（电力电子与电力传动专业论文）智能柴油发动机测功仪.pdf

摘要 本文介绍了基于电涡流测功机的发动机自动测试系统，综述了测功机的基本 原理和检测技术，为整个系统的设计奠定了理论基础。通过对测功机的自动控制 方法和发动机自动测量方法进行深入的研究，提出了1 0 0 0 k w 测功机系统硬件部 分和软件部分设计的总体思想，并在此基础上提出了相应的设计方案，详细介绍 了系统结构、工作原理和硬件结构，及软件的控制策略、算法及实现方法，并完 成了软件的编写。 该系统可完成温度、压力、转速和扭矩以及油耗率等量的测量。报警处理功 能可实现对发动机和测功机的保护，以避免温度、压力等参量的超限引起的损坏。 控制功能可实现恒转速特性、恒扭矩特性、恒位置、推进特性等工况的测控。整 个系统具有性能可靠、精度高、功能强和模块化结构等优点。 采用v i s u a l b a s i c 丌发上位机软件，p l c 和触摸屏组态软件丌发下位机软件， p 1 c 抗干扰能力强，适用于条件恶劣的工控环境，触摸屏的使用使控制系统在脱 离上位机的情况下呵照常工作，并且使参数设置数字化。根据测试的要求设计了 软件系统，将软件系统模块化，易于系统的丌发。 运行结果表明浚系统性能优良，动态响应速度快，测试精度高，是发动机性 能测试的理想测控系统，系统节省大量人力物力，具有先进的功能和潜力，用于 多方面的研究和试验，取得较好的经济和社会效益。 关键词：测功机p l c 触摸屏晶闸管智能模块 一一一! ! 查叁鲎堡! 鲎丝堡苎 a b s t r a c t t h i s p a p e r in tr o d u c e s e n g i n e a u t o m a t i 0 1 1l e s t s y s t e mb a s e d ( 1 n e l e c t r ic a v o r t e xe r g o g r a p h ，_ r h ef u n d a m e n t a lo f e r g o g r a p ha n d m e a s u r e f e n t t e c h n i q u eo fd ie s e l e n g i n eiss u m m a r iz e da s t h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h e d e s ig no ft h ew h o l e s y s t e m w ep u t f o r w a r dt h eo v e r a l li d e ao f 1 0 0 0 k w e r g o g r a p ht h r o u g hl u c u b r a t i n go f a u t o m a t i o nc o n t r o lm e a s u r eo fe r g o g r a p h a n da u t o m a t i o nl e s tm e t h o d o nt h i sb a s e ，w eb r i n gf o r w a r dd e s i g ns c h e m e a n d s y s t e ma r c h i t e c t l i k e ，w o r kp r i n c i p l e sa n dh a r d w a r es t r u c t u r ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l w ea l s o p r e s e n t c o n t r o l s t r a t e g y ，a l g o r i t h m ， r e a l i z e dm e a n so fs o f t w a r ea n dp r o g r a m m i n g t h e s y s t e m c a l la e h i e v et h em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ， r o t a t i o n a ls p e e da n dt w i s t i n gm o m e n t ，a n dp r e v e n tt h ed a m a g eo fe n g i n e a n de r g o g r a p hf r o mf a u i t sb yt h ef u n c t i o no fa l a r mp r o c e s s i n g i ta l s o f u l f i l l sd o s e d l o o pc o n t r o lot h eo p e r a t i n gm o d eo fe n g i n e ，s u c ha s c o n s t a n tr o t a t i o n a ls p e e dm o d e ，c o n s t a n tt w i s t i n gm o m e n tm o d e ，c o n s t a n t p o s i t i o na n dp u s hc h a r a c