燃氣發動機空燃比控制系統硬件設計

摘 要：燃氣發動機空燃比控制系統由電子控制單元（ECU）、傳感器和執行器三部分組成。硬件設計的重點包括控制器、傳感器和執行器的選擇，以及信號調理電路、報警電路、鍵盤電路、顯示電路、執行器驅動電路和電源電路等的設計。要求設計的控制系統具有良好的抗干擾能力，保證系統運行可靠。

關鍵詞：燃氣發動機，控制器，空燃比控制

引言

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，是煤礦的主要災源，也是一種清潔能源資源，若不加利用又是溫室氣體污染源。截至2020年末，累計探明地質儲量9380億立方米，比“十二五”末增長71%。2020年，全國煤層氣供應量78億立方米（含煤層氣區塊內其他非常規天然氣），較2015年翻一番。

“十三五”期間，煤炭、煤層氣行業深入貫徹習近平總書記關于安全生產和能源發展重要指示批示精神，抓牢瓦斯抽采這一治本之策，堅持井下瓦斯抽采與地面煤層氣開發并舉，以用促抽、以抽保安，推動煤礦瓦斯防治水平跨越式提升，煤層氣成為常規天然氣供應的有力補充，讓煤炭這個國家能源安全“壓艙石”的底盤更穩，重點地區天然氣供應保障的底氣更足。

1 控制器的選擇

煤層氣發動機的工作條件要求空燃比控制系統必須具有可靠性高、抗干擾強、響應快、精度高等特點，同時各種信息的采集必須準確可靠。考慮到本系統的性能要求、輸入輸出的點數、性價比等，本設計選擇的控制器為西門子公司的S7-200系列的CPU224DC/DC/DC型可編程控制器。此外，還選擇了6個擴展模塊：兩個EM222數字量擴展模塊、兩個EM231模擬量擴展模塊和兩個EM231熱電偶擴展模塊。

西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復雜的自動化控制系統。由于它有極強的通信功能，在大型網絡控制系統中也能充分發揮其作用。S7-200的可靠性高，可以用梯形圖、語句表（及指令表）和功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，內置有高速計數器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協議、MPI通信協議和自由端口模式通信功能，最大可擴展到248點數字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB程序和數據存儲空間。

S7-200有5種CPU模塊：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。本系統采用的是CPU224DC/DC/DC型PLC，其性能指標如表1所示[1]。

本系統所需參數較多，如發動機的運行參數：缸溫、排氣氧濃度、節氣門位置和轉速;煤層氣的壓力和甲烷濃度;空氣的壓力;空氣閥和燃氣閥的位置。這些參數均為非電量形式，不能直接輸入到可編程控制器（PLC）中處理。因此，需要傳感器將這些非電量轉換成電量。

2 步進電機及驅動器的選擇

2.1 5700系列混合式直線步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度;反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰;混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。本系統主要用步進電機控制燃氣閥和空氣閥的開度，要求精度高、體積小、轉矩大和響應快。

2.2 M542驅動器

步進電動機需要配置一個專用的驅動器，驅動器的作用是讓電機的繞組按照特定的順序通電。步進電機與其驅動器是一個相互聯系的整體，步進電動機系統的運行性能是由步進電機和其驅動器共同決定的。本系統選用的是海頓直線電機（常州）有限公司的M5421型步進電機驅動器。該驅動器適用于2相，4相混合式步進電機的驅動，采用了先進的雙極性直流斬波技術，具有輸出功率更高、速度更快、電流紋波小和電機熱少等特點。

3 硬件電路設計[2][3][6][7]

3.1 輸入信號調理電路

空氣壓力、燃氣壓力、燃氣甲烷濃度、燃氣閥開度、空氣閥開度、缸溫及排氣氧濃度等信號通過相應的傳感器轉換為標準量程的電流或電壓，如4～20mA或0～5V。PLC用A/D轉換器將它們轉換成數字量以供CPU處理。

傳感器輸出的信號容易受到現場噪聲和震動等干擾信號，為了防止這些干擾信號影響測量和控制的精度，在信號調理電路中加入了RC濾波電路。圖1所示為空氣壓力信號的調理電路，其它各信號的調理電路除了輸入輸出端不同外，基本類似。

