CN111521403A - 一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中传统的冷热冲击试验为人工调整，准确性差、实时性差、工作强度大的问题，本发明提供一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统，其技术方案在于：将单个测试周期内的负载调整可以分为额定最小负载保持、负载增加调整、额定最大负载保持、负载减小调整等四个阶段，在上述的四个阶段中，为了防止出现故障，在增加负载时，先提升转速，后提升扭矩；而在负载减少阶段，先降低扭矩后降低转速。本发明可以根据不同型号柴油机的转速‑扭矩曲线和控制需求，在控制软件中进行转速、扭矩、加载时间间隔、加载分段数量等参数的修改，和控制接口、通讯方式的适当变型设计，最终满足多种型号柴油机的冷热冲击考核试验。

Description

一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统

技术领域

本发明属于柴油机试验领域，具体涉及一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统。

背景技术

冷热冲击试验是评价高速大功率柴油机可靠性的重要方法之一，通过试验可以考核各种零部件和整机的综合性能。传统的冷热冲击试验为人工调整，准确性差、实时性差、工作强度大。

随着社会的发展，人工进行冷热冲击试验已不符合社会发展需求，一种自动的柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统亟待研发。

发明内容

为了解决现有技术中传统的冷热冲击试验为人工调整，准确性差、实时性差、工作强度大的问题，本发明提供一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法及系统，能够有效解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其技术方案在于：依据被测试柴油机的扭矩-转速特性曲线，将单个测试周期内的负载调整可以分为四个阶段；

S1.最小负载工况保持阶段，自动工作模式下，当待测柴油机的转速、扭矩和计时满足额定最小负载运行条件后，进入工况并保持；

S2.负载增加调整阶段，上述的S1步骤结束后，每间隔T时间调整一次转速、扭矩，对待测柴油机增加负载；其中，扭矩调整滞后转速调整；

S3.最大负载工况保持阶段，通过S2所述的调整方法持续条调节，直到柴油机的转速和扭矩满足额定最大负载运行条件后，进入工况并保持；

S4.负载减小调整阶段，上述的S3步骤结束后，调整待测柴油机的转速和扭矩下降直至额定最小负载工况；其中，转速调整滞后扭矩调整。

所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制系统，其特征在于：包括上位控制计算机、用于采集待测柴油机数据的数据采集模块、用于接收上位控制计算机调速指令并转换为4-20mA信号的机旁控制箱、用于与待测柴油机输出端连接并作为负载的水力测功器和测功器下位机、用于接收机旁控制箱4-20mA信号并控制待测柴油机转速的柴油机调速控制器以及水力测功器进水管路电控阀门；其中，所述的上位控制计算机与水力测功器进水管路电控阀门和测功器下位机同时电性连接，用于在向测功器下位机发送针对水力测功器的控制指令时，同时控制水力测功器进水管路电控阀门；其中，所述的上位控制计算机与机旁控制箱和柴油机调速控制器信号连接，上位控制计算机将调速指令以通讯的方式发送至机旁控制箱，机旁控制箱将通讯信号转换为4-20mA模拟信号发送至柴油机调速控制器。

有益效果：本发明依据被测试柴油机的扭矩-转速特性曲线，将单个测试周期内的负载调整可以分为额定最小负载保持、负载增加调整、额定最大负载保持、负载减小调整等四个阶段，在上述的四个阶段中，为了防止出现故障，在增加负载时，先提升转速，后提升扭矩；而在负载减少阶段，先降低扭矩后降低转速。本发明可以根据不同型号柴油机的转速-扭矩曲线和控制需求，在控制软件中进行转速、扭矩、加载时间间隔、加载分段数量等参数的修改，和控制接口、通讯方式的适当变型设计，最终满足多种型号柴油机的冷热冲击考核试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为单个周期内柴油机工况变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