t e r i s t i ea n d s oo n t h ew h o l es y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so ft e li a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g hp r e c is i o n ，p o w e r f u lf u n c t i o na n d m o d u l a rs t r u e t u r e w ed e v e l o p u p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ew i t hv i s u a l b a s i ca n de x p l o r e1 0 w e r c o m p u t e r s o f t w a r ew i t hp l ca n dt o u c h p a n e l p l c h a sa s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c ea b i1i t y b e i n ga p p i c a b l e t ot h e i n d u s t r y c o n t r o l e n v i r o n m e n to fb a dc o n d i t i o n t h es y s t e mc a nw o r ko r d e r l yw i t h o u tu p p e r c o m p u t e ra n dh a sn u m e r i cp a r a m e t e rs e t t i n gt h o u g hu s i n gt o u c hp a n e l w e d e s i g ns o f t w a r es y s t e m i nt e r mo ft h ea i mo ft e s ta n dm o d u l a r i z et h e s o f t w a r ei no r d e rt o d e v e l o p i n gt h es y s t e me a s i l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e s y s t e m i si d e a lt e s ti n s t r u m e n to f e n g i n ed u e t op e r f e c t p e r f o r m a n c e ，r a p i d l yd y n a m i cr e s p o n s e ，a n dh i g h p r e c i s i o n 1 h es y s t e me c o n o m i z e sai o to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s a n dh a ss u p e rf u n c t i o na n dp o t e n t j a l j tc a nb eu s e di nr e s e a r c ba n dt e s t 2 生墨叁兰塑! 兰些笙苎 in m a n ya s p e c t sa n da c h ie v eb e t t e re c o n o mjca n ds o c i a lb e n er l t s k e yw o r d s ：e r g o g r a p hp 【。ct o u c hp a n e lth y r is l o tin t e l l i g e n tm o d u e 山东人学坝i 学位论立 1 1 前言 智能柴油发动机测功仪 研究生：刘慧 导师：张庆范敦授 第一章概论 测功系统是用于测量各种动力机械转速、转矩、功率的测试设备，它作为 电机的试验负载和输出参数( 转速等) 的计量装置，在电机的生产、检验、测量 等领域有着j 14 泛的应用。近几十年来，随着生产水平的提高、科学技术的发展， 测功机已成为科研部门和动力机械生产厂必须具备的实验设备，高速、大功率、 低惯性、高稳定性的测功机系统是现代科技的需求。 电涡流测功机具有结构简单、操作方便、测试精度高和使用寿命长等特点， 其控制系统的主要任务就是通过调节内燃机油门位置和测功器励磁电流以控制 内燃机的转速和测功机的制动力矩。其不同的扭矩特性和转速特性能确保整个功 率范围内负荷稳定，并可迅速调节载卸负荷以及适用于程序控制和远程控制。因 此，在内燃机测试领域获得了广泛应用。 测功仪的功能取决于控制系统，内燃机试验工况的控制是通过对内燃机和测 功机的综合控制实现的，控制系统的控制性能决定着内燃机一测功机系统的控制 性能。只有高性能、高精度的控制系统才能使电涡流测功机系统稳定可靠的工作。 在国外，智能电涡流测功机控制系统的研制取得了一定的成就，智能测功机控制 系统的高端产品是奥地利a v l 公司s c h c k 公司发动机自动测控系统，但其昂贵的价 格是固内绝大多数企业难以接受的。