CN103334842A - 一种控制电控发动机的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制电控发动机的装置和方法，装置包括带触摸屏的工控机、可编程控制器PLC、网关、电控发动机的电控模块ECM、转速传感器、喷油器和油压控制阀，通过网关把ProfiBus总线系统和CAN总线系统整合到一起，从而使隶属于ProfiBus总线系统的工控机可以把转速、扭矩、油门开度的命令值发送给隶属于CAN总线系统的ECM，再由ECM控制发动机运转；同时，ECM也可以把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值发送给工控机，从而实现对电控发动机的监测和控制。PLC把从工控机读取的参数放入PLC内的输出缓存模块；ProfiBus-J1939网关从PLC的输出缓存模块读取参数并通过CAN总线发给发动机电控模块ECM；ECM获取发动机命令值参数控制发动机的运转。

Description

一种控制电控发动机的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种控制电控发动机的装置和方法，特别涉及可编程控制器（PLC）技术、电控发动机控制技术和现场总线技术，属于电控发动机技术领域和电气控制技术领域，适用于以电控发动机为动力、工况可调的工程机械和试验设备。

背景技术

一些非车用发动机不是直接使用油门踏板控制发动机的转速和扭矩，而是通过J1939报文向电控发动机的电控模块ECM直接发送转速、扭矩或油门开度来控制发动机的运转。发动机在出厂时必须在发动机台架上测试合格后才能发给客户。普通发动机台架不能向ECM发送J1939报文指令，所以不能在这种台架上测试所述的电控发动机。在原来的台架上使用本装置和方法，可以很好地解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制电控发动机的方法和一种控制电控发动机的装置，通过网关把ProfiBus总线系统和CAN总线系统整合到一起，从而使隶属于ProfiBus总线系统的工控机可以把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值发送给隶属于CAN总线系统的ECM，再由ECM控制发动机运转；同时，ECM也可以把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值发送给工控机，从而实现对电控发动机的监测和控制。

本发明的技术方案：本发明的控制电控发动机的装置包括带触摸屏的工控机、可编程控制器PLC、网关、电控发动机的电控模块ECM、转速传感器、喷油器和油压控制阀，工控机通过ProfiBus总线与PLC连接，PLC通过ProfiBus总线与网关连接，网关通过CAN总线与电控模块ECM连接，电控模块ECM通过发动机线束与发动机的传感器、喷油器和油压控制阀相连。

所述PLC包括：

参数打包模块：用于把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值按J1939协议的格式打包；

输出缓存模块：用于存放从工控机HMI读取的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包，ProfiBus-J1939网关从所述的输出缓存模块读取所述的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包；

输入缓存模块：用于存放从ProfiBus-J1939网关发来的发动机转速、扭矩和油门开度实际值数据包；

报文解析模块：PLC把存放在输入缓存模块的发动机转速、扭矩和油门开度实际值的数据包经解析后发到工控机进行显示。

所述的工控机包括命令参数输入模块和状态参数输出模块；

命令参数输入模块：建立输入框，输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；

状态参数输出模块：建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框；

本发明的控制电控发动机的方法，步骤如下：

1）人工通过工控机的触摸屏输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度；

2）PLC把从工控机读取的控制模式、转速、扭矩、油门开度放入PLC内的输出缓存模块；

3）ProfiBus-J1939网关从PLC的输出缓存模块读取控制模式、转速、扭矩、油门开度；

4）网关通过CAN总线把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度发给发动机电控模块ECM；

5）ECM获取发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值参数，ECM再按指令值控制发动机的运转；

6）ECM把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值通过CAN总线传给网关，再通过ProfiBus总线传给PLC和工控机用于显示和监测。

所述的控制电控发动机的方法，具体方法是：

1）通过工控机组态软件建立发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的输入框及与PLC相关变量的对应关系；在所述输入框中输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；

2）所述发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值被自动放入所述的PLC相关变量中；所述PLC将相关变量经打包后被传送到所述PLC输出缓存模块的输出数据包中；

3）在网关中通过网关组态软件建立J1939报文与所述PLC输出缓存模块的输出数据包的对应关系；所述PLC输出缓存模块的输出数据包的内容通过网关被自动传到所对应的J1939报文中；

4）网关通过CAN总线把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的J1939报文发给发动机电控模块ECM；

