基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机电控系统的实现

基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机电控系统的实现 基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机电 控系统的实现 第34卷第6期 2005年l2月 小型内燃机与摩托车 SMALLINI1ERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLE Vo1.34No.6 Dec.2005 基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机电控系统的实现 窦大鹏甘永梅韩力王兆安 (西安交通大学电气工程学院陕西西安710049) 摘要:根据摩托车交流底盘测功机的功能要求和特点,提出了以DeviceNet作为主体的网络平台构架 成的用于摩托车测试的现场总线控制系统.给出了电控系统的总体;具体论述了电控系统的 硬件构成及PLC,变频器,上TO-r-控机等部分的功能;详细阐述了控制系统中的PLC,上下位工控机软 件的设计与实现;最后通过比对实验明本系统与国外同类设备相比,精度满足设计要求,性价比高. 关键词:摩托车交流底盘测功机DeviceNet网络PLC 中图分类号:TI(323文献标识码:A文章编号:1671—0630(2005)O6—0006—04 RealizationofControlSystemforMotorcycle ACChassisDynamometersBasedonDeviceNet DouDapeng,GanYongmei,HanLi,WangZhaoan XianJiaotongUniversity(Xihn710049) Abstract:AccordingtotheACchassisdynamometercontrolrequest,thedesignschemeofthe controlsystem ispresented.Thestructureandthefunctionofthecontrolsystemareintroduced.Howtodesign andrealize thesoftwareonthePLCandcomputerisalsointroduced. Keywords:MotorcycleACchassisdynamometer,DeviceNet,PLC 引言 摩托车交流底盘测功机是模拟摩托车整车进行道 路试验的专用设备.它通过模拟摩托车在道路上行驶 时受到的各种阻力和实际情况,使摩托车在出厂前能 够在台架上完成各种整车性能的测试,与摩托车道路 试验相比,具有高效,安全,数据一致性好和不受天气 影响等优点.是摩托车企业进行质量检验,新品开发 及零部件性能比对等各项工作的重要检测设备.本系 统可以对摩托车进行性能试验,耐久性试验及工况法 排放试验(需另配工况法排气分析仪).目前市面上 主流的底盘测功机为电力测功机.电涡流测功机,水 力测功机因其加载器的低速性能不好,维护不便而逐 渐被淘汰.电力测功机中的交流测功机以其转动惯量 小,调速范围宽,响应速度快及空载特性好等特点,成 为国际上测功机发展和应用的方向. 基于DeviceNet的交流底盘测功机系统可以模拟 出摩托车在道路行驶中所受的各种阻力和风冷效果, 用于测试摩托车的加速性能,爬坡能力,后轮输出功 率,油耗等多项性能指标.由于使用了DeviceNet现场 总线,与传统的交流底盘测功机相比,具有系统结构和 控制高度分散,现场环境的适应性好,安装维护成本低 及系统的抗干扰性强等特点. 1电控系统的总体构成 摩托车在进行台架试验时,前轮用夹持器固定,后 轮放在测功机转鼓上,转鼓被车辆后轮驱动而转动,带 动测功机旋转,同时测功机通过力矩控制从而模拟出 车辆在道路行驶中受到的各种行使阻力(道路行驶中 的"速度一阻力曲线");另外,控制发动机前的风机达 到和路试相同的风冷效果.