基于PLC的QC100型交流电力测功机

动力试验与测功机技术ＥＭＣＡ　迫札与；｝空芾Ｊ应用２￣７，３４（７）　基于ＰＬＣ的ＱＣ１００型交流电力测功机　李志宏’，　刘惠来　，　陶俊卫’，　王嘉钧’，　吴　倩　（１．天津大学内燃机研究所，天津摘３０００７２；２．天津市天波科达科技有限公司，天津３０００７２）　要：针对测功机高精度、高可靠性、操作方便、抗干扰性强的要求，设计了一套基于ＰＬＣ的新型智能化　交流电力测功机系统，实现了被测内燃机的各项性能参数的自动提取、测试数据辅助生成以及测试执行过程驱　动与监控的自动化。阐述了该系统的研制背景、总体结构、主要功能及测试原理，并给出了系统应用的实例，验　证了该设计的可行性。　关键词：内燃机；测功机；可编程逻辑控制器；交流电力测功机　中图分类号：ＴＲ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００７）０７－００４０－０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＬＣ　ｉｎ　ＡＣ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ　ＬＩ　Ｚｈｉ．ｈｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｈｕｉ．１ａｉ　，ＴＡＯ　Ｊｕｎ．ｗｅｉ　，　ＷＡＮＧ　Ｊｉａ　ｎ　，　Ｑｉａｎ　（１．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｔｉａｎｂｏｋｅｄａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄｙｎａｍｏｎｅｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｔｃｙ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｉｎ。　ｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃａｐａｂｌｅ　ｏｆ　ａｎｔｉ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＰＬＣ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎ　ＡＣ　Ｅ—　ｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ＰＬＣ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｉｎ－　ｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎ　ｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｃａｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅ－　ｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｓ；ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒｓ；ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｙ－　ｎａｍｏｍｅｔｅｒ；　０　引　言　测功机是测量内燃机各项参数的专用设备。　早期的测功方法多采用水力、电涡流及直流电力　测功机等，它们分别以水力机、电涡流机或直流电　柜、运转台、油耗测试仪、油门执行器，以及发动机　温度、压力测试传感器等。控制柜是整套测试系　统的心脏，它包括以ＰＬＣ为核心的主控单元、信　号采集与处理单元，以及以工控机为核心的运算、　显示、存储、打印单元。其中ＰＬＣ最为重要，它是　主电机输出控制及扭矩、转速等信号采集处理的　中心。动力柜及运转台是整套测试系统的执行部　分，控制发动机在需要测试的工况点下稳定运行。　整个系统的测试原理如图１所示。　１．２系统的测试原理　机作为负载，在测试精度、操作方便性等诸多方面　有一定的缺陷。与传统的内燃机测功方法相比，　交流电力测功具有测试精度高、操作方便、抗干扰　性强等特点，已经成为内燃机测功的一个发展趋　势。本文开发了以可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）为控　制核心，以交流电机为负载的智能化交流测功　机——ＱＣ１００型交流电力测功机。　ＰＬＣ处理硬件或软件给定后，控制变频器使　主电机带动被测发动机运转；当发动机起动后主　变频器自动控制主电机由电动状态转为发电状　态，同时将发动机运行状态、输出轴转速等信号送　至ＰＬＣ处理。此时，主电机转子旋转且切割磁力　ｌ　系统介绍　１．１　系统的组成及功能　ＱＣＩＯ０型交流电力测功机包括控制柜、动力　一线，产生电枢电流；电枢电流和磁通相互作用产生　４０一　维普资讯 http://www.cqvip.com