具体实施例I：如图1，一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制系统，包括上位控制计算机1、用于采集待测柴油机数据的数据采集模块2、用于接收上位控制计算机1通讯调速指令并转换为4-20mA信号的机旁控制箱3、用于与待测柴油机输出端连接并作为负载的水力测功器、水力测功器下位机4、用于接收机旁控制箱4-20mA信号并控制待测柴油机转速的柴油机调速控制器5以及水力测功器进水管路电控阀门6；其中，所述的上位控制计算机1与水力测功器进水管路电控阀门6和水力测功器下位机4同时电性连接，用于在向水力测功器下位机4发送针对水力测功器的控制指令时，同时控制水力测功器进水管路电控阀门6；其中，所述的上位控制计算机1与机旁控制箱3和柴油机调速控制器5信号连接，上位控制计算机1将调速指令以通讯的方式发送至机旁控制箱3，机旁控制箱3将通讯信号转换为4-20mA模拟信号发送至柴油机调速控制器5。

所述的上位控制计算机1与水力测功器下位机4进行数据通信；由水力测功器下位机4与水力测功器之间形成扭矩闭环控制。

所述的上位控制计算机1与机旁控制箱3进行数据通信；机旁控制箱3与柴油机调速器5进行4-20mA模拟信号连接；柴油机调速器5按照转速设定值，与柴油机形成调速闭环控制。

其中，上位控制计算机1负责控制软件的运行，是自动调载的控制核心。控制软件用于启动和关闭自动调载功能，修改转速和扭矩的调整步长、时间间隔等参数，还用于自动记录各种柴油机运行数据。上位控制计算机1通过不同的通讯接口与水力测功器下位机4、机旁控制箱3、数据采集模块2等设备进行数据交换，实现转速、扭矩控制指令的发送和反馈数据的采集。

数据采集模块2负责柴油机试验时的各种运行数据的采集并传送至上位控制计算机1，运行数据主要有柴油机转速、温度、压力等热工参数。

机旁控制箱3负责柴油机试验时的基本监控与安全保护，其面板设置有起动、停机、复位、升降速等操控按键，具备超速、滑油压力过低、曲轴箱压力高等安全保护停机功能。机旁控制箱3内设置RS485接口与上位控制计算机1通讯，通讯内容包括运行状态和控制指令两部分；设置4～20mA输出接口与柴油机电子调速器相连，用于转速设定控制。

水力测功器下位机4负责柴油机承载扭矩的调整。根据应用需求设置工作模式为恒扭矩模式，经CAN总线接收上位机计算机设定指令，通过综合处理后驱动测功器出水口阀门，实现扭矩的调控。

柴油机调速控制器5负责柴油机转速信号的测量和燃油量调整，实现对目标设定转速的稳定控制。

水力测功器进水管路电控阀门6负责水力测功器进水流量的调节。当进入自动控制流程后，上位控制计算机1根据当前试验负荷的需求，对水力测功器进水管路电控阀门6的开度进行调整，满足扭矩调整时的水量需求。

当被测试柴油机具备自动测试条件后，通过起动上位计算机控制软件中“试验开始”功能，系统进入自动调载控制模式，根据图1所示的自动调载曲线确定发动机需要被加载的转速、扭矩和时间。转速设定数据通过RS485总线由上位控制计算机1送至机旁控制箱3，机旁控制箱3将寄存器变量形式的转速设定数据转换为4～20mA的模拟信号，并传送至柴油机电子调速器，电子调速器通过自身的闭环系统使柴油机稳定工作在被设定转速点。扭矩设定数据通过CAN总线由上位控制计算机1送至水力测功器下位机4，水力测功器下位机4通过自身闭环系统调整柴油机承载扭矩至设定点。依据自动调载曲线中的转速、扭矩、时间三个参数关系，依次进行调节最终实现整个工作曲线的自动调整。

