CN103399560B - 用于单缸机试验台的测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单缸机试验台的测控系统，包括上位机、智能仪表、PLC、多个传感器以及第一电动执行器，其中上位机分别与智能仪表和PLC相连接，上位机设定发动机运行参数的稳定判断区间及设定报警临界值，并在线下载至智能仪表；智能仪表分别与传感器和第一电动执行器连接，获取单缸机运行过程中监测点的发动机运行参数；进而调整第一电动执行器的工作状态，控制辅助系统；智能仪表还与PLC相连接，用于向PLC传送报警信号，PLC根据报警信号，进行报警提示。本发明通过智能仪表的应用，克服了上位机多任务与处理速度之间的矛盾，将任务分散化，提高了整个系统的可靠性和稳定性。

Description

用于单缸机试验台的测控系统

技术领域

本发明涉及测控系统，尤其涉及一种用于单缸机试验台的测控系统。

背景技术

发动机测试台架的研制始于上世纪四、五十年代，它是进行发动机性能试验的主要设备，其水平高低直接影响到能否如实反映发动机的性能，能否提供发动机设计和改进的依据。在发动机的开发、研制、生产和使用过程中，发动机测试台架环节对于发动机立论、设计制造新产品、研究和提高发动机及其零部件的性能以及正确地指导生产、维修和使用都具有十分重要的意义。随着计算机技术和电子技术在试验台架的测控系统上的应用和发展，现代的发动机测试台架集复杂数学算法、自动控制、信号处理、人工智能、电子技术等各种现代科学技术于一体，可以获得大量的测量值，根据需要进行实时监控和图形显示，提供了很好的数据处理功能，测量精度和控制精度都有了很大的提高。其中，发动机试验测控系统是基于计算机的控制系统，通过软件和硬件的结合设计，实现监测和控制的融合，满足对发动机试验的数据监测、运行控制、数据记录和安全保护等功能。

相对于发动机试验开发台架而言，单缸机试验台是进行详细的燃烧系统研究的强有力工具。多年来发动机研究和开发的专业公司，在单缸机上完成了大量的开发和实验，为大型整机的研究和开发提供了相当大的技术支撑。试制单缸试验机可以大大缩短发动机的设计试制周期、节约设计试制成本、减少设计试制人员的工作量。最终使发动机成品的下线时间提前，有利于提早抢占市场。

对于发动机产品试验而言，测控系统功能相对简单，参数调整和控制功能要求较低。然而面向试验开发，尤其单缸机试验开发的测控系统，由于单缸机试验系统本身的特性，需要分离的控制系统和辅助支持系统。这样与整机测控系统相比，单缸机测控系统还需要满足对辅助支持系统（包括机油、冷却水、燃油、进排气等系统）的监测和控制要求，并按照整机运行状态，对支持系统相关控制参量进行调整，保证与整机运行状态的一致性。

目前，在单缸机试验开发中，对辅助系统的控制要求较高，控制变量也较多，现有技术存在的主要问题如下：

1、在单缸机的试验开发中，一般将外围系统的各种调节装置的控制功能集中在上位机，增加了上位机的计算和处理负担，大量占用工控计算机的运行资源，同时增加了系统的运行风险。

2、单缸机的对象的不断变化以及试验任务类型的不同，对逻辑控制的变量参与范围和组合条件有不同的要求，配置欠灵活性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于单缸机试验台的测控系统，通过上位机、智能仪表与PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）的结合应用，减轻上位机的计算和处理负担，提高系统的稳定性，提高对逻辑控制的变量参与范围和组合条件的配置灵活性。

本发明提供的一种用于单缸机试验台的测控系统，包括试验数据管理系统、上位机、智能仪表、PLC、多个传感器以及第一电动执行器，其中上位机分别与试验数据管理系统、智能仪表和PLC相连接，上位机用于设定发动机运行参数的稳定判断区间及设定报警临界值，并将稳定判断区间及报警临界值在线下载至智能仪表；智能仪表与这些传感器相连接，用于采集单缸机运行过程中监测点的发动机运行参数；智能仪表与第一电动执行器相连接，用于调整第一电动执行器的工作状态，第一电动执行器用于控制辅助系统；智能仪表还与PLC相连接，用于向PLC传送报警信号，PLC根据报警信号，进行报警提示。