在国内，近几年来随计算机技术的发展，内 燃机 i ) l k f 处于由水力测功机向智能控制电涡流测功机过渡时期。 电涡流测功机控制系统的研究涉及电力电子技术、电机学、计算机控制和测 量技术等多方面的知识，是一个综合性很强的课题，系统较为复杂，既具有重大 的科研意义，又具有很大的社会经济利益，因此，我选择了此课题。 山求人学坝i 学位论立 1 2 课题来源、研究目的和意义 本课题是济南市科委立项课题，课题研究的主要内容如卜+ ： 1 根据电涡流测功机系统的构成及基本工作原理确定控制系统的组成单元和 基本框图。 2 为各个控制单元建立数学模型，并确定控制策略和算法。 3 进一步细化基本框图，做出系统详图和个单元详图，确定系统的硬件配置。 4 根据硬件配置和数学模型，画山程序流程，进行程序设计。 5 进行程序调试、试验，做出稳定可靠的测功机实用控制系统的新产品。 由于国外测功机价格昂贵，而内燃机与发动机测试在其生产环节中又具有极 其重要的地位，所以开发研制出高性能、低成本的测功机对于提高我国内燃机发 动机质量、降低成本具有决定性的意义，这就是本课题意义所在。 山东人学顺1 学位论文 第二章柴油机与测功机的相关概念 2 1 测功机简介 电涡流测功机具有精度高、振动小、结构简单等特点，并且具有更为宽广的 转速范围及功率范围，转速白1 0 0 0 转分l 叮至2 5 0 0 0 转分甚至更高，马力可 以达到6 0 0 0 匹。此类测功机除了供一般活塞式发动机作为测功设备外，尚可以 作为燃气轮机的测功设备。 测功机主要由转予( 包括发动机驱动轴及电感器) 和摇动架( 包括产生制动力 矩的涡流环、铁芯、激磁线圈) 组成。 电涡流测功机的基本工作原理是当励磁线圈通以直流电时，在转子与铁芯间 隙处就有磁力线通过。此i b j 隙的磁通分布在转子齿顶处的磁通密度很大，而通过 齿槽处的磁通密度则很小。当转子以转速n 旋转时，则在原齿顶处变为齿槽，故 磁通减少。由电磁感应定律可知，此时将产生感应电势，力图阻止磁通的减小， 于是就有电涡流产生。 此电涡流将产生使摇动架转动的力，再通过与摇动架相连接的力臂引入称量 机构便可进行力矩测量。根据作用反作用原理，转子受到同样的一个反作用力， 产生制动力矩。在电涡流测功机中，涡流环吸收发动机的功率而产生大量的热， 此热量由冷却水带走。 2 2 测功机的分类 测功机由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器调节发动机的 负载，并同时把所吸收的发动机功率转化为热能。测力机构和测速装置则分1 0 1 i 目, 0 量发动机输出扭矩及其相应的输出轴转速。 测功机通常按制动器工作原理的不同来分类，主要有机械测功机、气力测功 机、水力测功机和电力测功机( 包括直流电力测功机、交流电力测功机、电涡流 测功机) 等基本类型，也可由几种不同类型的制动器组成组合式测功机。不同类 型的测功机具有不同的性能和使用特点。机械测功机是利用机械摩擦来测定发动 山东人学坝j j 学位论立 机的扭矩，并将吸收的能最转变为热能。机械测功机目前很少应用，这是由于它 的工作范围小，测量精度低，工作时摩擦元件白j 的摩擦系数很难保持恒定，因而 工作0 i 稳定。气力测功机一般是利用安装在发动机输出轴上的螺j i 6 | 桨或叶片旋转 时产生的反力矩束测量这时发动机安装在可以绕自身旋转轴作自由摆动的平衡 架上。气力测功机的调节与控制较网难，测量精度不高，己很少采用。水力测功 机轻载时工作不稳定，电涡流测功机具有结构简单、控制方便、有很宽的转速范 i 目和功率范围等待点因此不仅呵供般活塞式发动机作为测功设备，并能满足 燃气轮机测功的要求，因而成为目前应用最广的测功机。 测功机是根据作用力矩与反作用力矩大小相等、方向相反的原理来测量扭矩 的。因此，所测扭矩可以通过作用在测功机上的旋转力矩( 即制动器外壳反力矩) 来指示，也可以通过作用在发动机上的反力矩来指示。在内燃机台架试验中大多 采用平衡式测功机，其制动器外壳( 定子) 通过其支撑轴承可绕其纵向轴作自由摆 动。当发动机输出扭矩传给制动器外壳时，就能方便地通过与外壳相连的力臂将 扭矩传给测力机构。若旋转中心至测力端的力臂长为l ，则在力臂一端测得的力 f 与l 的乘积即为扭矩值t 。 力的测量可用各种型式的秤，如摆锤式秤、杠杆秤、弹簧秤等。在采用遥测、 自动记录或自动控制的测功机中，力的测量常使用位移或力的传感器。 2 3 测功机回路的控制模式与特性 测功机及其控制回路构成了对发动机的制动负载。测功机控制回路共有3 种控制模式可供选用：测功机恒转矩控制、测功机恒转速控制和测功机推进特性 控制测动机在不同的控制模式下运行即意味着为发动机提供了不同的制动负载 特性。 2 3 1 测功机恒转矩控制 测功机恒转矩控制模式对发动机产生的的制动负荷特性在n - m 图上的测功 机工作区域内呈水平特性曲线族。如图2 一lm 1 m v 4 所示，在低速区，特性曲线 族汇集于测功机工作区域的包线上。进行发动机试验时，只要运行工况点落在发 动机和测功机重叠的工作区域内，且满足稳定平衡的条件，则不论发动机运行时 山东大学硕1 学位论文 的输出转速如何变化，则测功杌控制回路闭环调节的作用下，一定保持发动机的 输出转矩为恒定值。 ￥ t x 猢2 l 期m 黜 蠛辩 转德 ft 搬m 图2 i 电涡流测功机恒转矩控制特性 2 3 2 测功机恒转速控制 测功机恒转速控制模式对发动机产生的的制动负荷特性在n m 图上的测功 机工作区域内呈垂直特性曲线族。如图2 2n 卜n 4 所示。进行发动机试验时，只 要运行工况点落在发动机和测功机重叠的工作区域内，且满足稳定平衡的条件， 则不论发动机运行时的输出转矩如何变化，则在测功机控制回路闭环调节的作用 下，一定保持发动机的输出转速为一恒定值。 恒转速设定值n 的取值范围为o - n ，n 为测功机设定的最大转速。 山东人学f 峨1 。学位论正 墨 要“ k ： 矗r ， 凄” i _ j ( x 2 l x j 冁；誊；r 圈2 - 2 电涡流测功机恒转速控制特性 2 4 油门回路的控制模式与特性 对发动机而言，油门控制回路与发动机的配合改变了发动机的输出负载特 性油门回路的控制模式有：油门恒位置控制、油门恒转速控制、油门恒扭矩控 制油门控制回路运行于不同的控制模式使发动机具有了不同的输出负载特性 2 4 1 油门恒转矩控制 在发动机的额定工作范围内，油门恒转矩控制模式使发动机的输出特性曲线 在n m 图上成为水平特性曲线族，如图2 3 。不论输出转速如何变化，只要工况 点在发动机的额定工作区域内及满足稳定平衡的条件，油门控制回路总是能将发 动机的输出扭矩稳定在一恒定值上。 山东大学硕i 擘位论文 1 h 、【j ! 呵| 2 4 2 油门恒转速控制 图2 - 3 油门恒转矩控制特性 在发动机的额定工作范围内，油门恒转速控制模式使发动机的输出特性曲线 在nm 图上成为垂直特性曲线族，如图2 4 。不论输出负载如何变化，只要工况 点在发动机的额定工作区域内及满足稳定平衡的条件，油门控制回路总是能将发 动机的输出转速稳定在一个恒定值上。换言之油门恒转速控制回路起到发动机调 速器的作用，在这种油门控制模式下的发动机其稳定调速率为零。 “ 。：一：i，、。 山东k 学坝i 学位论文 淄1 ，； s ， 二 薹。； 一 、k _ t i j 一 o 。 2 0 f ； 一一一一。一一一! r ； 缸q # “ 趣，一。j 。嗟 静j - t 越4 a 2 5 柴油机性能特性 圈2 - 4 油fj 恒转速控制特性 柴油机的性能试验是对发动机的速度特性、负荷特性和推进特性进行自动测 试。柴油机的整机的性能参数可以分为两大类：动力性性能参数和经济性性能参 数。动力性如功率、扭矩、转速等，经济性如燃油消耗率、机油消耗率。在性能 试验中所需测量的参数共计6 0 多个其中包括发动机转速、扭矩、排温气温、油 温、水温、气压、油压、水压、油耗等并根据所测的发动机参数值，按给定的 计算公式进行数据处理，从而求得功率、燃油油耗率、平均排温、平均压力等。 在测试过程中需控制发动机的转速和负荷。 1 外特性试验：将发动机油门拉到最大位嚣，进行试验得到的输出特性曲 线称为外特性曲线。相应的试验称为外特性试验。做外特性试验时，油门控制回 路应采用恒位置控制模式，并将油门设定到极限大位置。 2 调速特性试验：运行在油门开度最大，发动机标定工况点转速以上的区 域，是油泵调速器起作用的区域，对应的输出特性曲线称为发动机的调速特性曲 线。相应的试验称为调速特性试验 山东凡学f i ! j ! i 学位论立 3 负荷特性试验：在转速不变时，内燃机的主要性能参数随负荷的改变而 变化规律。这曲线称为负荷特性曲线。相应的试验称为负荷特性试验。负荷特 性是柴油机最基本的特性，它标志着柴油机的动力性和经济性从负荷特性”f 以 看出不同负倚下转速的经济性。 4 推进特性试验：船用内燃十j l f f , j 功率与转速按螺旋浆特性p e = c n “变化，其 中a ，c 为常数，p e 为功率、n 为柴油机转速。所得的曲线称推进特性曲线。相 应的试验称为推进特性试验。 2 6 正常工作必须满足的条件 要使发动机- n 功机系统f 常工作，必须同时满足下列两个条件： 1 发动机输出特性曲线与测功机制动特性曲线相交 台架试验时，选择了发动机在某一油门控制模式下运行，即表示发动机的输 出负载特性一定在该油门控制模式特性曲线族的某一条曲线上。同样，如果选择 了测功机在某一控制模式下运行，即表示测功机的制动负载特性一定为该控制模 式特性曲线族的某一条曲线。台架运转时发动机一测功机系统恒速运转，说明发 动机的输出转矩一定等于测功机的制动转矩。因而，此时发动机的输出负载特性 曲线与测功机的制动负载特性曲线一定应该有一相交点。 2 运行工况偏离交点时，系统应产生回复力矩 图2 5 为特性曲线相交的两种情况 发动机输出负载特性与涌功器制动负载特性的匹配 i 刘2 - 5发动机的输出负载特性曲线与测功机的制动负载特性曲线 lj l 末人学坝i 。学位i _ c ：史 左图中，如某种原因造成发动机转速升高，发动机的输出转矩下降：而在同 样的转速下， 9 1 i | 功机的制动扭矩却将上升“1 3 _ 二此时测功机的制动转矩大于发动 机的输出转矩，必将使发动机的转速卜降而凹到原来的交点处。浚迫使发动机回 到原来工况点的转矩差，即为系统的凹复力矩。有这样特性的相交点，称为稳定 平衡点。 右图中，情况恰恰相反。当发动机】：况因转速升高而偏离交点时，输出转矩 上升。