在自动调载过程中，由于扭矩调整范围的需求较宽，在水力测功器进水流量最大的条件下，仅依靠水力测功器下位机4调节出水口阀门开度不能满足所有工况的负载调节，因此自动调载过程中上位控制计算机1根据目标扭矩需求和变化趋势，通过RS485总线将水力测功器进水管路电控阀门6开度的百分比数据传送至阀门控制箱，阀门控制箱将寄存器数据转换为4～20mA信号再传送至水力测功器进水管路电控阀门6驱动控制器，从而实现进水流量和出水流量的综合调节。

在自动调载过程中，记录与柴油机相关的各类热工参数是十分重要的，可以为后期的试验结果分析提供数据依据。数据采集模块2将柴油机及外围参试设备中设置的测试传感器进行数据采集，通过以太网总线，基于Modbus-TCP协议，将数据传送至上位控制计算机1。上位计算机软件每间隔1秒钟将时间戳记、转速、扭矩、温度、压力、阀门开度等参数记录至本地数据库，并定时传送至试验数据管理系统。

所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：依据被测试柴油机的扭矩-转速特性曲线，将单个测试周期内的负载调整可以分为四个阶段；

S1.最小负载工况保持阶段，自动工作模式下，当待测柴油机的转速、扭矩和计时满足额定最小负载运行条件后，进入工况并保持；

S2.负载增加调整阶段，上述的S1步骤结束后，每间隔T时间调整一次转速、扭矩，对待测柴油机增加负载；其中，扭矩调整滞后转速调整；

S3.最大负载工况保持阶段，通过S2所述的调整方法持续条调节，直到柴油机的转速和扭矩满足额定最大负载运行条件后，进入工况并保持；

S4.负载减小调整阶段，上述的S3步骤结束后，调整待测柴油机的转速和扭矩下降直至额定最小负载工况；其中，转速调整滞后扭矩调整。

需要明确的是：时间T可以根据实际情况自行设定。

具体实施例II：单个周期内的负载调整可以分为四个阶段，如图2所示，分别是：额定最小负载保持0～5分钟、负载增加调整5～8分钟、额定最大负载保持8～13分钟、负载减小调整13～15分钟。

对于S1步骤，在自动工作模式下，当上位控制计算机1判断当前柴油机的转速、扭矩和计时满足额定最小负载运行条件后，进入最小负载工况保持阶段并开始5分钟计时。保持过程中，上位控制计算机1不再向机旁控制箱3和水力测功器下位机4发送转速和扭矩设定数据，此时发动机转速和扭矩稳定。

依据图2所示的被测试柴油机的扭矩-转速特性曲线，将曲线中700rpm～1750rpm范围段均分为54份，共获得55个点的转速与扭矩对应数据。将获取到的数据在上位计算机软件中进行填表，以时间为横坐标绘制的转速和扭矩上升调节曲线。为避免自动加载过程中出现柴油机转速未达到设定点，而对应扭矩先期达到设定点，导致柴油机超载的问题，上位控制计算机1将扭矩设定指令滞后转速设定指令15秒发送。

额定最小负载保持运行结束后，进入负载增加调整阶段，调整时间长度为3分钟。从调整开始至结束，每间隔3秒钟上位控制计算机1向机旁控制箱3和水力测功器下位机4发送一次转速、扭矩数据，整个调整过程共计发送60次设定数据。转速设定数据在第1～55次指令中发送内容按照转速上升调节数据表执行，第56～60次指令中发送内容保持与第55次指令内容一致。扭矩设定数据在第1～5次指令中发送内容保持与调整前最后一次内容一致，第6～60次指令内容按照扭矩上升调节数据表执行。通过这种方式，实现了扭矩设定指令滞后转速设定指令15秒发送。