3.2 發動機轉速測量電路

發動機轉速測量電路由轉速傳感器、施密特觸發器74LS14和光電耦合器4N25構成，電路如圖2所示。轉速傳感器對發動機的飛輪齒數進行采集，輸出正弦波信號，該信號經過施密特觸發器整形變成方波信號，由光電耦合器送入PLC的I0.0，作為高速計數器的計數脈沖，以測出定長時間內的脈沖數，然后計算出發動機的轉速。由于施密特觸發器的滯回特性對噪聲信號具有較高的抗干擾能力，并且經過光電耦合器的隔離作用，因此該電路不僅簡單，而且抗干擾能力好。

3.3 步進電機驅動電路

步進電機驅動電路主要包括M542型步進電機驅動器和步進電機，其連接電路如圖3所示。PLC的輸出口Q0.0和Q0.2輸出的分別是燃氣閥步進電機的驅動脈沖和控制方向信號，輸入到M542型步進電機驅動器，經過驅動器的細分、放大等處理過程，然后控制步進電機的動作。該電路由于采用了專用的步進電機驅動器，使得電路連接簡單可靠，驅動能力大大增加，抗干擾能力增強。空氣閥步進電機的驅動電路類似，僅PLC的輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

3.4 鍵盤電路

本系統共設置了關機、復位、燃氣閥開度增大調節、燃氣閥開度減小調節、空氣閥開度增大調節和空氣閥開度減小調節6個按鍵，圖4所示的鍵盤電路是關機信號的輸入電路，其它幾個鍵盤電路基本類似，只是輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

在按鍵的閉合與斷開瞬間均有一個抖動過程，由此會產生一系列的干擾脈沖，影響系統的可靠性。因此，如何消除該干擾信號就成為了設計鍵盤電路的關鍵環節。本系統采用了施密特觸發器74LS14作為按鍵和PLC的接口電路，利用施密特觸發器的滯回特性來消除按鍵抖動過程中產生的干擾信號，收到了良好的效果，且電路簡單可靠。

3.5 報警電路

報警電路共設置了11個指示燈和1個蜂鳴器。當某個參數超過設定的限制值時，報警電路根據它對控制系統的影響程度分別予以聲光報警，以提醒工作人員注意并進行相應的操作。各參數的報警情況如下：

（1）指示燈報警：燃氣壓力、8個缸的排氣溫度和關機信號僅采用指示燈報警。

（2）聲光報警：氧傳感器信號采用指示燈與蜂鳴器同時報警。

圖5為燃氣壓力報警信號的報警電路，主要由光電耦合器4N25和發光二極管組成。輸出口Q0.4的信號經過光電耦合器4N25的濾波和隔離后控制發光二極管的亮滅。其它報警電路的設計基本類似，只是輸出口不同（見表2輸入輸出資源分配表）。

3.6 顯示電路

顯示器作為人機接口的重要環節之一，近年來發展很快。目前，顯示器的種類有發光二極管、數碼管、平板顯示器、陰極射線管和液晶顯示器等系列。本系統選用的數碼管來顯示所需觀測的數據。

為了便于監控系統的運行，需要實時地顯示各參數的值，由于原機的顯示系統中對空氣壓力、燃氣壓力、排氣溫度已有顯示，而選用的甲烷傳感器對燃氣的濃度也有顯示，所以本系統中的顯示電路主要包括燃氣閥開度顯示電路和空氣閥開度顯示電路。

本系統的顯示電路選用智能型驅動芯片HD7279A來驅動數碼管。HD7279A是一片具有串行接口的可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。其內部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等;具有片選信號，可方便地實現多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。

圖6所示的是燃氣閥開度顯示電路，PLC的Q3.0～Q3.3四路輸出信號輸入到HD7279A中，來驅動數碼管實時地顯示燃氣閥的開度。空氣閥開度顯示電路與圖6的輸入端不同，其它部分類似。

3.7 電源電路

控制系統需要的電源有+24VDC和+5VDC兩種。其中，+24VDC提供給PLC及其擴展模塊、步進電機驅動器和甲烷傳感器;+5VDC提供給一些外圍器件。為此，本系統采用三端穩壓器TA7805F進行電壓轉換來得到所需要的+5VDC電源。