在同样转速下，测功机的制动转矩却反而下降。因制动转矩小于输出转矩， 发动机的转速不仅不能回到平衡点，反而将继续偏离平衡点，此时系统产生的是 偏离力矩。这样的相交点称作不稳定平衡点。 山东人学坝l 学位论殳 第三章电涡流测功机系统的硬件设计 3 1 系统组成及框图 本课题所研究的测功机控制系统以多级计算机为核心，主要有六大部分组 成，系统框图如图3 一l 所示。 l 上位机监控子系统 2 下位机控制子系统：p l c 和液晶触摸屏 3数据采集子系统：多路巡捡仪和传感器 4 励磁驱动单元 5 智能油耗仪 6 油门执行器 表征柴油机的工作状况的各种参数经数据采集系统送入上位机和下位机，上 位机接收到数据后，进行数据处理，然后绘制各种实时曲线，并将数据记录下来， 以便查询。下位机是控制系统的核心，下位机按照功能键设定的控制方式和液晶 触摸屏设定的工况点，通过励磁驱动单元调整测功机的制动力矩，并通过油门执 行器控制油门丌度，以达到控制柴油机转速的目的。下位机通过与上位机通讯， 将转速、转矩等参数传给上位机。下位机还可以接收土位机的控制命令，以控制 柴油机- n 功机系统。智能油耗仪测量柴油机的油耗量，并传给下位机。 3 2 上位机监控子系统 _ ：位机系统山i b mp c 机、打印机和上位视软件组成，p c 机是通用计算机， 不适宜做：f 业控制，但它有丰富的软硬件资源，易于丌发利用，故用作为实时监 测和数据处理机。 上位机和下位机由串行通讯进行联机操作。上位机可安装在远离现场的操作 室，它接收下位机送来的各种测量数据和状态信息，处理运算后，在彩色屏幕上 汉字显示瞬时测量参数，打印数据报表，绘制性能曲线图。我们用v is u a lb a s i e 设计软件、中文提示，使其具有丰富的人机对活功能。操作人员可使用键盘由命 令选择主菜单进入功能子菜单、参数编辑窗口和联机显示窗口。 殛糕掭垛嚣雷嚣_i_匝 5 似智掣扑=f辱扑*茸 山东人学坝l 学位论殳 上下位机在系统的每一个显示循j ；| = 周期中，采用“软件握手”方式定时地进 行数据交换。上位机给下位机发送命令，包括运行控制方式、转速设定值、转矩 没定值、油门”度设定值、推进特性常数等，而下位机给上位机传送测量、控制、 状态数据，这样就实现了多级计算机在线测量、实时处理的功能。 3 3 下位机控制子系统 下位机为p l c 工业控制机，由于内燃机试验本身处于恶劣的工业环境中，要 求安装在现场的控制系统具有较高抗干扰能力和可靠性。p l c 面向工业控制设汁， 具有丰富的过程输入输出能力和高可靠性，因而作为测控下位机。在本系统中选 用s i e m e n ss 7 - - 2 0 0 ，由于s 7 2 0 0 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的 价格以及强大的指令，使s 7 - - 2 0 0 可以近乎完美地的实现系统的性能。本系统以 t p l 7 0 a 触摸屏为主站，s 7 2 0 0c p u 2 2 6 m x 为从站配以p r o f i b u s d p 从站模 块e m 2 7 7 和四路a d 转换板e m 2 3 l ，2 路d a 转换模块e m 2 3 2 。 3 3 1 触摸屏t p l 7 0 a 触摸屏t p l 7 0 a 代表了低端操作单元新系列中的产品。该系列中的设备是基 于革新后的标准w i n d o w s 。c e 操作系统。它们填补了s i m a t i ch m i 产品在低端 领域的空缺。t p l 7 0 a 是低价的初始设备，可与所有s 洲a t i cs 7c p u 一起操作。 本新产品系列允许将自己创建的图形、数字照片和扫描的画面集成到项目中。例 如，棒图和趋势曲线图仍可用于图形显示温度进程。以下为其中一部分常规特性： 对下载组态进行自动传送检测 口令保护 用于显示和修改过程参数的输入输出域，并能进行限制值监控 用于图形显示动态数值的棒图 图形和按钮的标准库可在p r o t o o lc s 下使用 可以组念图形以对按钮设定标签或作为格式填充背景画面 固定文本可按任意字符大小为按钮、过程厕面或过程值设定标签 本单元内置3 2 位r i s c 处理器，预装m sw i n d o w s c e 操作系统，具有1 个 山彖人学坝i 学位论文 r s 2 3 2 接口、1 个r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口和1 个m p l p r l f l b u s d p i i j 接口，浚接l h 巳可 用于下载组态。最大波特率1 5 m b ，有效屏幕区域为6 ”，分辨率为3 2 0 * 2 4 0 ，具 有4 色蓝色模式，具有c f 乍的捅槽，可扩展外部存储器，本单元的内存2 5 6 k ，最 多可维态2 0 幅画面，可用于小到中型的组态。 本译元设计为易于机器操作和监控，它们对要监控的机器或系统提供了逼真 的图形表示。其使用范围包括机器和设备结构，以及包装和电子工业。 高度防护措施( 前侧为i p 6 5 ) 以及不能移动存储介质( 例如硬盘和软盘) ，保证 了操作单元也能在恶劣的工业环境下使用，并可直接用于各机器的现场环境。 