油泵试验台的智能控制系统设计

章信华，嵇建波，熊 川

(桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004)

0 引言

柴油机做为工矿机械设备的主要动力源，故柴油机的动力性能对工矿机械设备至关重要。而喷油泵又是柴油机的心脏,故喷油泵的性能又决定了柴油机的动力性能[1]。油泵试验台控制系统有的是使用单片机单独控制、微机显示,或采用微机控制和单片机控制相结合的方法[2-4]，但由于这种控制方式的可靠性都较差，所以试验台控制系统的主流方式都是采用PLC做控制器[5-8]，触摸屏做为显示器[5-7]。有的采用三菱公司的FX1N-24MR型PLC,富士触UG530H- VS1型触摸屏做为显示器[5]，有的采用西门子的S7-200型PLC做控制器[6-7]，但这些型号的PLC和触摸屏都已经非常老旧，甚至已经停产，已经无法满足现实的需求，而近年来试验台的控制器都是采用最新型的PLC，例如西门子的S7-1500型PLC[8]。

我公司的老旧油泵试验台是采用单片机控制的，可靠性差；喷油量的测量是采用量筒测量体积的方式,这种通过肉眼观测的方式会导致读取误差非常大；另外试验台的运行参数和报警都是通过几个数码管、物理指示灯显示,存在人机交互不友好、显示的信息量少等诸多缺点，结果导致工人测试效率十分低下，且易出现操作失误和引起安全事故。故有必要重新设计一套新的控制系统来改造这些老旧试验台；而本文设计的试验台智能控制系统，采用的是西门子最新的S7-1200型PLC和KTP1000型触摸屏及其配套模块，使试验台的硬件性能和用户体验得到了很大的提升，不仅大大减轻了工人的劳动强度,而且使测试一个喷油泵的时间，由原来的40 min缩短到10 min，从而极大地提高了测试效率。该试验台的智能控制系统，体现在先进的硬件、算法和美观的人机交互界面上。

1 试验台的硬件系统设计

喷油泵试验台的主要性能指标参数包括：

1)电机额定功率55 kW;

2)电机转速范围是0～3 000 rpm;

3)电机转速误差为±2 rpm;

4)可同时测量机械泵和电控单体泵;

5)单次喷油量范围是0～2 000 g;

6)单次测试喷油泵的时间小于20 min;

7)可设置任意工况;

8)具有安全报警功能。

喷油泵试验台的硬件系统设计分为喷油计数模块、主轴转速模块和油量计数模块3大模块设计[9]，喷油泵试验台的硬件系统包含触摸屏、PLC模块、称重模块、AMK电机、模拟量传感器组、数字量输入点和执行器组，系统硬件设计原理如图1所示。PLC是整个控制系统的中枢，触摸屏主要是完成与操作人员的交互功能，包括参数设定、数据显示、打印、存储及监测[10]；在PLC的最左边，连接了1个8通道的模拟量输入模块SM1231[11]，以获取所有的模拟量传感器参数；在模拟量模块的右边，连接了2个232串口模块CM1241[12]，分别和称重模块、AMK电机通信，从而实现对称重模块、AMK电机的控制；在PLC的上面，直接使用网线和触摸屏通信[4]，从而实现触摸屏对PLC的控制和显示其重要参数；另外PLC的本体具有14个数字量输入端口和10个数字量输出端口[12]，分别连接所有的数字量输入点与执行器组。

图1 硬件系统设计

触摸屏采用的是西门子KTP1000 Basic彩色PN型，可以与S7-1200控制器无缝兼容。还具有单独的可组态功能键，这些功能键提供了触摸反馈功能，增强了可用性和操作可靠性[11]。

PLC采用西门子的S7-1200型PLC,该小型可编程控制器具有集成PROFINET接口和强大的集成工艺功能，满足多种应用中完全不同的自动化需求。该控制器带有多达6个高速计数器。其中3个输入为100 kHz，3个输入为10 kHz，用于计数和测量[12]。

称重模块用于称取每次喷油泵的喷油量，采用了梅特勒一托利多WKE2002型称重模块，该称重模块使用串口通讯,通过发送不同的指令,来实现不同的功能,包括“去皮指令”、“置零指令”、称重指令等等。该称重模块的精度达到10 mg,最大量程为2 550 g[13],实际使用时,PLC是通过串口模块CM1241和该称重模块通信,来达到称重的目的。