为满足发动机最大和最小扭矩的调节，需要对水力测功器进水管路电控阀门6进行开度控制，额定最大扭矩时对应100％开度，额定最小扭矩时对应20％开度。参照前图曲线，在负载增加调整的3分钟过程当中，分别在4个时间点进行水力测功器进水管路电控阀门6开度增大调整，负载增加前时保持20％的开度不变；5分45秒时水力测功器进水管路电控阀门6开度增至40％；6分30秒时水力测功器进水管路电控阀门6开度增至60％；7分15秒时水力测功器进水管路电控阀门6开度增至80％；8分时水力测功器进水管路电控阀门6开度增至100％。

上位控制计算机1自动调整并判断当前柴油机的转速和扭矩满足额定最大负载运行条件后，进入工况保持阶段并开始5分钟计时。保持过程中，上位计算机1不再向机旁控制箱3和水力测功器下位机4发送转速和扭矩设定数据。

依据如图2发动机的扭矩-转速特性曲线，将曲线中1750rpm～700rpm范围段均分为34份，共获得35个点的转速与扭矩对应数据。将获取到的数据在上位计算机软件中进行填表，以时间为横坐标绘制的转速和扭矩下降调节曲线。为避免自动减载过程中出现柴油机扭矩还未减至设定点，而对应转速先降至设定点，导致发动机超载的问题，上位控制计算机1将转速设定指令滞后扭矩设定指令15秒发送。

额定最大负载保持运行结束后，进入负载减少调整阶段，调整时间长度为2分钟。从调整开始至结束，每间隔3秒钟上位控制计算机1向机旁控制箱3和水力测功器下位机4发送一次转速和扭矩数据，整个调整过程共计发送40次设定数据。扭矩设定数据在第1～35次指令中发送内容按照扭矩下降调节数据表执行，第36～40次指令中发送内容保持与第35次指令内容一致。转速设定数据在第1～5次指令中发送内容保持与调整前最后一次内容一致，第6～40次指令中发送内容按照转速下降调节数据表执行。通过这种方式，实现转速设定指令滞后扭矩设定指令15秒发送。

与负载增加调整过程相似，负载减小过程中需要对水力测功器进水管路电控阀门6进行开度减小控制。在负载减小调整的2分钟过程当中，分别在4个时间点进行水力测功器进水管路电控阀门6开度减小调整，13分30秒时水力测功器进水管路电控阀门6开度由100％减至80％；14分时水力测功器进水管路电控阀门6开度减至60％；14分30秒时水力测功器进水管路电控阀门6开度减至40％；15分时水力测功器进水管路电控阀门6开度减至20％。

需要明确的，负载增加阶段调整时间为180秒，负载减少阶段调整时间为120秒。目的是，在负载增加调整阶段，适当延长调整周期和减少单次调整幅度，保持柴油机转速和扭矩平稳增长，避免出现超调现象；而在负载减少调整阶段，出现超调的风险大大减小，因此适当缩短调整周期和增大单次调整幅度，提高系统的响应速度。

在实际生产中，上位控制计算机1在发送转速、扭矩、水力测功器进水管路电控阀门6开度等指令完成后，经1.5秒延时进行目标设定值与实际反馈值的对比，当实际反馈值处于目标设定值的允许误差范围内时，认为自动调整目标达到要求则流程继续执行。否则，系统认为设定目标未达到要求，进入自动调整故障延时确认流程，若再经1.5秒延时后目标设定仍未达到要求，则自动调整流程中断，同时发出自动调整失败报警信息，控制模式由“自动”自动转为“手动”，监控人员可及时进行人工干预，保证发动机安全运行；若1.5秒延时确认后，目标设定达到要求则自动控制流程继续执行。

转速调整允许误差：±1.5％；

扭矩调整允许误差：±1.5％；

水力测功器进水管路电控阀门6开度调整允许误差：±3％。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：依据被测试柴油机的扭矩-转速特性曲线，将单个测试周期内的负载调整可以分为四个阶段；