本单元允许以图形形式显示操作状态、当前过程值以及连接的p l c 的故障， 并且更方便地操作和监控相关的机器或系统。通过使用组态软件p r o t o o lc s ，可 根据不同的过程要求对本单元的显示和操作进行最优修改。本单元可用于： 通过菜单系统控制与监测过程。例如，可以通过输入值或激活组态的功能 键，修改设定值或控制单元设置； 在全图形的动态画面上显示过程、机器和系统； 显示和编辑消息、输出域中的过程变量以及可视化棒图或状态显示； 可以通过触摸屏幕直接干涉过程。 可为t p l 7 0 a 组态的画面对象有： 文本在组态期问使用文本对操作和显示元素进行标记。所组态的文本可跨 越多行，但不能在操作单元上进行修改。 图形在组态中可以使用图形，例如表示一个系统，或作为一个浇明符号表 示所组态的显示和操作元素。 输出域以数字或字母的形式显示当前值。 输入域在输入域中输入数值。数值可是数字或字母的形式。根据己经组态的 限制值，在指定数值范围外的条目将被拒绝。输入可以用口令加以保 护。 状念按钮状念按钮是具有以下两种状态之一的显示和操作元素：膨嫠或素厦毋 荔戴状态可以通过文本或图形来指示。状态按钮可以组态为锁定( 丌 关功能) 或非锁定( 键功能) 。 棒图棒图以矩形区域的形式显示数值。这样，在操作单元上可以一眼就看 | _ 当前值与限制值相差多远，或是否己到达设定值。棒图经常用1 二表 示填充量或工件数目。可按照需要组态方向、缩放比例和设定标签。 为了t j 别限制值，可以调用限制值线。 消息视图用于品示末决消息的其体过滤标准在消息视图。 j 进行组态。 触摸屏t p l7 0 a 的使用使系统可脱离l 二位机独立运行成为可能。通过触摸既 可方便设置系统的各种控制参数，又可以实时的显示系统的各种重要参数。 t p l 7 0 a 使用组念编程，编程方便，易于学习和使用，极大的提高的编程效率。 3 3 。2c p u 2 2 6 m x c p u 2 2 6 m x 模块包括一个中央处理单元( c p u ) 、电源，内置时钟，两个4 8 5 通讯端口，可提供6 个3 2 位2 0 k h z 时钟速率的高速计数器，2 5 6 路1 6 位计数器，2 5 6 路定时器( 其中包括4 路l m s 定时器，1 6 路1 0 m s 定时器，2 3 6 路l o o m s 定时器) ， 2 4 路数字量输入，1 6 路固态- - m o s f e t 数字量输出。 c p u 负责执行程序和存储数据，具有1 6 k 字节的程序空间平 1 4 k 字节的数据块 空间，以便对自动控制任务或过程进行控制。电源向c p u 及其所连接的任何模块 提供电力。通讯端口允许c p u 同上位机、油耗仪或天然气仪进行通讯，支持 p p f m p i 通讯协议及，p p i m p i 通讯协议支持96 k b 、1 9 2 k b 、1 8 7 5 k b 三种波特率， 自由口通讯协议支持03 k b 、o 6 k b 、1 2 k b 、2 4 k b 、4 8 k b 、9 6 k b 、1 9 2 k b 、3 8 4 k b 多种波特率。输入与输出是系统的控制点，输入部分从现场设备( 例如传感器或 开关) 中采集信号，输出部分则控制电磁阀、电机等设备。s 7 2 0 0 允许你为某些 或全部本机数字量输入点选择输入滤波器，并为滤波器定义延迟时间( 从0 2 m s 到 1 2 8m s 可选) 。这个延迟时潮有助于滤除输入噪声，以免引入输入状态不可预测 的变化。板上的每路输入输出通道均与现场信号或设备之间用光电耦合器隔丌， 有效的阻断了现场与计算机系统之问的地环流通路，大大提高了系统的抗干扰能 。 3 3 3e m 2 7 7 模块 e m 2 7 7p r o f i b u s d p 模块，新1 1 s 7 2 0 0p l c 一起工作的智能扩展模块， p r o f i b u s - - d p 是由欧洲标准e n5 0 1 7 0 定义的一种远程i o 通讯协议。d p 表示分 山东人学坝 ，学位论文 确，式外围设备，亦即远程i o 。p r o f l b u s 表示现场总线。一个d p 主站组态应包 含地址，从站类型以及从站所需要的任何参数赋值信息。还应告诉主站山从站读 入的数据应放置何处，以及从何处获得写入从站的数据。d p 丰站建立网络，然 后仞始化其d p 从站。主站将参数赋值信息, f h i j o 配置写入到从站。然后，主站从 从站那单读出诊断信息，并验证d p 从站已接收参数和i o 配置。然后，主站丌始 与从站交换数据。每次对从站的数据交换为写输出和读输入。这种数据交换方式 无限期地继续下去。如果有一个例外事件，从站会通知主站，然后，主站从从站 那里读出渗断信息。 一旦d p 主站已将参数写入至i j d p 从站，而且从站已从主站那早接收到参数和 配置，则主站就拥有那个从站。从站只能接收自其主站的写请求。网络上的其它 主站可以读取该从站的输入和输出，但是它们不能向该从站写入任何信息。 3 3 ，4 模拟量输入输出模块 e m 2 3 1 模拟量输入模块是价格适中、高速1 2 位模拟量输入模块。