进一步地，上位机与智能仪表之间通过RS485总线建立连接，按照Modbus通讯协议完成数据通讯；智能仪表具有内部控制单元，用于调节和控制发动机运行参数。

进一步地，上位机与PLC通过RS485数据线建立通讯连接，按照自由通讯协议完成数据通讯。

进一步地，PLC具有数字输入模块、数字输出模块和模拟输出模块，数字输出模块和模拟输出模板连接第二电动执行器，第二电动执行器与发动机本体相连接，用于驱动发动机本体的动作。

进一步地，智能仪表包括模拟输入模块、模拟输出模块和开关输出模块；模拟输入模块与传感器连接，模拟输出模块与第一电动执行器的调节控制单元连接，并按照试验要求的目标值，以模拟量控制信号的形式，对电动执行器的工作状态进行调整，开关输出模块与PLC的数字输入模块相连接。

进一步地，第二电动执行器包括电磁阀与油门控制器。数字输出模块连接电磁阀；模拟输出模板连接油门控制器。

进一步地，当PLC根据报警信号，进行报警提示时，PLC还驱动第二电动执行器停止发动机的运行。

进一步地，该测控系统还包括UPS电源，UPS电源与上位机连接，用于为上位机供电。

进一步地，这些传感器包括压力、温度、液位以及流量传感器。

进一步地，PLC还连接了发动机运行控制及安保系统。

在本发明中，还提出了增加PLC脚本控制功能。上位机与PLC之间由RS485数据线形式建立连接通讯连接，按照自由通讯协议完成数据通讯。通过在应用软件中嵌入PLC脚本控制编辑窗口，从上位机中调用脚本程序编辑模块，根据获取的信号实测值，设定单个或组合判断条件，根据逻辑计算的结果，执行相应的控制功能。

优选地，PLC在应用程序中将I/O通道变量化，嵌入PLC脚本控制功能，通过交互窗口，在线编辑和修改逻辑控制语句，通过单个或组合条件判断和逻辑计算结果，自由指定PLC某触点输出，驱动外部执行单元进行相应动作。

技术效果

1、通过智能仪表来完成辅助系统各变量的控制，并由上位机以RS485总线通讯形式进行智能仪表参数设定和配置，灵活有效，克服了上位机多任务与处理速度之间的矛盾，将任务分散化，降低了上位机的计算运行负担，同时提高了整个系统的可靠性和稳定性。

2、在单缸机的耐久试验中，通过增设辅助系统的运行稳定状态判断及保护的功能，不仅可以一定程度上减轻了耐久试验中监测人员的劳动强度；而且增强系统的自动保护功能，避免由于机械、电气故障或控制单元失效，引起发动机运行状态的波动和陡变都会造成不可预估的严重后果；还可以有效避免在故障发生前的人为判断失误或反应不及，而造成严重事故。

3、通过嵌入在应用软件中的PLC脚本控制编辑窗口，自由实现对逻辑判断、组合关系的编辑和修改，最终控制PLC特定触点的输出；使参与逻辑判断的变量范围扩大，逻辑组合条件更加灵活，更加适合满足随时调整的单缸机试验开发需求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一较佳实施例中的一种用于单缸机试验台的测控系统的结构框架图；

图2显示了图1中的测控系统的上位机、智能仪表和PLC的硬件结构连接图；

图3是本发明的较佳实施例中的测控系统用于单缸机辅助系统耐久试验的工作流程图。

具体实施方式

本发明提供的用于单缸机试验台的测控系统是基于自主研发的单缸机试验台架，在分布型控制系统的基本模式下，采用了分级模块结构，把多元化、多样化的发动机监测及控制任务，分解为相对独立的环节，并根据功能上的区别设计成独立功能子模块、子程序。通过网络通讯的形式实现高度的集成和关联，通过上位机主程序统一管理和调度协调，完成预定的试验研究任务。

图1示出了本发明的用于单缸机试验台的测控系统的结构框架图，包括试验数据管理系统101、测控系统组件、控制设备系统以及外围支持系统。

测控系统组件包括上位机102、RS485串口扩展卡103、模拟量输入输出104以及PLC105。

控制设备系统包括智能仪表106。外围支持系统包括UPS电源107(Uninterruptible Power System,不间断电源)、电动执行器108、发动机运行控制及安保系统109、泵、加热器110和压力、温度、液位、流量传感器111等。其中，UPS电源107与上位机102连接，用于为上位机102供电。压力、温度、液位、流量传感器111与模拟量输入输出104通过信号线缆连接，模拟量输入输出104通过第一RS485总线112与RS485串口扩展卡连接，再通过IPC-PCI总线114与上位机102建立连接。

智能仪表106通过第二RS485总线113与RS485串口扩展卡103连接，再通过IPC-PCI总线114与上位机102建立连接，智能仪表106和上位机102之间按照Modbus通讯协议完成数据通讯。