5）ECM对包含发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的报文进行解析，获取发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值参数，再按这些参数控制油压电磁阀和喷油器，从而控制发动机的运转。

所述的ECM把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值传给工控机的具体步骤是：

1）ECM从发动机转速传感器读取发动机转速；ECM从网关发来的报文中获取油门开度；ECM通过计算获取发动机的扭矩；

2）ECM把包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文发给网关；

3）在网关中通过网关组态软件建立J1939报文与所述PLC输入缓存模块的输入数据包的对应关系；网关自动把所述包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文内容放入PLC的输入缓存模块中的输入数据包中；

4）PLC将输入缓存模块中的输入数据包解析成对应的PLC变量；

5）所述PLC变量包含的转速、扭矩、油门开度实际值，通过ProfiBus总线传给工控机；

6）通过工控机组态软件在工控机中建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框，并建立这些输出框与PLC相关变量的对应关系，工控机在触摸屏的相应输出框中显示PLC发来的转速、扭矩、油门开度实际值。

本发明的优点：

１、本发明通过ProfiBus-J1939网关把ProfiBus总线系统和CAN总线系统整合到一起，从而使隶属于ProfiBus总线系统的工控机可以把转速、扭矩、油门开度的命令值发送给隶属于CAN总线系统的ECM，再由ECM控制发动机运转；同时，ECM也可以把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值发送给工控机，从而实现对电控发动机的监测和控制。由于工控机可以随时更改转速、扭矩、油门开度的命令值，所以本装置适用于以电控发动机为动力、工况可调的工程机械和试验设备。

２、由于PLC是开放性的系统，所以很容易根据客户的需求在现在装置上进行功能的扩充和变更。

３、由于PLC程序采用模块化设计，可以为现有装置的二次开发节省大量时间。

附图说明

图1是本发明的电气原理图。

图2是本发明的工控机HMI原理框图。

图3是本发明的PLC原理框图。

图4是本发明的发动机控制过程流程图。

图５是本发明的控制模式命令值打包过程流程图。

图６是本发明的转速命令值打包过程流程图。

图７是本发明的扭矩命令值打包过程流程图。

图８是本发明的油门开度命令值打包过程流程图。

图9是本发明的工控机显示监控流程图。

图10是本发明的转速实际值解析过程流程图。

图11是本发明的扭矩实际值解析过程流程图。

图12是本发明的油门开度实际值解析过程流程图。

具体实施方式

图1是本发明的工控机HMI原理框图：本发明的一种控制电控发动机的装置包括带触摸屏的工控机、可编程控制器PLC、网关、电控发动机的电控模块ECM、转速传感器、喷油器和油压控制阀，工控机通过ProfiBus总线与PLC连接，PLC通过ProfiBus总线与网关连接，网关通过CAN与电控模块ECM连接，电控模块ECM通过发动机线束与发动机的传感器、喷油器和油压控制阀相连。

图2是本发明的工控机HMI原理框图。

在工控机HMI中包括命令参数输入模块和状态参数输出模块。命令参数输入模块：建立输入框，输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；状态参数输出模块：建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框，并建立这些输入、输出框与PLC相关变量的对应关系。

图3是本发明的PLC原理框图：所述PLC包括：

参数打包模块：用于把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值按J1939协议的格式打包；

输出缓存模块：用于存放从工控机HMI读取的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包，ProfiBus-J1939网关从所述的输出缓存模块读取所述的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包；

输入缓存模块：用于存放从ProfiBus-J1939网关发来的发动机转速、扭矩和油门开度实际值数据包；

报文解析模块：PLC把存放在输入缓存模块的发动机转速、扭矩和油门开度实际值的数据包经解析后发到工控机HMI进行显示。

PLC通过导入设备描述文件GSD建立PLC与ProfiBus-J1939网关的联系，从而使ProfiBus-J1939网关可以访问PLC的输入缓存模块和输出缓存模块。

图4是本发明实施例的发动机控制过程流程图：

具体方法是：

1）通过工控机组态软件建立发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的输入框及与PLC相关变量的对应关系；在所述输入框中输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；

2）所述发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值被自动放入所述的PLC相关变量中；所述PLC将相关变量经打包后被传送到所述PLC输出缓存模块的输出数据包中；

3）在网关的组态软件中建立J1939报文与所述PLC输出缓存模块的输出数据包的对应关系；所述PLC输出缓存模块的输出数据包的内容通过网关被自动传到所对应的J1939报文中；