这种模块能 在1 4 9 “s 将模拟量转换成相应的数字值，输入阻抗高于1 0 m q ，采用差分输入， 输入范围单极性电压对应0 5 v 或o 一1 0 v ，双极性电压对应- 1 - 2 5 v 或5 v 。模 拟信号输入的转换是在每次由程序访问模拟点时完成的。这些时间必须加到执行 模拟量输入指令的基本时间上。e m 2 3 1 框图如图3 2 所示 幽3 2e m 2 3 1 输入框剀 山东人学l i j ；! l 。学位论文 e m 2 3 2 模拟量输出模块是价格适中、高速1 2 位模拟量输出模块。这种模块具 有两路模拟量输出，电压输出范围为o 一1 0 v ，电流输出范围为0 2 0 m a 。电压和 电流的输出精度为满量程的0 5 。e m 2 3 2 框图如图3 3 所示： 箍拟 d a l t a 3 4 数据采集系统 图3 - 3e m 2 3 2 输出框幽 该系统主要由传感器、四输入四显示告警仅和智能巡回检测告警仪组成。 传感器产尘的信号一般比较微弱，不可能直接进行采集，需要对其进行放大、 滤波、标准化、线行化预处理，另一方面，由于信号现场与控制台相距有一定的 距离，而现场的电磁坏境条件比较恶劣，如果将传感器输出的微弱信号直接传送 到控制台进行处理，势必引起信号失真，甚至被干扰噪声埋没。为此应将微弱的 传感器输出信号放大后再传送到控制台，由微机进行采集处理。 考虑到系统的复杂性和成本，在满足精度要求的前提下，对测量信号的传送 采用电压传送和电流传送两种方式，从而有效地克服由于长线传送过程中的环境 干扰引起的失真，对温度、压力等采用4 - 2 0 m a 电流传送，对扭矩采用0 5 v 电 压传送，从而提高信号传输时的抗干扰能力，保持测量精度。 山东人学埘i 掌他论立 3 4 1 温度测量 温度测量包括高温和低温两部分，高温包括排缸温度，涡轮排温等，测量范 围为o - - 8 0 0 。0 ，测量精度为士0 5 。c ，采用k 分度铂铑一铂热电偶温度传感器， 热电偶产 k f l , jm v 值反映了工作端与参考端( 冷端) 的温度差，需要进行冷端补 偿后才能得到： 作端的实际温度，冷端补偿山智能仪表完成。 补偿后的m v 值= 热电偶产生的m v 值+ 冷端温度对应的m v 值 低温包括水温、油温、气温等，测量范围0 2 0 0 ，测量精度为土l ，低 温传感器采用p t1 0 0 铂电阻温度传感器，测量方法采用电桥法，为了减少引线电 阻的影响，联线方式采用三线制。 温度数据由传感器测量后，送至2 4 路智能巡回检测告警仪和四输入四显示 告警仪。此两种仪器均为智能仪表。智能仪表是以微处理器为核一心，充分运用数 字技术和软件技术而研制设计的仪表，具各以下各方面的优势： 1 具有自动校准和人 ：校准的功能。在。： 作过程中利用微处理器对测量进行自 动修正，克服长时间使用和环境温度变化引起的误差。并且还可以由外界的 基准信号对仪表进行校准，因此保证了高精度的测量。 2 具有对传感器的修正功能。帮助减小传感器误差，有效提高系统的测量、控 制精度。 3 由于采用微处理机等大规模集成电路，减少分立元件的数量，仪表具有高的 可靠性。 4 丰富的软件功能及方便的操作界面，充分发挥仪表的功能。 j 具备完善的网络通讯功能，能与计算机进行高速、高效的双向数据交换。 6 有良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能要求。 2 4 路智能巡回检测告警仪接收的信号分别为：l _ 1 2 缸排温、涡轮排温、柴 油机进水温度、中冷器进出水温度、柴油温度、压气机前气温和中冷前后气温， 两个四输入四显示告警仪接收的信号分别为：卜1 2 缸涡轮前排温、柴油机出水 温度、机油温度、测功机水温。 智能巡回检测告警仪( 以下简称为巡检仪) 通过多路丌关对各输入信号进行 切换，逐一巡回测量处理。每个需要0 2 秒的处理时间，通道越多，巡回一周的 时问越长，因而巡检仪适合信号点多，但变化不是很快的场合。柴油机的各种温 山东人学顺i ：学位论正 度信号数量多，变化慢，所以巡检仪适用于测量柴油机的温度信号。 巡检仪的电路由端子板、信号输入保护、多路电子丌关、信号放大及滤波， 电压信号、数字信号转换、中央处理尊元、显示单元、操作单元、告警单元等基 本部分组成。有通讯功能或打印功能的仪表还包括通讯接口和打印接口。有多点 控制功能的仪表增加控制单元。 巡检仪的输入信号可以是热电阻信号、热电偶信号或4 - 2 0 m a 的电流、卜5 v 的电压信号，输入信号经过处理、转换，以数字量形式进入中央处理单元后，按 如图3 4 所示的流程进行测量、显示等。 输入信号麴字苗l 上 l 白校准运算 | l 按分度号卉表i i 热电阻信。l 尝篓、m m 信。- i i 按测量始程计算 0 疆粤 按分度号奄表 上 冷端补偿运算 r ，1 修止计算 j 显示 告警、控制运算 ， 打印 上 通讯 互互 幽3 - 4 巡检仪信号处理流稗 “东人学彻i 。学位论文 巡检仪的告警功能是指测量值超过预定的范围时，仪表对此产生的声、光输 出的反映。具有传感器故障告警功能的仪表，当传感器出现故障时，也有相应的 动作。告警包括设定值、告警方式、告警灵敏度、消音延时四个要素，通过参数 设置，可以完成多种告警功能。 、 告警方式通常包括上限告警和下限告警两种方式。