智能仪表106还通过信号线缆或控制线缆与传感器等辅助模块连接（请参见图2）。

发动机运行控制及安保系统109、泵、加热器110通过信号线缆或控制线缆与PLC105连接，PLC105通过RS485数据线与RS485串口扩展卡103连接，再通过IPC-PCI总线114与上位机102建立连接。PLC105和上位机102之间按照自由通讯协议完成数据通讯。

此外，本领域技术人员可以理解的是，在单缸机测控系统结构框架图中，测控系统组件还可以包括板载串口RS232、串口扩展卡RS232，网卡等。控制设备系统还可以包括测功器控制器、油耗仪控制器、空气流量计、平板触屏电脑、烟度计控制器、排放分析仪、燃烧分析仪等。外围支持系统还可以包括水力测功器、油耗测量装置、空气流量测量装置、烟度测量装置、排放采样装置等。

上述外围支持系统通过信号线缆或控制线缆与控制设备系统连接，具体来说，水力测功器与测功器控制器连接，油耗测量装置与油耗仪控制器连接，空气流量测量装置与空气流量计连接，烟度测量装置与烟度计控制器连接，排放采样装置与排放分析仪连接。

控制设备系统通过RS232或RS485或TCP/IP形式与上位机102连接，具体来说，测功器控制器和油耗仪控制器分别通过RS232与板载串口RS232连接，再通过IPC-PCI总线与上位机建立连接；空气流量计、平板触屏电脑和烟度计控制器分别通过RS232与串口扩展卡RS232连接，再通过IPC-PCI总线114与上位机102建立连接；排放分析仪通过TCP/IP协议与网卡Ethernet连接，再通过IPC-PCI总线114与上位机102建立连接；上位机102和燃烧分析仪分别通过TCP/IP协议与试验数据管理系统建立联系。

在本发明中，智能仪表是以单片机技术为主体，将计算机技术和测量技术结合，具有参数化自动控制功能和标准的通信接口。在试验中，上位机102与智能仪表106之间按照Modbus通讯协议完成数据通讯，由上位机102完成智能仪表106的控制参数的设定和配置，包括设定目标值、PID参数和报警限值等。智能仪表106具有内部控制单元，用于调节和控制所述发动机辅助系统的运行参数。

如图2所示，给出了本发明中，上位机102、智能仪表106和PLC105的硬件连接图。其中，PLC105包括数字输入201、数字输出202和模拟输出203。数字输入201连接状态反馈信号，获取执行器或元件的工作状态；PLC105的数字输出202的连接电磁阀204，PLC105的模拟输出203的连接油门控制器205；电磁阀204和油门控制器205还连接发动机本体206，用于驱动发动机本体206的动作。

进一步地，本发明还增加了PLC脚本控制功能。上位机与PLC之间由RS485数据线建立连接通讯连接，按照自由通讯协议完成数据通讯。通过在应用软件中嵌入PLC脚本控制编辑窗口，从上位机中调用脚本程序编辑模块，根据获取的信号实测值，设定单个或组合判断条件，根据逻辑计算的结果，执行相应的控制功能。

优选地，PLC在应用程序中将I/O通道变量化，嵌入PLC脚本控制功能，通过交互窗口，在线编辑和修改逻辑控制语句，通过单个或组合条件判断和逻辑计算结果，自由指定PLC某触点输出，驱动外部执行单元进行相应动作。

智能仪表106包括模拟输入207、模拟输出208和开关输出209。模拟输入207与传感器210连接，传感器210用于采集单缸机运行过程中相应测点的运行物理参数；模拟输出208与电动执行器211的调节控制单元212连接，按照试验要求的目标值，以模拟量控制信号的形式，对电动执行器211工作状态进行调整。智能仪表106的开关输出209直接连接PLC105的数字输入201，用于向PLC105提供相应参数的运行状态信息。例如，智能仪表105的开关输出209向PLC105输出报警信号，PLC105触发相应的报警或动作，驱动各种执行机构进行动作，及时保护发动机并预防故障的扩大化。

在图2中，智能仪表106的模拟输出208与调节控制单元212的连接线、模拟输入207与传感器210的连接线为外部线。PLC105的数字输出202与电磁阀204、模拟输出203与油门控制器205的连接线为外部线。调节控制单元212、电动执行器211、辅助系统213之间的连接线为内部线；传感器210、油门控制器203、电磁阀206与发动机本体204之间的连接线为内部线。本实施中所指的数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出及开关输入可由各种输入输出模块实现，包括输入输出端子及输入输出接口。