4）网关通过CAN总线把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的J1939报文发给发动机电控模块ECM；

5）ECM对包含发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的报文进行解析，获取发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值参数，再按这些参数控制油压电磁阀和喷油器，从而控制发动机的运转。

图5是本发明的控制模式命令值打包过程流程图：

1）PLC把INT型的控制模式数值放入临时变量中。

2）取INT型控制模式数值的低字节，并存入BYTE型变量中。

3）将BYTE型的控制模式数值放入PLC输出数据包的指定位置

图6是本发明的转速命令值打包过程流程图：

1）PLC把INT型的转速物理量放入临时变量中。

2）将INT型的转速物理量转换成DINT型，再转换成REAL型。

3）将REAL型的转速物理量减去偏移值（Offset)，再除以比例值（Scaling）。

4）将上一步的数值由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为INT型。

5）将上一步的INT型数值转换为WORD型数值，再把WORD型数值的高、低字节对调，变成转速的报文值。

6）将WORD型的转速报文值放入与PLC输出数据包的指定位置。

图7是本发明的扭矩命令值打包过程流程图：

1）PLC把INT型的扭矩物理量放入临时变量中。

2）将扭矩物理量由INT型转换成DINT型，再由DINT型转换为REAL型。

3）扭矩物理量减去偏移量(Offset)，再除以比例值（Scaling），变成扭矩的报文值。

4）将扭矩报文值由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为BYTE型。

5）将BYTE型的扭矩报文值放入PLC输出数据包指定位置。

图８是本发明的油门开度命令值打包过程流程图：

1）PLC把INT型的油门开度的物理量放入临时变量中。

2）将油门开度的物理量由INT型转换为DINT型，再由DINT型转换为REAL型。

3）油门开度物理量减去偏移量(Offset)，再除以比例值（Scaling），变成油门开度的报文值。

4）将油门开度的报文值由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为BYTE型。

5）将BYTE型的油门开度的报文值放入PLC输出数据包指定位置。

图9是本发明的工控机显示监控流程图：

ECM把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值传给工控机的具体步骤是：

1）ECM从发动机转速传感器读取发动机转速；ECM从网关发来的报文中获取油门开度；ECM通过计算获取发动机的扭矩；

2）ECM把包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文发给网关；

3）网关自动把所述包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文内容放入PLC的输入缓存模块中的输入数据包中；

4）PLC将输入缓存模块中的输入数据包解析成对应的PLC变量；

5）所述PLC变量包含的转速、扭矩、油门开度实际值，通过ProfiBus总线传给工控机；

6）在工控机中建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框，并建立这些输出框与PLC相关变量的对应关系，工控机在触摸屏的相应输出框中显示PLC发来的转速、扭矩、油门开度实际值。

