8通道的模擬量輸入模塊SM1231[11]，以獲取所有的模擬量傳感器參數(shù)；在模擬量模塊的右邊，連接了2個(gè)232串口模塊CM1241[12]，分別和稱重模塊、AMK電機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重模塊、AMK電機(jī)的控制；在PLC的上面，直接使用網(wǎng)線和觸摸屏通信[4]，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC的控制和顯示其重要參數(shù)；另外PLC的本體具有14個(gè)數(shù)字量輸入端口和10個(gè)數(shù)字量輸出端口[12]，分別連接所有的數(shù)字量輸入點(diǎn)與執(zhí)行器組。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏采用的是西門子KTP1000 Basic彩色PN型，可以與S7-1200控制器無(wú)縫兼容。還具有單獨(dú)的可組態(tài)功能鍵，這些功能鍵提供了觸摸反饋功能，增強(qiáng)了可用性和操作可靠性[11]。

PLC采用西門子的S7-1200型PLC,該小型可編程控制器具有集成PROFINET接口和強(qiáng)大的集成工藝功能，滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動(dòng)化需求。該控制器帶有多達(dá)6個(gè)高速計(jì)數(shù)器。其中3個(gè)輸入為100 kHz，3個(gè)輸入為10 kHz，用于計(jì)數(shù)和測(cè)量[12]。

稱重模塊用于稱取每次噴油泵的噴油量，采用了梅特勒一托利多WKE2002型稱重模塊，該稱重模塊使用串口通訊,通過(guò)發(fā)送不同的指令,來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能,包括“去皮指令”、“置零指令”、稱重指令等等。該稱重模塊的精度達(dá)到10 mg,最大量程為2 550 g[13],實(shí)際使用時(shí),PLC是通過(guò)串口模塊CM1241和該稱重模塊通信,來(lái)達(dá)到稱重的目的。

電機(jī)是用于驅(qū)動(dòng)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，采用了AMK伺服電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的速度,位置精度非常準(zhǔn)確,不僅反應(yīng)快速,且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高,當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降[14]。PLC也是通過(guò)串口模塊CM1241與AMK伺服電動(dòng)機(jī)通信，通過(guò)向電機(jī)發(fā)送不同的指令,來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能,包括“啟動(dòng)電機(jī)”,“設(shè)置轉(zhuǎn)速,“停止電機(jī)等等。

傳感器組采集的都是試驗(yàn)臺(tái)的重要模擬量參數(shù)，這些傳感器的輸出量都是4～20 mA電流，PLC使用專用的模擬量采集模塊SM1231，來(lái)采集這些模擬量，傳感器組包含以下傳感器：

1)燃油溫度傳感器；

2)機(jī)油溫度傳感器；

3)噴油溫度傳感器；

4)燃油壓力傳感器；

5)機(jī)油壓力傳感器；

6)空氣壓力。

數(shù)字量輸入點(diǎn)獲取試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油次數(shù)、燃油液位低和物理按鈕輸入等等。所有的數(shù)字量輸入點(diǎn)都直接輸入PLC的本體模塊，輸入點(diǎn)和分配好的I/O地址是：DI0.0—燃油液位低；DI0.1—機(jī)油液位低；DI0.2—防護(hù)門未關(guān)；DI0.3—計(jì)數(shù)開；DI0.4—計(jì)數(shù)關(guān)；DI0.5—燃油泵起動(dòng)；DI0.6—燃油泵停止；DI0.7—機(jī)油泵起動(dòng)；DI1.0—機(jī)油泵停止；DI1.1—燃油濾清堵塞；DI1.2—機(jī)油濾清堵塞；DI1.3—電機(jī)脈沖；DI1.4—排油泵啟動(dòng)。

執(zhí)行器組用來(lái)完成試驗(yàn)臺(tái)的多種控制功能，都是通過(guò)數(shù)字量輸出控制的，所有的數(shù)字量輸出點(diǎn)都直接由PLC的本體模塊輸出。這些執(zhí)行器和分配好的I/O地址：DQ0.1—燃油加熱；DQ0.2—機(jī)油加熱；DQ0.3—聲光報(bào)警燈；DQ0.4—排油泵；DQ0.5—燃油泵啟停；DQ0.6—機(jī)油泵啟停；DQ0.7—噴油計(jì)數(shù)擋板。

2 試驗(yàn)臺(tái)的核心算法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)很多邏輯控制功能，這些邏輯控制功能都有相應(yīng)的算法，最終在PLC中編程實(shí)現(xiàn)這些算法。這些算法包括：