智能仪表106内部配置固化的PID（Proportional,Integral and Derivative比例-积分-微分）算法和参数，实现对调节装置的控制，如电动执行器211等。智能仪表106独立完成测点数据的采集和控制信号的模拟输出，与上位机102之间以RS485串行通讯的形式通信。智能仪表106的测控步骤如下：

1）智能仪表106通过RS485总线在线下载上位机102设定的智能仪表106的相关参数，如设定目标值、PID参数或报警限值等；

2）智能仪表106的模拟输入207与传感器210连接，获取传感器210采集的单缸机运行过程中相应测点运行的物理参数；

3）智能仪表106的模拟输出208与电动执行器211的调节控制单元212连接，智能仪表106按照试验设定要求的目标值、PID参数或报警限值等，通过模拟量控制信号的形式对电动执行器211的工作状态进行调整。

通过以上步骤，实现智能仪表106的控制功能。

在试验过程中，上位机102可以通过与智能仪表106的RS485串行通讯的形式通信，获取传感器210的实测值，对智能仪表106进行在线控制目标值设定或控制参数调整。

智能仪表106的个数可以根据需要设置为一个或多个。优选地，智能仪表的个数为多个，以形成智能仪表组。各个智能仪表的模拟输出分别与单缸机测控系统中的其他辅助模板，包括压力传感器、油温传感器、油压传感器、水温传感器等进行连接，采集单缸机运行过程中相应测点运行的运行状态或物理参数，按照上述步骤实现智能仪表的控制功能。

可以发现，在传统的用于单缸机试验台的测控系统中，外围支持系统的各种调节装置的控制功能集中在上位机102，不仅会增加了上位机102的计算和处理负担，大量占用工控计算机的运行资源，同时增加了系统的运行风险。而本发明中，通过增加智能仪表106控制功能，以智能仪表（组）的形式实现辅助系统执行单元的调节控制，并由上位机102通信进行参数设定和数据交互，将上位机102的任务分散化，克服了上位机102多任务与处理速度之间的矛盾，保证了系统运行的可靠性。

在图2中，智能仪表106、上位机102和PLC105的数据通讯形式可以是：智能仪表106通过RS485总线与上位机102建立连接，采集的信号实测值通过Modbus协议完成数据通讯；上位机102通过RS232数据线与PLC105建立连接，将获取的信号实测值通过自由通信协议与PLC105完成数据通讯。

智能仪表106和PLC105的数据通讯形式还可以是：智能仪表106的开关输出209直接连接PLC数字输入201，用于提供PLC105相应参数的运行状态信息。

因此，通过上述上位机102、智能仪表106和PLC105的连接，特别是智能仪表106与PLC105硬件相结合应用，配合相应软件程序开发，满足适用于单缸机耐久试验过程中，对辅助系统控制变量的状态判断和保护功能。也就是说，图2所示的单缸机试验台的测控系统也可以用于单缸机辅助系统的耐久试验。

当进行耐久试验并稳定运行在要求工况下后，由上位机102已开发的应用程序交互窗口中，根据运行参数的实际值，设定各参数的稳定判断区间，给定相对或绝对的报警或动作的临界值，通过RS485总线在线下载至智能仪表106。

同时，测控系统启动状态稳定保护功能，智能仪表的开关输出与PLC的数字输入连接，提供PLC相应辅助模块的运行状态信息。一旦智能仪表106涉及的重要控制参量发生大幅波动或陡变，将触发的相应的报警或动作，由PLC105通过数字输入201进行状态信号的接受和驱动各种执行机构进行动作，及时保护发动机并预防故障的扩大化。

如图3所示，给出了本发明的较佳实施例中的测控系统用于单缸机辅助系统的耐久试验的流程图，包括如下步骤：

步骤301为试验准备：在PLC的逻辑功能编辑窗口中，配置并检查PLC的控制程序，根据实验要求，预设的逻辑判断、响应规则及动作延时，并通过RS485总线下载至PLC中独立运行。

步骤302为启动单缸机，同时调节辅助系统状态。

步骤303为根据单缸机运行工况，调节辅助系统控制变量和调节发动机控制变量。

步骤304为进行单缸机耐久试验，当单缸机运行工况进入稳定阶段，进行单缸机辅助系统的耐久试验；根据运行参数的实际值，上位机设定控制变量的稳定判断区间，给定相对或绝对的报警或动作的临界值，并通过RS485总线在线下载至智能仪表。