图10是本发明的转速实际值解析过程流程图：

1）PLC从输入数据包指定位置取出转速报文值，放入临时变量中。

2）将WORD型的转速报文值的高、低字节对调，再转换成INT型，再转换成DINT型，再转换成REAL型。

3）将REAL型数值乘以比例值（Scaling），再加上偏移值(Offset)，变成转速物理量。

4）将转速物理量由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为INT型。

5）将INT型的转速物理量放入与HMI输出框对应的PLC变量中。

图11是本发明的扭矩实际值解析过程流程图：

1）PLC从输入数据包指定位置取出扭矩报文值，放入临时变量中。

2）将扭矩报文值由BYTE型转换电成DINT型，再由DINT型转换为REAL型。

3）扭矩报文值乘以比例值（Scaling），再加上偏移值(Offset)，变成扭矩物理量。

4）将扭矩物理量由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为INT型。

图12是本发明的油门开度实际值解析过程流程图：

1）PLC从输入数据包指定位置取出油门开度报文值，放入临时变量中。

2）将油门开度报文值由BYTE型转换DINT型，再由DINT型转换为REAL型。

3）油门开度报文值乘以比例值（Scaling），再加上偏移值(Offset)，变成油门开度物理值。

4）将油门开度物理值由REAL型转换为DINT型，再由DINT型变为INT型。

5）将INT型的油门开度物理值放入与HMI输出框对应的PLC变量中。

采用本发明的方法和装置，操作人员可以实时监测和控制电控发动机的运转情况。本发明适用于以电控发动机为动力、工况可调的工程机械和试验设备。

本发明的核心是通过ProfiBus-J1939网关把ProfiBus总线系统与CAN总线系统整合到一起，使隶属于ProfiBus总线系统的工控机可以把转速、扭矩、油门开度的命令值发送给隶属于CAN总线系统的ECM，再由ECM控制发动机运转。因此，凡是利用网关把ProfiBus总线系统与CAN总线系统整合到一起来控制电控发动机的，均属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种控制电控发动机的装置，包括带触摸屏的工控机、可编程控制器PLC、网关、电控发动机的电控模块ECM、转速传感器、喷油器和油压控制阀，其特征在于：工控机通过ProfiBus总线与PLC连接，PLC通过ProfiBus总线与网关连接，网关通过CAN总线与电控模块ECM连接，电控模块ECM通过发动机线束与发动机的传感器、喷油器和油压控制阀相连。

2.根据权利要求1所述的控制电控发动机的装置，其特征在于：所述PLC包括：

参数打包模块：用于把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值按J1939协议的格式打包；

输出缓存模块：用于存放从工控机HMI读取的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包，ProfiBus-J1939网关从所述的输出缓存模块读取所述的发动机控制模式、转速、扭矩和油门开度命令值的数据包；

输入缓存模块：用于存放从ProfiBus-J1939网关发来的发动机转速、扭矩和油门开度实际值数据包；

报文解析模块：PLC把存放在输入缓存模块的发动机转速、扭矩和油门开度实际值的数据包经解析后发到工控机进行显示。

3.根据权利要求1或2所述的控制电控发动机的装置，其特征在于：工控机包括命令参数输入模块和状态参数输出模块；

命令参数输入模块：建立输入框，输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；

状态参数输出模块：建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框。

4.一种控制电控发动机的方法，步骤如下：

1）人工通过工控机的触摸屏输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度；

2）PLC把从工控机读取的控制模式、转速、扭矩、油门开度放入PLC内的输出缓存模块；

3）ProfiBus-J1939网关从PLC的输出缓存模块读取控制模式、转 速、扭矩、油门开度；

4）网关通过CAN总线把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度发给发动机电控模块ECM；

5）ECM获取发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值参数，ECM再按指令值控制发动机的运转；

6）ECM把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值通过CAN总线传给网关，再通过ProfiBus总线传给PLC和工控机用于显示和监测。

5.根据权利要求4所述的控制电控发动机的方法，其特征在于：具体方法是：

1）通过工控机组态软件建立发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的输入框及与PLC相关变量的对应关系；在所述输入框中输入发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值；

2）所述发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的命令值被自动放入所述的PLC相关变量中；所述PLC将相关变量经打包后被传送到所述PLC输出缓存模块的输出数据包中；

3）在网关中通过网关组态软件建立J1939报文与所述PLC输出缓存模块的输出数据包的对应关系；所述PLC输出缓存模块的输出数据包的内容通过网关被自动传到所对应的J1939报文中；

4）网关通过CAN总线把发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度的J1939报文发给发动机电控模块ECM；

5）ECM对包含发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值的报文进行解析，获取发动机控制模式、转速、扭矩、油门开度命令值参数，再按这些参数控制油压电磁阀和喷油器，从而控制发动机的运转。

6.根据权利要求4或5所述的控制电控发动机的方法，其特征在于：

ECM把发动机转速、扭矩、油门开度的实际值传给工控机的具体步骤是：

1）ECM从发动机转速传感器读取发动机转速；ECM从网关发来的报文中获取油门开度；ECM通过计算获取发动机的扭矩；

2）ECM把包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文发给网关；

3）在网关中通过网关组态软件建立J1939报文与所述PLC输入缓存模块的输入数据包的对应关系；网关自动把所述包含发动机转速、扭矩、油门开度实际值的报文内容放入PLC的输入缓存模块中的输入数据包 中；

4）PLC将输入缓存模块中的输入数据包解析成对应的PLC变量；

5）所述PLC变量包含的转速、扭矩、油门开度实际值，通过ProfiBus总线传给工控机；

6）通过工控机组态软件在工控机中建立转速、扭矩、油门开度实际值输出框，并建立这些输出框与PLC相关变量的对应关系，工控机在触摸屏的相应输出框中显示PLC发来的转速、扭矩、油门开度实际值。 

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