S1.最小负载工况保持阶段：自动工作模式下，当待测柴油机的转速、扭矩和计时满足额定最小负载运行条件后，进入工况并保持；

S2.负载增加调整阶段：上述的S1步骤结束后，每间隔T时间调整一次转速、扭矩，对待测柴油机增加负载；其中，扭矩调整滞后转速调整；

S3.最大负载工况保持阶段：通过S2所述的调整方法持续调节，直到柴油机的转速和扭矩满足额定最大负载运行条件后，进入工况并保持；

S4.负载减小调整阶段：上述的S3步骤结束后，调整待测柴油机的转速和扭矩下降直至额定最小负载工况；其中，转速调整滞后扭矩调整。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：所述的S2步骤中，每间隔T时间调整一次转速、扭矩数据，整个调整过程共计发送60次设定数据；转速设定数据在第1～第55次调整按照预设数据进行调整且第56～60次调整数据保持与第55次调整数据一致；扭矩设定数据在第1～5次调整数据保持与调整前数据一致且第6～60次调整数据按预设数据进行调整。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：所述的S4步骤中，额定最大负载保持运行结束后，每间隔3秒钟发送一次转速和功率数据，整个调整过程共计发送40次设定数据；

其中，扭矩设定数据在第1～35次按预设数据进行调整，第36～40次调整数据保持与第35次调整数据一致；转速设定数据在第1～5次调整数据保持与调整前最后一次内容一致，第6～40次指令按预设数据进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：S2步骤所述的负载增加阶段调整时间大于S4步骤所述的负载减少阶段调整时间。

5.根据权利要求1所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制方法，其特征在于：还包括自检环节，具体为：

上位控制计算机(1)发送指令后，经延时后进行目标设定值与实际反馈值的对比；当实际反馈值处于目标设定值的允许误差范围内时，认为自动调整目标达到要求则流程继续执行；否则，进入自动调整故障延时确认流程；

该自动调整故障延时确认流程指：再经延时后目标设定仍未达到要求，则自动调整流程中断，同时发出自动调整失败报警信息，控制模式由“自动”自动转为“手动”；若延时后，目标设定达到要求则自动控制流程继续执行；

其中，允许误差范围为：

转速调整允许误差：±1.5％；

扭矩调整允许误差：±1.5％；

水力测功器进水管路电控阀门(6)开度调整允许误差：±3％。

6.一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制系统，其特征在于：包括上位控制计算机(1)、用于采集待测柴油机数据的数据采集模块(2)、用于接收上位控制计算机(1)调速指令并转换为4-20mA信号的机旁控制箱(3)、用于与待测柴油机输出端连接并作为负载的水力测功器、测功器下位机(4)、用于接收机旁控制箱(3)4-20mA信号并控制待测柴油机转速的柴油机调速控制器(5)以及水力测功器进水管路电控阀门(6)；

其中，所述的上位控制计算机(1)与水力测功器进水管路电控阀门(6)和测功器下位机(4)同时电性连接，用于在向测功器下位机(4)发送针对水力测功器的控制指令时，同时控制水力测功器进水管路电控阀门(6)；

其中，所述的上位控制计算机(1)与机旁控制箱(3)和柴油机调速控制器(5)信号连接，上位控制计算机(1)将调速指令以通讯的方式发送至机旁控制箱(3)，机旁控制箱(3)将通讯信号转换为4-20mA模拟信号发送至柴油机调速控制器(5)。

7.根据权利要求6所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制系统，其特征在于：所述的上位控制计算机(1)与测功器下位机(4)进行数据通信；由测功器下位机(4)与水力测功器之间形成扭矩闭环控制。

8.根据权利要求6所述的一种柴油机冷热冲击试验自动调载控制系统，其特征在于：所述的上位控制计算机(1)与机旁控制箱(3)进行数据通信；机旁控制箱(3)与柴油机调速器(5)进行4-20mA模拟信号连接；柴油机调速器(5)按照转速设定值，与柴油机形成调速闭环控制。

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