电机是用于驱动油泵运转的动力源，采用了AMK伺服电动机，该电机的速度,位置精度非常准确,不仅反应快速,且具有机电时间常数小、线性度高,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降[14]。PLC也是通过串口模块CM1241与AMK伺服电动机通信，通过向电机发送不同的指令,来实现不同的功能,包括“启动电机”,“设置转速,“停止电机等等。

传感器组采集的都是试验台的重要模拟量参数，这些传感器的输出量都是4～20 mA电流，PLC使用专用的模拟量采集模块SM1231，来采集这些模拟量，传感器组包含以下传感器：

1)燃油温度传感器；

2)机油温度传感器；

3)喷油温度传感器；

4)燃油压力传感器；

5)机油压力传感器；

6)空气压力。

数字量输入点获取试验台的电机转速、喷油次数、燃油液位低和物理按钮输入等等。所有的数字量输入点都直接输入PLC的本体模块，输入点和分配好的I/O地址是：DI0.0—燃油液位低；DI0.1—机油液位低；DI0.2—防护门未关；DI0.3—计数开；DI0.4—计数关；DI0.5—燃油泵起动；DI0.6—燃油泵停止；DI0.7—机油泵起动；DI1.0—机油泵停止；DI1.1—燃油滤清堵塞；DI1.2—机油滤清堵塞；DI1.3—电机脉冲；DI1.4—排油泵启动。

执行器组用来完成试验台的多种控制功能，都是通过数字量输出控制的，所有的数字量输出点都直接由PLC的本体模块输出。这些执行器和分配好的I/O地址：DQ0.1—燃油加热；DQ0.2—机油加热；DQ0.3—声光报警灯；DQ0.4—排油泵；DQ0.5—燃油泵启停；DQ0.6—机油泵启停；DQ0.7—喷油计数挡板。

2 试验台的核心算法设计

试验台需要实现很多逻辑控制功能，这些逻辑控制功能都有相应的算法，最终在PLC中编程实现这些算法。这些算法包括：

1)模拟量滤波算法。试验台中的模拟量包括燃油的油温和油压、机油的油温和油压等等。模拟量滤波采用“中位值平均滤波法 ”，即连续采样4次值，去掉最大值和最小值，对剩下来的2个值取平均值，该平均值即是滤波后得到的值，算法流程如图2所示，公式如式(1)所示:

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

(1)

式中，mout为滤波输出值，m1、m2、m3、m4分别为连续4次的采样值，mmin为4次采样值中的最小值，mmax为4次采样值中的最大值；

2)试验台的安全报警算法。当实验台的某个参数出现异常时，控制系统会发出声光报警，并停机，从而保证了工人的安全。其中机油液位低报警算法如图3所示，其他的报警算法是相似的。

3)燃油和机油的温控算法。燃油和机油的温度控制，通常采用工业中最常用的PID算法控制[15-16]，以使温度达到设置值。PID的公式如式(2)所示：

(2)

式中，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为给定值和测量值之差，u(t)为PID控制器的输出；

4)启动试验台的流程。启动试验台包含一些固定的步骤，这些步骤具有严格的先后顺序，只有严格执行这些步骤，才能正常启动试验台，启动试验台的步骤如下所示：

(1)打开燃油泵;

(2)打开机油泵;

(3)选择电机的正反转;

(4)单击“启动”按钮，启动电机;

(5)通过“手动挡”或者“自动挡”设置工况，包括电机的转速和喷油的次数的设置；设置好之后，电机将按照设置的速度，带动凸轮箱运转，凸轮箱中的凸轮驱动喷油泵开始喷油。

5)喷油泵测试流程。工人完成一次喷油量测量的完整步骤如下：

(1)按下“计数”按钮;

(2)试验台将打开“挡板”，燃油将进入称重模块;

(3)试验台根据电机转动的次数，计算出当前喷油的次数;

(4)当喷油次数达到设置的次数时，关闭“挡板”;

(5)延迟5 s，等待油量稳定;

(6)试验台向“称重模块”发送称重指令，得到这次的“喷油量”;

(7)启动排油泵，将“称重模块”中的油排出。

图2 中位值平均滤波法 图3 机油液位低报警算法

3 试验台触摸屏的组态界面设计

试验台的触摸屏主要是完成与操作人员的交互功能，包括参数设定、监测、数据显示等等，操作人员使用它进行试验台的控制。触摸屏的界面设计是通过组态程序完成的，要求组态界面具有良好的人机交互体验，以及将重要参数放在界面的核心区域等等。触摸屏组态软件界面如图4所示，该界面按照不同的属性划分，分为以下几个区域：

