基于LABVIEW的內燃機氣道試驗臺測控系統上位機設計

麻春輝,張淑華

(承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德 067000)

0 引言

內燃機氣道試驗臺是測量內燃機缸內進氣速度和進氣阻力特性的試驗裝置，通過測量兩者參數來確定氣道結構和尺寸的依據[1]。文中針對內燃機氣道試驗臺開發出測控系統上位機，提供人機交互界面實現下位機數據的顯示、存儲等處理，并實現對氣門升程電機的控制。對下位機寄存器中傳感器的數值進行顯示和存儲，并向下位機發送氣門升程的數值。并能通過發送氣門升程參數，使氣門升程參數發生連續變化，工況穩定后自動采集傳感器數據并記錄，實現自動連續測量。

1 氣道試驗臺簡介及測控系統組成

氣道試驗臺結構示意圖如圖1所示，通過控制步進電機驅動絲杠進而調節氣門升程。測控系統如圖2所示，PLC連通上位機和傳感器、執行器。

圖1 試驗臺結構示意

圖2 測控系統的組成

2 上位機與PLC的通訊協議

此試驗臺上位機控制程序采用LABVIEW編寫，該語言使用簡單，可以在多種操作系統下運行[2]；下位機PLC采用三菱FX1N-14MR，該型號自帶4AD(4～20 mA)、2DA(4～20 mA)轉換模塊，PC機與PLC通過系統自帶的RS232串口通訊。根據課題的要求，需要上位機開發一個串口軟件，實現上、下位機之間的連接與通信。文中的設計采用的是三菱FX1N-14MR型單片機的特有通信。

FX系列的 PLC 單片機采用的通信字符是ASCII碼，包括1位起始位、7位數據位、l位停止位及l位偶校驗位，同上位機通信采用的波特率是9 600 b/s[3]。

PC機向PLC發送的報文格式見表1。

表1 報文格式

下位機與上位機通訊協議制定好后，下一步進行試驗臺數據間的通訊。具體實現方法如下：

(1)PLC采集孔板兩側壓差信號后，放入寄存器當中，供上位機計算調用。

(2)壓差傳感器采集所需壓力信號后，放入PLC相應寄存器后，供上位機系統調用。

(3)通過轉速傳感器采集在不同氣門升程下葉片式風速儀的轉速，存放入PLC對應寄存器中，上位機調用數據并計算出渦輪比。

(4)上位機給氣門開度指令，PLC接收指令后控制步進電機運動，驅動絲杠，打開節氣門至指定開度。

其中，三菱FX1N-14MR單片機將轉速傳感器采集的葉片風速儀的轉速數據保存到寄存器D50，供上位機的調用；將壓差傳感器采集到的實際壓差數據轉化成數字量存入寄存器D8030，供上位機調用；上位機發送氣門升程的指令到寄存器D52，PLC驅動步進電機聯動氣門從而調節升程。

3 程序設計

上位機既可進行單點試驗，通過上位機輸入氣門的升程，也可通過設置起始、結束升程值和步長，使氣門升程參數發生連續變化，逐步開啟氣門，工況穩定后自動采集傳感器數據并記錄，實現自動連續測量完成全部采集數據的過程，并對數據進行顯示、存儲、并分析計算出渦流比，繪制流量與渦流比的曲線。并可以將氣門升程參數發送至下位機指定寄存器中供PLC調用。

試驗臺上位機界面如圖3所示。

圖3 內燃機氣道試驗臺上位機界面

3.1 讀轉速數據及接收數據框圖程序

通過串口向PLC發送讀數據命令串，讀取PLC寄存器D50數字量，并接收PLC的轉速數據轉換為十進制并行顯示，框圖程序如圖4所示。

圖4 讀轉速數據及接收數據框圖程序

3.2 讀壓差數據及接收數據框圖程序

向PLC發送讀壓差數據的命令串，功能是取PLC寄存器D8030的數字量。壓差接收程序框圖與轉速接收程序框圖編程基本一致。

3.3 發送氣門升程值程序

向PLC寄存器D52中寫入數據氣門升程數值,框圖如圖5所示。

圖5 發送氣門升程值程序框圖

4 結論

該上位機配合下位機已經成功完成基于氣道試驗臺的某型號柴油機的數據采集工作，實驗表明：

(1)該上位機設計按照三菱下位機的通信協議完成上位機和下位機的數據傳輸，包括提取傳感器的信號進行顯示及向下位機發送氣門升程的數值。

(2)對于連續測量可以實現自動控制、自動發動控制氣門升程參數，使氣門升程參數發生連續變化，同時工況穩定后自動采集傳感器數據并記錄。

(3)試驗結果參數包括流通系數、渦流比、平均流通系數和平均渦流比的計算公式編寫入上位機程序中，將結果進行顯示和保存，并提供公式更改接口，大大簡化了后續的計算工作。

該上位機建立了友好的PC人機交互界面，實現了對數據的實時顯示、采集、存儲，發送氣門升程數據等目的，完成了設計目標，解決了傳統人工測量誤差高的問題，提高了實驗結果的準確性。