步骤305为使耐久试验进入人工模式，当耐久试验进入步骤305的人工模式时，人为监控各外围支持装置和控制设备单元的运行状态。一旦出现运行状态异常、发动机运行状态的波动或陡变等情况，即进入步骤310，试验结束。

步骤306为使耐久试验进入自动模式，当耐久试验进入步骤306的自动模式时，软件中激活自动运行保护功能。

步骤307为监控控制变量的波动，在步骤307中，一旦发动机运行过程中，控制变量波动或突变，导致运行参数触碰到智能仪表中设定的区间临界值，PLC则根据预设的逻辑判断条件和动作设定，自动执行报警提示，即步骤308，同时自动驱动执行单元，实现降工况、停车等相应动作，即步骤309，并结束耐久试验，即步骤310。

在本发明中，耐久试验的人工模式和自动模式可以进行切换，以适应不同的试验需求。

由此可见，在本发明的单缸机的耐久试验中，通过增设辅助系统的运行稳定状态判断及保护的功能，不仅可以一定程度上减轻了耐久试验中监测人员的劳动强度；而且增强系统的自动保护功能，避免由于机械、电气故障或控制单元失效，引起发动机运行状态的波动和陡变而造成不可预估的严重后果；此外，本发明还可以有效避免在故障发生前的人为判断失误或反应不及，而造成严重事故。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于单缸机试验台的测控系统，其特征在于，包括试验数据管理系统、上位机、多个智能仪表、PLC、多个传感器以及第一电动执行器，所述上位机分别与所述试验数据管理系统、所述智能仪表和所述PLC相连接，所述上位机用于设定发动机运行参数的稳定判断区间及设定报警临界值，并将所述稳定判断区间及所述报警临界值在线下载至所述智能仪表；各个所述智能仪表分别与所述这些传感器相连接，用于采集单缸机运行过程中监测点的所述发动机运行参数；所述智能仪表与所述第一电动执行器相连接，用于调整所述第一电动执行器的工作状态，所述第一电动执行器用于控制辅助系统；所述智能仪表还与所述PLC相连接，用于向所述PLC传送报警信号，所述PLC根据所述报警信号，进行报警提示；

所述PLC具有数字输入模块、数字输出模块和模拟输出模块，所述数字输出模块和所述模拟输出模块连接多个第二电动执行器，所述这些第二电动执行器与发动机本体相连接，用于驱动所述发动机本体的动作；

所述智能仪表包括模拟输入模块、模拟输出模块和开关输出模块；所述模拟输入模块与所述传感器连接，所述模拟输出模块与所述第一电动执行器的调节控制单元连接，并按照试验要求的目标值，以模拟量控制信号的形式，对所述第一电动执行器的工作状态进行调整，所述开关输出模块与所述PLC的数字输入模块相连接；

在应用软件中嵌入PLC脚本控制编辑窗口，从所述上位机中调用脚本程序编辑模块，根据获取的信号实测值，设定单个或组合判断条件，根据逻辑计算的结果，执行相应的控制功能；

所述测控系统在耐久试验过程中具有人工模式和自动模式，当耐久试验进入所述人工模式时，人为监控各外围支持装置和控制设备单元的运行状态，一旦出现运行状态异常、发动机运行状态的波动或陡变情况，试验结束；当耐久试验进入自动模式时，软件中激活自动运行保护功能，监控控制变量的波动，一旦发动机运行过程中，控制变量波动或突变，导致运行参数触碰到所述智能仪表中设定的区间临界值，PLC根据预设的逻辑判断条件和动作设定，自动执行报警，同时自动驱动执行单元，实现降工况、停车相应设定，试验结束。

2.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，所述上位机与所述智能仪表之间通过RS485总线建立连接，按照Modbus通讯协议完成数据通讯；所述智能仪表具有内部控制单元，用于调节和控制所述发动机运行参数。

3.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，所述上位机与所述PLC通过RS485数据线建立通讯连接，按照自由通讯协议完成数据通讯。

4.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，所述这些第二电动执行器包括电磁阀与油门控制器；所述数字输出模块连接所述电磁阀；所述模拟输出模块连接所述油门控制器。

5.如权利要求4所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，当所述PLC根据所述报警信号，进行报警提示时，所述PLC还驱动所述这些第二电动执行器停止发动机的运行。

6.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，还包括UPS电源，所述UPS电源与所述上位机连接，用于为所述上位机供电。

7.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，所述这些传感器包括压力、温度、液位以及流量传感器。

8.如权利要求1所述的用于单缸机试验台的测控系统，其中，所述PLC还连接了发动机运行控制及安保系统。