1)模擬量濾波算法。試驗(yàn)臺(tái)中的模擬量包括燃油的油溫和油壓、機(jī)油的油溫和油壓等等。模擬量濾波采用“中位值平均濾波法 ”，即連續(xù)采樣4次值，去掉最大值和最小值，對(duì)剩下來(lái)的2個(gè)值取平均值，該平均值即是濾波后得到的值，算法流程如圖2所示，公式如式(1)所示:

mout=(m1+m2+m3+m4-mmin-mmax)/2

(1)

式中，mout為濾波輸出值，m1、m2、m3、m4分別為連續(xù)4次的采樣值，mmin為4次采樣值中的最小值，mmax為4次采樣值中的最大值；

2)試驗(yàn)臺(tái)的安全報(bào)警算法。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并停機(jī)，從而保證了工人的安全。其中機(jī)油液位低報(bào)警算法如圖3所示，其他的報(bào)警算法是相似的。

3)燃油和機(jī)油的溫控算法。燃油和機(jī)油的溫度控制，通常采用工業(yè)中最常用的PID算法控制[15-16]，以使溫度達(dá)到設(shè)置值。PID的公式如式(2)所示：

(2)

式中，Kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)，e(t)為給定值和測(cè)量值之差，u(t)為PID控制器的輸出；

4)啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的流程。啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)包含一些固定的步驟，這些步驟具有嚴(yán)格的先后順序，只有嚴(yán)格執(zhí)行這些步驟，才能正常啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的步驟如下所示：

(1)打開燃油泵;

(2)打開機(jī)油泵;

(3)選擇電機(jī)的正反轉(zhuǎn);

(4)單擊“啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)電機(jī);

(5)通過(guò)“手動(dòng)擋”或者“自動(dòng)擋”設(shè)置工況，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油的次數(shù)的設(shè)置；設(shè)置好之后，電機(jī)將按照設(shè)置的速度，帶動(dòng)凸輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪箱中的凸輪驅(qū)動(dòng)噴油泵開始噴油。

5)噴油泵測(cè)試流程。工人完成一次噴油量測(cè)量的完整步驟如下：

(1)按下“計(jì)數(shù)”按鈕;

(2)試驗(yàn)臺(tái)將打開“擋板”，燃油將進(jìn)入稱重模塊;

(3)試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前噴油的次數(shù);

(4)當(dāng)噴油次數(shù)達(dá)到設(shè)置的次數(shù)時(shí)，關(guān)閉“擋板”;

(5)延遲5 s，等待油量穩(wěn)定;

(6)試驗(yàn)臺(tái)向“稱重模塊”發(fā)送稱重指令，得到這次的“噴油量”;

(7)啟動(dòng)排油泵，將“稱重模塊”中的油排出。

圖2 中位值平均濾波法 圖3 機(jī)油液位低報(bào)警算法

3 試驗(yàn)臺(tái)觸摸屏的組態(tài)界面設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的觸摸屏主要是完成與操作人員的交互功能，包括參數(shù)設(shè)定、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)顯示等等，操作人員使用它進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的控制。觸摸屏的界面設(shè)計(jì)是通過(guò)組態(tài)程序完成的，要求組態(tài)界面具有良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，以及將重要參數(shù)放在界面的核心區(qū)域等等。觸摸屏組態(tài)軟件界面如圖4所示，該界面按照不同的屬性劃分，分為以下幾個(gè)區(qū)域：

圖4 觸摸屏顯示界面

1)“參數(shù)顯示”區(qū)域。該區(qū)域位于頂部，顯示試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵模擬量，顯示以下參數(shù)：燃油壓力、機(jī)油壓力、扭矩等6個(gè)模擬量參數(shù)。

2)“報(bào)警”區(qū)域。該區(qū)域用來(lái)向工人顯示所有報(bào)警信息，以提醒工人未完成哪些關(guān)鍵步驟，或者顯示試驗(yàn)臺(tái)的一些設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，從而引導(dǎo)工人維修相應(yīng)的設(shè)備，以及保障了工人的安全；該區(qū)域顯示了以下報(bào)警：緊急停機(jī)、防護(hù)門未關(guān)、噴油器未壓緊、5 u燃油濾堵塞、10 u燃油濾堵塞等14個(gè)報(bào)警。

3)“參數(shù)測(cè)量”區(qū)域。該區(qū)域顯示的是試驗(yàn)臺(tái)最重要的核心參數(shù)，所以放在整個(gè)界面的正中間，且字體也是最大的。該區(qū)域顯示了以下參數(shù)：

(1)轉(zhuǎn)速： 即電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速；

(2)噴油次數(shù)：即當(dāng)前已完成的噴油次數(shù)；

(3)本次噴油量；

(4)上次噴油量。

4)油筒油量顯示構(gòu)件。該構(gòu)件實(shí)時(shí)向工人顯示油筒當(dāng)前燃油的重量，當(dāng)油筒里面的燃油達(dá)到極限值時(shí)，以提醒工人按下“排油泵啟動(dòng)”按鈕，將油筒里面的燃油排空，為下一次測(cè)試做準(zhǔn)備。

