基于PLC的涡轮增压器试验台计算机测控系统研究

高峥嵘，张 力，路林吉

0 引言

涡轮增压器利用内燃机排气能量推动涡轮做功，增大内燃机进气压力，从而使内燃机功率提高，燃油消耗率和排气污染降低。可以说，涡轮增压器的应用，使内燃机的性能得到了极大的改善。随着计算流体力学的发展，可根据发动机的性能参数，设计出高性能的、与发动机相匹配的涡轮增压器。但是，在涡轮增压器开发过程中，必须经过试验录取压气机和涡轮的性能数据，以便对设计进行修改，得到性能最佳的机型[i]。

1 车用涡轮增压器试验类型

涡轮增压器试验大约分为以下几种类型：压气机性能试验、涡轮性能试验、接机性能试验、增压器与发动机匹配试验。

压气机与涡轮性能试验通常在增压器部件设计之初或设计改进时进行，以检验压气机和涡轮各部件的设计水平；整机试验的目的是检验压气机与涡轮的共同工作特性；增压器与发动机匹配试验在定型之前进行，主要检验增压器与发动机的匹配情况.包括变几何涡轮增压器控制器的可靠性。一般情况.压气机性能试

验与整机性能试验常在同样的试验台上进行，因为压气机需要动力带动，涡轮正好起这个作用。在涡轮性能试验中，常不带压气机.采用测功器测量涡轮的功率、转速和扭矩。整机性能试验同样可单独录取压气机与涡轮的一些性能参数，诸如流量、压比与效率等，同时还能录取增压器的共同工作特性。由于整机性能试验可全面录取压气机与涡轮的各种性能参数，而且还能考察增压器的自循环工作特性，模拟增压器与发动机联合工作状况，预先发现设计中的一些问题。因此，整机试验在增压器开发和产品生产过程中占有十分重要的作用，如图1所示：

图1 涡轮增压器测控系统的总体设计方案

本文描述的涡轮增压器测试台是一整机试验台，主要实现的功能有：控制、测量、通讯、人机交互等。而且，基于数字显示仪表和计算机组态软件的发动机涡轮增压器性能测试系统，融合了计算机技术、网络技术，具有系统结构简单，可靠性高、测试精度高，操作简单、维护容易的特点。

2 试验装置

涡轮增压器测控系统的总体设计方案，如图2所示：

图2 主回路图

涡轮增压器一端连接发动机排气管，另一端连接进气气管。涡轮增压器测控系统主要进行的是涡轮的测控和压气机的测控。发动机涡轮增压器计算机测控系统主要用于对涡轮增压器进行性能测试,它由三部分组成：

(1) 控制系统

对现场的执行机构进行操作与控制，包括电机、阀门、夹具、接头等；

(2) 检测与显示

采用高精度传感器与数字显示仪表对增压器的温度、压力、转速等参数进行检测与显示；并具有报警输出，通过控制系统控制现场执行机构。

(3) 计算机测试

现场采集到的数据通过数显仪表的通信接口与计算机连接，将数据传入计算机中，由计算机对数据进行记录、储存，形成实时报表和历史报表，供查阅与打印。

3 测试参数

该系统测试的主要参数可分为以下几种类型：

（1）压力参数如压气机进出口压力、涡轮进出口压力、流量计前后压差、润滑油压力、冷却水压力等。其中压气机进出口、涡轮进出口和流量计压差等几个压力参数要直接参与增压器的性能参数计算，所以要求测试的精度较高。

（2）温度参数温度参数主要有压气机进出口温度、涡轮进出口温度、流量计前温度、润滑油进出口温度、冷却水进出口温度等。其中压气机进出口温度、涡轮机进口温度、流量计前温度也是要直接参与增压器性能参数的汁算，有较高的测量精度要求。

（3）转速现有增压器最高试验转速可达30000r／min以上，而且测试工况点都在规定的折合转速下进行。由于试验数据的测量点是在某一稳定转速的工况下测得的，所以压气机转速的测量精度对压气机性能影响较大，因此对转速测量要求有较高的精度和灵敏度。

（4）涡轮增压器是一个高速运转的部件，对其机组的振动要求也是一个重要参数，要求测量的是轴向和径向振动加速度。同时还要测试涡轮增压器的噪声

（5）流量测试。可以利用流量计测得的压力及温度值当作压气机进口的压力和温度，流量测试所得数据可用于压气机和增压器性能的测算。

4 PLC电气控制原理

PLC控制台的主回路图，如图3所示：

图3 PLC布置图

引自供电为380V(50Hz,5Kw),直接控制叶片泵1、2；经变压后为220V连接电加热器，并分别提供电脑柜供电电源、控制回路电源、质量流量计1电源、质量流量计2电源、备用电源1、备用电源2、盘内插座电源、盘内风机照明电源；另经过隔离变压器（如图4-2 a所示）转为24V直流电压，并提供PLC模块电源、DI电源、DO电源、AI电源、AO电源、仪表电源、条形码阅读电源、加速度传感器电源、振动传感器电源、路由器电源、备用电源、控制电源。（按工程需要，备用电源数约占总电源数的1/5）图3为PLC的整体布置图。如图所示，CPU、工控机和条形码阅读器由路由器连接起来。其中CPU控制包括数字量输入和输出控制（即DI、DO）和模拟量输入和输出控制（即AI、AO）。

PLC系统将安装在控制柜的电气箱内完成控制功能。

5 系统实现的功能

根据增压器的测试要求和现场的工况，测试系统除了控制、测量和通讯功能外，嗨具有以下功能：

(1) 人机交互

通过计算机软件，可以实现：a.实时显示增压器试验数据；b.记录试验数据，生成增压器出厂原始记录表；c.根据换算公式进行计算，生成相关报表；d.以增压器型号和编号为文件名，保存上述报表。

(2) 测试系统

基于数字显示仪表和计算机组态软件的发动机涡轮增压器性能测试系统，利用了数字显示仪表抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了组态软件强大的数据处理和图形表现能力，融合了计算机技术、网络技术，具有系统结构简单，可靠性高、测试精度高，操作简单、维护容易的特点。

6 结论

借鉴国内外其它涡轮增压器试验台的设计经验，建成了这个车用增压器测试台。该系统融合了计算机技术、网络技术，通过电气控制系统来控制液压系统，集成化、一体化的设计达到了小型化、设计简化、安装维护方便等目的，具有系统结构简单，可靠性高、测试精度高，操作简单、维护容易等特点。

[1]彭文.汽油机涡轮增压器试验台技术的研究.[D]南京航空航天大学 2009

[2]钟华贵.车用涡轮增压器试验台与试验技术.[J]燃气涡轮试验与研究 2003(04):37-40

[3]THEODOSIOS K;KORKIANITIS T Turbo charger design effects on gasoline-engine [J]performance 2005(03)