TA7805F具有以下特點：

（1） 可以為CMOS、TTL及其它IC電路提供電源;

（2） 內部集成了過負載保護電路;

（3） 內部具有限流保護電路;

（4） 最大輸出電流可達1A。

本系統的電源電路如圖7所示。圖中，C1和C2是旁路電容，起到抑制干擾的作用，而C3起到濾波的作用。由于TA7805F內部是非線性器件，一定會出現諧波，所以在輸出端應該對輸出信號進行濾波。

4 硬件抗干擾設計[4][5][8]

發電機組工作的環境比較惡劣，例如震動、電磁干擾和天氣等多種因素的干擾，使系統無法正常工作。為此，必須采取必要的措施來免除或減小這些因素的影響和損害，以提高系統工作的穩定性和可靠性。本節主要在硬件的設計過程中從以下幾個方面采取措施來提高系統的抗干擾能力。

（1） 屏蔽技術

為了提高系統的電磁兼容性，把本控制系統安裝在金屬材料制成的封閉機箱內，利用金屬材料的屏蔽特性來屏蔽外部靜電和電磁輻射的干擾，同時降低本系統對發動機其它電子設備的干擾。同時，傳感器與控制器的連線采用屏蔽電纜，防止電磁輻射、噪聲等干擾信號通過連線進入電路。

（2） 輸入、輸出信號處理技術

電路中模擬量的采樣經常受到工頻干擾，因此為了抑制高次諧波干擾，通常在采樣開關前加入一個時間常數T=RC的低通濾波器。

對于本系統中的轉速輸入信號及脈沖輸出信號，可以通過隔離措施來切斷干擾通道，避免強電流對回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號時，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設備中。由于光電耦合器結構簡單，因此可用于輸入、輸出隔離通道之中。

（3） PCB板設計技術

在繪制電路板時，布線是必須考慮的因素，布線應做到一下幾點：

Ⅰ 電源線和地線盡可能粗一點，且電流流向與信號流向一致;

Ⅱ 電路板銅模線盡量使用45°折線;

Ⅲ 避免相鄰信號線的線間干擾和減少信號在傳輸導線上的延遲;

Ⅳ 模擬信號避開高頻、大電流器件，重要的模擬信號線采用地線包圍的辦法以減少電磁耦合;

Ⅴ 地線的布局與抗干擾能力有很大關系，電路板的四周和不走線的地方，覆蓋地線，以減小地線電阻，提高抗干擾能力。同時，使數字地、模擬地和機體分開。

5 結束語

根據煤層氣發動機的性能特點及運行狀況，設計以西門子的CPU224CN型可編程控制器作為控制系統的控制器，從全新的角度設計了一種實用可靠的燃氣發動機空燃比控制系統，該控制器具備硬件抗干擾措施。

燃氣發動機空燃比控制系統硬件設計，增加了能源供給，保護了生態環境，為進一步發展可再生能源積累一定的技術基礎。

參考文獻：

[1]廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.15-18、110-119、212-227

[2]夏路易，石宗義.電路原理圖與電路板設計教程[M].北京：北京希望電子出版社，2002.11-32

[3]張洪潤，呂泉，吳建平等.電子線路及應用[M].北京：清華大學出版社，2005.175-196

[4]趙家貴.電子電路設計[M].北京：中國計量出版社，2005.84-92

[5]T. A. baritaud and T. A. Heize. Gasoline Distribution Measurements with PLIF in a SI Engine[J]. SAE Paper 922355.1-3

[6]Todd D. Fansler et al. Fuel Distributions in a Firing direct - Injection Spark - Ignition engine Using Laser Induced Fluorescence Imaging[J]. SAE Paper 950110.2-3

[7]John J，Moskwat，Karl Hedricktt J . Automotive Engine Modeling for Real Time Control Application [J] . Proc. American Contr.Conf，1987.2-4

[8]張洪潤， 傅瑾新.傳感器應用電路200例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.718-740

作者簡介：

張浴凱（出生年月：1981年10月20日）。性別：男。民族：漢。籍貫：廣東省汕頭市。職稱：中級機電工程師。學歷：本科。主要研究方向：機電工程

（廣東西電動力科技股份有限公司，廣東 汕頭 515071）