“轉(zhuǎn)速設(shè)定及控制”區(qū)域。該區(qū)域分為“手動(dòng)檔位”和“自動(dòng)檔位”，用來(lái)設(shè)置噴油泵的工況，工況的設(shè)置包含2個(gè)參數(shù)的設(shè)置，即：噴油次數(shù)、轉(zhuǎn)速設(shè)置。

“手動(dòng)檔位”區(qū)域需要工人手動(dòng)輸入這2個(gè)參數(shù)，為了方便更改轉(zhuǎn)速，添加了“轉(zhuǎn)速+”和“轉(zhuǎn)速-”2個(gè)按鈕，每次單擊這2個(gè)按鈕，可以將轉(zhuǎn)速增加或者減小50 rpm；另外為了方便工人的操作，將常用的6組工況參數(shù)預(yù)先輸入“自動(dòng)檔位”中，并編號(hào)為F1至F6擋，工人在使用的時(shí)候，直接點(diǎn)擊界面最下面的按鈕F1至F6，即可切換到相應(yīng)的工況。

5)“電機(jī)設(shè)置”區(qū)域。該區(qū)域位于整個(gè)界面的右下角，包含4個(gè)按鈕，且每一個(gè)按鈕上添加了指示燈，當(dāng)單擊了該按鈕后，按鈕上的指示燈會(huì)點(diǎn)亮，從而大大增強(qiáng)了人機(jī)交互體驗(yàn)。4個(gè)按鈕分別是：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止按鈕，這4個(gè)分別用來(lái)設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)向和啟停的。

另外，對(duì)于部分頻繁使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)，采用了物理按鈕，不僅方便工人的使用，同時(shí)延長(zhǎng)觸摸屏的使用壽命。這些按鈕包括：排油泵啟動(dòng)、量油計(jì)數(shù)開、量油計(jì)數(shù)關(guān)、燃油泵起動(dòng)、燃油泵停止、機(jī)油泵起動(dòng)、機(jī)油泵停止等7個(gè)按鈕。

4 系統(tǒng)安裝及調(diào)試結(jié)果

正在安裝的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，該試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)安裝好了觸摸屏，AMK電機(jī)，PLC等等模塊。

圖5 噴油泵試驗(yàn)臺(tái)

系統(tǒng)安裝完成后，即可在試驗(yàn)臺(tái)上安裝噴油泵進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試步驟如下:

1)安裝好噴油泵；

2)啟動(dòng)燃油泵和機(jī)油泵；

3)在觸摸屏上設(shè)置好相應(yīng)的工況參數(shù)；

4)啟動(dòng)AMK主電機(jī)，電機(jī)將按照設(shè)置的轉(zhuǎn)速開始運(yùn)行；

5)噴油泵將在電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)下，開始噴油；

6)“稱重模塊”將測(cè)量噴油泵在該工況下的噴油量。

首先測(cè)試了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速值設(shè)置為0～3 000 rpm之間的任意值，發(fā)現(xiàn)都能達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速誤差都在±2 rpm以內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)滿足轉(zhuǎn)速指標(biāo)；對(duì)同一個(gè)噴油泵進(jìn)行多次測(cè)量，并和標(biāo)準(zhǔn)泵的噴油量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)噴油量的誤差在5%以下，說(shuō)明了試驗(yàn)臺(tái)能夠可靠測(cè)量噴油泵的噴油量；將噴油泵的工況設(shè)置為最工況，測(cè)試其噴油量達(dá)到2 000 g，說(shuō)明了試驗(yàn)臺(tái)滿足噴油量范圍是0～2 000 g的指標(biāo)。并對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試一個(gè)噴油泵的時(shí)間，由原來(lái)的40分鐘縮短到10分鐘，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)滿足單次測(cè)試噴油泵時(shí)間小于20分鐘的指標(biāo)。綜上可知，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)的所有指標(biāo)，能夠滿足企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)，采用西門子產(chǎn)品線中最新的S7-1200型PLC和KTP1000型觸摸屏做為試驗(yàn)臺(tái)的控制中樞和顯示界面，可以自動(dòng)地控制主軸轉(zhuǎn)速、噴油計(jì)數(shù)、燃油溫度、壓力等等，能夠完成噴油泵在任意工況下噴油量的測(cè)量。該系統(tǒng)于2014年在重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司正式立項(xiàng)，并命名為“55 kW油泵試驗(yàn)臺(tái)”，并于2015年開始正式投入生產(chǎn)，投產(chǎn)至今，為企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。目前該試驗(yàn)臺(tái)1次只能測(cè)試1個(gè)噴油泵，效率偏低，而可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)噴油泵的技術(shù)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)難點(diǎn)，也是以后要研究的方向。