上限告警是指测量值超过 设置的告警点时，仪表产生告警信号。下限告警是指测量值低于设置的告警点时， 仪表产生告警信号。 测量值在告警设定值附近波动时，告警的继电器会出现反复的o n ，o f f 。设 定告警灵敏度，即可防止继电器接点的反复o n ，o f f 。 智能仪表能连接到所有的计算机并与之通讯，采用r s 2 3 2 可r s 4 8 5 传输标准。 仪表与计算机之间的往来通讯都以a s c i i 码实现，意味着计算机能以任何语言编 程。 仪表的命令集由指令组成，完成仪表读取测量值、告警值、告警状态、控制 值、参数值以及对仪表的参数设置。与通过仪表面板设置参数一样，通过计算机 对仪表的参数设置，这些参数都能被存入仪表e e p r o m 存贮器，在掉电情况下也 能保存这些参数。 为避免通讯冲突，所有的操作均受计算机控制。当仪表不进行发送时，都处 于侦听方式。计算机按规定地址向某一仪表发出一个命令，然后等待一段时间， 等候仪表的回答。如果没收到回答，则超时中上，将控制转回计算机。 仪表的技术参数： 输入通道数：2 9 6 通道 热电阻：p t l o o ，c u l 0 0 ，c u 5 0 ，b a l ，b a 2 ，g 5 3 等 热电偶：k ，s ，r ，b ，n ，e ，j ，t 等 直流电流：4 - 2 0 m a ，o - l o m a ，o - 2 0 m a 等 直流电压：1 5 v ，0 5 v ，o - i o v 等 巡回检测速度：0 2 秒每通道 热电偶输入导线电阻：1 0 0 q 以内 热电阻输入导线电阻：2 0q 以内 精度测量精度：0 2 f s 1 个字 山东大学似! i 学位论立 热电偶冷端补偿精度：l ，范围o - 6 0 。c 设定精发：与显示值一致无相对误差 显示2 位l e d 通道号显示 4 位l 止d 测量值显示 各通道告警状态指示灯 告警4 种告警方式 2 点公用告警继电器输出 传感器故障继电器输出 多点控制继电器输出 电源 电压 环境 输出继电器触点容量，a c 2 5 0 v 、2 a ( 阻性负载) v o ：a c l 8 7 v 一2 4 2 v 耗电量i o v a v 1 ：d c 2 0 2 8 v 耗电量8 v a 温度：o 一5 0 湿度：2 0 - 9 0 r h 3 4 2 扭矩测量 发动机输出功率测量公式为： p ：m + ：翌：丝：! ( w ) ：坐竺( k w ) 6 09 5 4 9 3 可见在发动机功率测量中，扭矩m 和转速n 是基本物理量，而扭矩对功率测 量精度的影响很大。本测控系统中，扭矩量的测定精度要求比较高，因为扭矩的 微弱变化| f 反映了所测发动机输出功率的大小，雨发动机输出功率的大小是发动 机的生产者和使用者共同最关心的问题，因此扭矩量的测定要求精度达0 2 。 过去扭矩的高精度测量较困难，大部分沿用机械磅秤测量机构。为保证精度， 我们在原电涡流测功机的基础上，经过适当改进，采用电阻应变式高精度高频响 的拉压力传感器测量扭矩，精度提高到0 2 f s 。由于拉压力传感器存在零点漂 移，在没有受扭矩时，仍有信号输出。为克服零漂，我们充分利用计算采集和运 算的方便，在程序中设置了标定模块，试验中可随机采集扭矩零点，即时显示， 并通过运算自动将零点消除。 尔人学坝l 。学位论文 3 4 3 柴油机转速测量 磁电式测速传感器是利用电磁感应原理将被测轴的转速转换为电脉冲信号。 它由带齿的旋转轮和变换器组成。带齿的旋转轮足由磁性材料制成的( 亦或其齿 为磁r k 材料制成的) ，固定安装柏：被测轴上。变换器山永久磁铁和绕在它上而的 感应线圈所组成，变换器通常都是安装在固定架上。变换器与旋转轮的齿尖之问 心保持。个很小的闭隙，通常这个问隙小于】毫米。旋转轮随被测轴一起转动， 每当旋转轮上的齿转过变换器的瞬时，根掘电磁感应原理，变换器的线圈便产生 个感应电动势，使变换器输出个电脉冲信号，旋转轮上的齿数通常为z 个齿， 凼此当旋转轮每旋转转的时候，变换器便产生z 个电脉冲信号，亦即电脉冲信 号的频率为： 厂= 焉w 磁电式测速传感器应用很广，这是因为磁电式测速传感器的结构简单、工作 叫。靠。其缺点是产生的电脉冲波形欠规整，容易产生干扰信号，而且其干扰信号 的振幅将随转速的提高而增大，当干扰信号的振幅值超过电子计数器的工作电平 时，就会引起电子计数器误记。因此需要将磁电式测速传感器的输出信号先经整 形放大电路，将不规则的电脉冲信号变换为标准方波，消除干扰信号之后再去推 动电子计数器工作。 以上各种参数都需要把各种各样的非电场物理量转化为数据，进行处理，千 头万绪，任务十分繁杂。然而我们采用先进电测法设计的电测系统，将非电量经 传感器、变送器、放大器、转换器变换为统一的电信号，提供了被研究过程与测 控系统之间最方便可靠的联系形式，不仅便于系统与计算机接口，而且精确的现 代电测技术极大地提高了测量精度和速度，使内燃机试验多参数的连续测量、数 字显示、自动控制和自动处理成为现实。 3 , 5 励磁驱动单元 3 5 1 工作原理及模块特点 当测功机的励磁线圈中通过直流电流时，就产生了电磁力。这个力的作用是 6 f ；【碍转子部分的转动，随着励磁l 乜流大小的变化，转子部分的阻力也就相应地变 山东大学硕士学位论文 化，控制电流的