以上两点就是整个交流底 盘测功机系统能够取代路试并得以实施的关键.系统 作者简介:窦大鹏(1979一),男,硕士生,主要研究方向为工业自动化控制. 第6期窦大鹏等:基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机电控系统的实现7 的机械部分主要由交流测功机,转鼓,冷却风机及气压 夹持器等构成;电气部分主要由变频器,PLC,上下位 工控机,DeviceNet网络,油耗仪及温度和力矩传感器 等构成.由于目前国内三轮摩托车市场日益壮大,我 们也应客户要求开发了二,三轮兼用型底盘测功机. 三轮即在二轮的主转鼓侧,多加一个副转鼓,中间用联 轴器连接.用户可以根据试验车型需要进行二,三轮 切换,用拨叉将主,副转鼓联结或松开. 图1是基于DeviceNet的摩托车交流底盘测功机 电控系统简图.直接和DeviceNet网络相连接的是 PLC和FlexI/O以及REGEN单元.PLC通过Devi. ceNet将控制信号传给变频器IMPACT和PLUSII用 以分别控制测功机转鼓和风机,以达到实时控制的目 的(根据车辆当前的速度按照"速度一阻力曲线"给出 相应的阻力和风速).FlexI/O将力矩反馈信号与当 前发动机转速信号,缸头温度及机油温度通过网络传 递给上位工控机进行监控.控制台上的各种控制开 关,信号灯和报警器都可以通过FlexI/O与网络相连. REGEN单元与两台变频器以共直流母线方式相连接 供控制系统使用,并能将测功机发出的电能用于风机 或回馈至电网,从而大大节约了能源. 图1交流底盘测功机电控系统简图 采用基于DeviceNet的设计方案主要基于以下几 点考虑: 1)能节省硬件数量与投资.由于现场总线系统 中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报 警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单 独的调节器,计算单元等,也不再需要信号调理,转换, 隔离等功能单元及其复杂的接线,从而节省了一大笔 硬件投资. 2)能节省安装和维护费用.现场总线的接线十 分简单,1对双绞线或者l条电缆上通常可挂接多个 设备,因而电缆,端子,槽盒及桥架的用量大大减少,连 接设计与接头校对的工作量也大大减少.当需要增加 现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原 有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计,安装和维 护的费用和工作量. 3)能提高系统的准确性和可靠性.由于现场总 线的智能化,数字化,与模拟信号相比,从根本上提高 了测量与控制的精度,减少了传送误差.同时,由于系 统的结构简化,设备与连线减少,减少了信号的往返传 输,提高了系统的工作可靠性. 2基于DeviceNet的摩托车交流底盘测 功机电控系统硬件的实现 2.1上,下位工控机系统 工控机系统是整个摩托车交流底盘测功机系统中 进行数据处理及人机交互的主要控制设备.下位机使 用力矩传感器和转角编码器从测功机处采集需要的转 矩和转速信号,经过前端信号调理板和频率信号处理 板进行处理以后,作为数据源送入上位机系统,经过一 定的计算,处理可以得出控制测功机和风机所需要的 数字信号,经过RS232串口发送到上位机,再通过PLC 和DeviceNet网络传输给变频器. 2.2SLC系统 SLC作为DeviceNet网络的主站,处理系统各种数 据和工艺动作,如通过网络将控制命令和速度给 定值传给各变频器,将各变频器的启停状态,运行频 率,电压,电流及报警等采集回来进行处理. 在本系统中SLC处于核心控制地位,采用的是 Allen—Bradley公司制造的小型可编程控制器SLC5/ 03,该SLC可以让用户组成模块化控制器,其I/O数 高达1024个输人和1024个输出,存储器容量为8K或 16K.