迫　乙再控制应闭２００７，３４（７）　动力试验与测功机技术　ＥＭＣＡ　显示器Ｈ工控机卜—Ｉ打印机　宽的温度变化范围。此外，它功能强大，除了具备　传统ＰＬＣ的助记符和梯形图编程功能外，还具有　『上执煅　器　垫片温度　传感器　　一结构化语言和顺序功能图编程功能，可提供各种功　能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置等，　易于实现各种功能。　在研制过程中摒弃以往使用数字板卡直接采　机油温度　传感器　进气温　赫　集转速、扭矩等信号的方法，用ＰＬＣ采集数据，再　传感器　排气温度　传感器　进气压力　传感器　排气压力　传感器　燃油温度　传感器　图１系统的测试原理　制动转矩，使测功机定子受到一个相反方向的转　矩作用，在测功机传感器轴上产生应力。该应力　通过拉压传感器转成模拟电信号传送给ＰＬＣ，再　由ＰＬＣ转为可供上位机采集运算的数字信号。　垫片温度、机油温度、排气压力等传感器测试发动　机各项温度、压力数据送至ＰＬＣ进行处理，然后　送上位机显示存储。　当发动机预热后，ＰＬＣ按照接收到的硬件或　软件给定，控制主变频器及油门执行器工作，从而　使被测发动机稳定运行于给定工况点下。同时，　ＰＬＣ根据当前发动机输出轴转速及上位机设定　值，自动控制冷却风机给定风量，为被测发动机冷　却，使之在正常工作状态下运转。当ＰＬＣ接到上　位机发出的测量油耗指令后，控制油耗测试仪对　被测发动机进行油耗测量，同时记录发动机的曲　轴转速、扭矩等各项数据，然后送上位机进行处　理、显示并进行曲线拟和。　２　ＰＬＣ在交流电力测功机中的应用　２．１　ＰＬＣ的特点　本系统采用松下ＰＬＣ，该ＰＬＣ本身具有逻辑　顺序控制性强、运行稳定、抗干扰能力强、结构紧　凑、体积小、性价比高等特点，能够在恶劣的环境　中长期可靠工作，并且易接线、易维护，能适应较　送到上位机进行处理，这样不仅大大提高了测试　数据的精度及稳定性，而且明显缩短了程序开发　周期。　２．２　ＰＬＣ系统组成　ＰＬＣ系统包括ＰＬＣ主控模块、模拟量输入模　块、模拟量输出模块及温度采集模块等。结构框　图如图２所示。　转速　ｌ　扭矩信号　信号采集Ｉ　输入　Ｐ　Ｌ　ｃ主控模块　变频器Ｉ　模　一一　手动调节　温度采集模块　剑　ｌ　拟　电位器给定　—百　］　量　油门开度　查堕蕉ｆ　输　入　电位器给定　模　油门位置　剑　Ｉ　块　反馈　垫片温度　排气温度压　信号采集　力信号输入　机油温度　信号采集　进气温度　信号采集　垫片ＩＩ温度　信号采集　图２　ＰＬＣ控制系统结构图　我们选用３２位Ｉ／Ｏ点的ＰＬＣ作为主机，模　拟量输入８通道，模拟量输出４通道，温度信号采　集４通道。其中３２位Ｉ／Ｏ点主机包括输入１６　点，输出１６点。它可以对转速信号、电机状态及　油耗仪等开关量信号进行采集，并对变频器运行　进行控制。模拟量输入模块对扭矩信号、电位器　及温度压力等模拟量信号进行Ａ／Ｄ转换，然后送　上位机对这些量进行采集运算。模拟量输出模块　对主电机转速、扭矩及风机转速进行控制，使电机　的转速、扭矩无级变化，并控制风机风量变化自动　跟随发动机转速的变化。温度采集模块对发动机　垫片、机油等温度信号进行采集，使被测信号的精　度及稳定性得到大大提高。　维普资讯 http://www.cqvip.com

动力试验与测功机技术　ＥＭＣＡ　迫弗乙再粒制应用２００７，３４（７）　ＰＬＣ将所有采集到的数据送至上位机进行处　理。上位机监控系统由一台工控机和相应的监控　软件组成，一方面监控各项测试数据，另一方面对　ＰＬＣ发出各种控制指令，控制测功机的协调运行。　上位机软件用ＶＢ编写，可以显示各机组的运行　速元件。它可输出两路相差９０。相位角的脉冲信　号。ＰＬＣ对两路信号进行采集，通过定时中断，定　期刷新，再送入寄存器进行处理，换算成转速。实　践证明，以这种方法记录转速，数据准确度高，精　度大大超过国家标准的要求。　２．４测试结果和分析　参数及状态，并可保存相关历史数据。　２．３技术难点　图３为采用“天波科技”生产的ＱＣＩＯ０型交　流电力测功机对某型号摩托车发动机在相同工况　下的三次外特性曲线的对比。　从图中可见，同一工况点下，多次测试的数据　发动机在测试过程中转速高、振动大、对测试　元件干扰强，采用普通的方法很难实现对转速的　精确测试。因此，选用进口的旋转编码器作为测　图３测试系统曲线及数据　具有极高的一致性。　【参考文献】　［１］杨公源．可编程控制器（ＰＬＣ）原理与应用［Ｍ］．北　京：电子工业出版社，２００４．　３　结　语　本文介绍了以ＰＬＣ为核心的智能化交流电　力测功机测试系统的硬件组成及工作原理，提出　［２］张凯编．可编程控制器教程［Ｍ］．南京：东南大学　出版社．２００５．　了提高系统测试精度的方法。在工作环境恶劣的　情况下，交流电力测功机系统应用ＰＬＣ很好地解　［３］严兆大．热能与动力工程测试技术［Ｍ］．２版．北京：　机械工业出版社，２００６．　收稿日期：２００７－０３—２７　决了电磁干扰的难题，提高了系统的测试精度，并　且使用及维护方便，具备很好的工程应用价值。　一４２一