图4 触摸屏显示界面

1)“参数显示”区域。该区域位于顶部，显示试验台的关键模拟量，显示以下参数：燃油压力、机油压力、扭矩等6个模拟量参数。

2)“报警”区域。该区域用来向工人显示所有报警信息，以提醒工人未完成哪些关键步骤，或者显示试验台的一些设备出现问题，从而引导工人维修相应的设备，以及保障了工人的安全；该区域显示了以下报警：紧急停机、防护门未关、喷油器未压紧、5 u燃油滤堵塞、10 u燃油滤堵塞等14个报警。

3)“参数测量”区域。该区域显示的是试验台最重要的核心参数，所以放在整个界面的正中间，且字体也是最大的。该区域显示了以下参数：

(1)转速： 即电机当前的转速；

(2)喷油次数：即当前已完成的喷油次数；

(3)本次喷油量；

(4)上次喷油量。

4)油筒油量显示构件。该构件实时向工人显示油筒当前燃油的重量，当油筒里面的燃油达到极限值时，以提醒工人按下“排油泵启动”按钮，将油筒里面的燃油排空，为下一次测试做准备。

“转速设定及控制”区域。该区域分为“手动档位”和“自动档位”，用来设置喷油泵的工况，工况的设置包含2个参数的设置，即：喷油次数、转速设置。

“手动档位”区域需要工人手动输入这2个参数，为了方便更改转速，添加了“转速+”和“转速-”2个按钮，每次单击这2个按钮，可以将转速增加或者减小50 rpm；另外为了方便工人的操作，将常用的6组工况参数预先输入“自动档位”中，并编号为F1至F6挡，工人在使用的时候，直接点击界面最下面的按钮F1至F6，即可切换到相应的工况。

5)“电机设置”区域。该区域位于整个界面的右下角，包含4个按钮，且每一个按钮上添加了指示灯，当单击了该按钮后，按钮上的指示灯会点亮，从而大大增强了人机交互体验。4个按钮分别是：正转、反转、启动和停止按钮，这4个分别用来设置电机的转向和启停的。

另外，对于部分频繁使用的数字量输入点，采用了物理按钮，不仅方便工人的使用，同时延长触摸屏的使用寿命。这些按钮包括：排油泵启动、量油计数开、量油计数关、燃油泵起动、燃油泵停止、机油泵起动、机油泵停止等7个按钮。

4 系统安装及调试结果

正在安装的实验台如图5所示，该试验台已经安装好了触摸屏，AMK电机，PLC等等模块。

图5 喷油泵试验台

系统安装完成后，即可在试验台上安装喷油泵进行测试，测试步骤如下:

1)安装好喷油泵；

2)启动燃油泵和机油泵；

3)在触摸屏上设置好相应的工况参数；

4)启动AMK主电机，电机将按照设置的转速开始运行；

5)喷油泵将在电机的运转下，开始喷油；

6)“称重模块”将测量喷油泵在该工况下的喷油量。

首先测试了电机的转速，将转速值设置为0～3 000 rpm之间的任意值，发现都能达到目标转速，且转速误差都在±2 rpm以内，说明试验台满足转速指标；对同一个喷油泵进行多次测量，并和标准泵的喷油量进行比较，发现喷油量的误差在5%以下，说明了试验台能够可靠测量喷油泵的喷油量；将喷油泵的工况设置为最工况，测试其喷油量达到2 000 g，说明了试验台满足喷油量范围是0～2 000 g的指标。并对整个测试过程进行计时，发现测试一个喷油泵的时间，由原来的40分钟缩短到10分钟，说明试验台满足单次测试喷油泵时间小于20分钟的指标。综上可知，该控制系统实现了试验台的所有指标，能够满足企业的实际生产需要。

5 结束语

本文所设计的试验台控制系统，采用西门子产品线中最新的S7-1200型PLC和KTP1000型触摸屏做为试验台的控制中枢和显示界面，可以自动地控制主轴转速、喷油计数、燃油温度、压力等等，能够完成喷油泵在任意工况下喷油量的测量。该系统于2014年在重庆红江机械有限责任公司正式立项，并命名为“55 kW油泵试验台”，并于2015年开始正式投入生产，投产至今，为企业带来了较大的经济效益。目前该试验台1次只能测试1个喷油泵，效率偏低，而可以同时测试多个喷油泵的技术还没有实现，该技术难点，也是以后要研究的方向。