当选择一个扫描器模块,并将其插人30个模块 插槽之中的一个槽内,就能将设备网(DeviceNet)I/O 加人系统. 2.3变频器 变频器作为DeviceNet网络的从站,实时响应主站 发出的各种命令,直接控制现场设备,同时实时检测和 返回电机运行状态,系统的稳定性和控制精度与其性能 好坏密不可分.由于变频器在本系统中占有举足轻重 的地位,因此,设计选型采用Alien—Bradley公司制造的 1336系列交流变频器1336PLUSII和1336IMPACT. 3基于DeviceNet的摩托车交流底盘测 功机电控系统软件的实现 系统中的PLC及上,下位工控机都需要编程来实 8小型内燃机与摩托车第34卷 现不同的功能. 3.1PLC软件 使用Rockwell公司RSLogix500编程软件进行编 程,实现系统中的各种逻辑控制功能,互锁保护功能及 系统起停. 3.2下位工控机软件 下位机的功能主要是测量车辆当前的速度,加速 度及油耗量,通过程序计算给出相对应的阻力,并通过 RS232传输给上位机.由于系统对测试的实时性,可 靠性要求很高,我们在下位工控机中采用了DOS系 统,并使用BorlandC++3.1进行编程. 主程序在开始运行后先关中断,读取相关的配置 文件,进行初始化,然后开启中断功能并一直循环工 作.程序中有两个中断服务子程序,一个用于处理实 时测量速度,加速度;另一个用于处理与上位工控机的 串口通讯.在测试过程中并不对下位工控机进行操 作,程序提供的键盘操作主要用于调试和检修.同时 下位工控机是装在机柜里,不提供显示器,为了防止因 误操作出现死机现象,采用了看门狗技术. 系统在每lOms左右调用一次测量中断服务子程 序,我们采用了M/T测速方法测量车速,保证了在不 同的车速下都能达到较高的测试精度,在此基础上得 到加速度信号,并计算出应该给定的阻力值,通过 Rs232串口传给上位机. 3.3上位机软件部分的实现 上位机实现的是监控,整车性能项目的测试和人 机交互HMI的功能.主要为摩托车整车的性能测试 以及对各种温度的监控,其中包括室温,缸头温度及机 油温度,这主要通过FlexI/O经网络送上来,图2是上 位监控系统要实现的功能结构框图. 图2上位监控软件结构框图 基于稳定和硬件兼容问,我们选用iFix组态软 件开发SCADA系统.iFix作为工业自动化软件中最 常用的组态软件,具有支持RockWell硬件设备,完全 基于对象的开发环境,高通用性的OPC技术,真正的 分布式网络结构等系列特点.为整个系统的良好稳定 运行提供了安全保障.通过iFix编写的上位软件,测 试员可以方便地完成各种测试项目,实时数据的监控, 测试结果报表的打印以及报警提示,报警处理功能. 除了测试员需要监控这些信息外,跟车辆相关的一些 信息如车速,发动机转速,缸头温度及机油温度等还需 要在司机助手界面显示.这里采用了双显卡显示技 术,即一个用于测试员,另一个用于对驾驶员进行信息 提示. 通过上位机的人机界面HMI,操作员可以完成包 括起步加速,超越加速,最高车速,车速里程表校核,滑 行,油耗,爬坡,后轮输出功率及自由模式等在内多项 测试,各主要测试项目中又包含了若干测试子项目. 测试过程中有大量的测试设定数据,过程数据,测 试结果数据及报警数据需要随时提取和调用并打印报 表,我们采用了以Access作为后台数据库,前端采用 iFix内嵌的VBA脚本代码,采用ODBC驱动接口, ADO方式访问远端数据库.中间层以CrystalReport 9.0作为报表界面进行连接显示,从而大大提高了访 问速度和效率. 4系统调试和比对试验结果 作为产品,系统在安全性和可靠性方面作了更高 的要求.为防止测试过程中测功机反转带来的危险, 在软件上采用零速信号条件判断开关;提供了声光报 警,紧急停车功能,并可以查询报警前30秒的相关数 据,分析故障原因;对于可能产生的误操作在软硬件方 面都采用了相应的互锁和错误提示信息. 底盘测功机是用于能够取代摩托车道路试验的一 套台试设备,对于同样的车况,可以根据其台试结果数 据和路试结果数据的偏差大小来检验设备开发成功与 否.此外,和市场上的同类产品的台试结果数据相比 较也能说明本套设备的性能好坏.所以在系统开发完 成后,使用同一辆样车,做了路试,本套设备(ACD一 22)的台试以及从日本进口的75kWCHDY底盘测功机 的台试,用同一辆样车进行起步加速,超越加速,最高 车速及滑行四项动力性能试验.所有试验由同一驾驶 员驾驶,操作方式保持统一;所用燃油为同一批次;试 验环境条件尽可能一致. (下转第l3页) 第6期雷基林等:不同海拔地区的增压柴油机性能研究13 最经济燃油消耗区以及与此相应的有效功率区明显向 下偏移,等有效燃油消耗区明显变窄,所适应的中小功 率的经济有效燃油消耗区的有效功率减小. 3)等过量空气系数下,不同大气压力下增压柴油 机的动力性和经济性随大气压力的升高变好. 4)运行在不同海拔地区的增压柴油机的排气烟 度之间存在着差异.在等过量空气系数的条件下,随 着海拔的增加,增压柴油机的排气烟度相应减小.在 高原地区,过量空气系数对柴油机的排气烟度较为敏 感.尤其是在较小的过量空气系数范围内,过量空气 系数的较小变化,都将导致柴油机的排气烟度的较大 增加. 5)增压柴油机在同功率,不同大气压力下的排气 烟度是不一样的,小功率范围内,低的大气压力下排气 烟度值也相应的小,随着功率的增加,低的大气压力下 的排气烟度超过了高的大气压力下的排气烟度. 参考文献 1申立中,沈颖刚,毕玉华,等.不同海拔地区下的自然吸气 柴油机性能研究[J].汽车技术,2001(2):13—16 2刘颖.柴油机原理[M].武汉:华中理工大学出版社, 1991.357,366 3申立中,沈颖刚,毕玉华,等.不同海拔高度下自然吸气和 增压柴油机的燃烧过程[J].内燃机,2002(1):49, 52 4ShenLizhongetc.CombustionProcessofDieselEnginesat RegionwithDifferentAltitude.SAEPaper950857 (sP1092) 5ShenLizhong.DimensionlessAnalysisofthePropertiesof DieselEnginesatDifferentAtmosphericPressures.SAEPa? per952064,1995 (收稿13期:2004—12—14) (上接第8页) 表1所示的是路试,75kWCHDY测功机和ACD一 22测功机的三方比对试验数据的对照表. 表1试验数据对照表 75kWCHDY75kWCHDYACD一22ACD一22 路试试验项目\台试1台试2台试1台试2 起步加速/S12.9412.7412.7313.0o12.90 超越加速/s14.2013.9214.0614.4014.40 最高车速/98 . 597.897.898.099.1 (km/h) 滑行/131273.9303.6302.4264.1272.6 表2所示的是75kWCHDY,ACD一22的台试数据 与路试数据比对的偏差率. 表2台试与路试比对数据偏差率% 75kWCHDY75kWCHDYACD一22ACD一22 试验项目\台试1台试2台试1台试2 起步加速一1.55—1.620.46—0.31 超越加速一1.97—0.991.411.41 最高车速一0.71—0.71—0.510.61 滑行10.8410.41—3.58—0.47 从上述对照表看出,ACD一22与路试比对试验数 据偏差率很小.均能达到设计要求. 5结论 本系统是与国家摩托车检测中心联合研制的.采 用变频器,REGEN单元以共直流母线的方式工作,极 大地提高了系统中电能的使用效率,并在电气控制方 面采用DeviceNet现场总线网络技术提高了系统的稳 定性和可扩展性.上位机也采取了以iFix为开发环境 的SCADA系统.目前本系统已成功投入市场,为3家 客户(福建,山东,河南)安装完设备,并顺利通过调 试,交付使用.与国外同类产品相比较,造价低,具有 较高的性价比和更广阔的市场前景. 参考文献 1阳宪惠,徐用懋,魏庆福.现场总线技术及其应用[M].北 京:清华大学出版社,1999 2DeviceNetSpecificationRelease2.0,ODVAIne,1999 3浙江大学罗克韦尔自动化技术中心.可编程序控制器系 统[M].浙江:浙江大学出版社,2000 (收稿13期:2004—11—18)