BCx2調(diào)節(jié)儀在控制發(fā)動(dòng)機(jī)排液溫度中的應(yīng)用

摘要：在介紹控制發(fā)動(dòng)機(jī)溫度重要性的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)地介紹了使用一種性價(jià)比高的溫度調(diào)節(jié)儀控制發(fā)動(dòng)機(jī)排液出口溫度的解決方案。給出了由多臺設(shè)備構(gòu)成的控制系統(tǒng)和系統(tǒng)中使用的串級控制原理，以及計(jì)算機(jī)與調(diào)節(jié)儀通信的方式和整個(gè)系統(tǒng)的控制方法。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的測控

　　發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃料燃燒和機(jī)件間的摩擦產(chǎn)生大量的熱，使汽缸內(nèi)的溫度可達(dá)2000℃甚至更高。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須配備合適的冷卻系統(tǒng)和控制冷卻介質(zhì)溫度的控制系統(tǒng)。

　　眾所周知，若發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高，金屬材料的力學(xué)性能會顯著降低，導(dǎo)致壽命縮短;各機(jī)件間的正常間隙將因零件受熱膨脹而被破壞，導(dǎo)致不能正常工作;機(jī)油粘度變稀甚至氧化變質(zhì)，零件磨損加劇功率降低。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)過度冷卻也不好，可燃混合汽點(diǎn)燃困難、燃燒遲緩，燃料消耗增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降;潤滑油粘度增大，機(jī)件的運(yùn)動(dòng)阻力增加，加劇了它們的磨損。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度(水溫)與耗油量及磨損量的關(guān)系見表1。資料表明，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過高過低不但會使燃料消耗量增加，也會導(dǎo)致磨損增加，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。實(shí)踐證明，80℃-90℃是發(fā)動(dòng)機(jī)比較合適的工作溫度，而出口溫度保持在85-95℃之間比較適宜。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在此范圍內(nèi)運(yùn)行，故必須測量/控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度和進(jìn)行此項(xiàng)目的試驗(yàn)。本文介紹一種使用調(diào)節(jié)儀等設(shè)備和采用串級控制技術(shù)構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度系統(tǒng)。

2 BCx2調(diào)節(jié)儀的工作原理和特性

　　BCx2調(diào)節(jié)儀是日本神港公司今年年初推出的高性價(jià)比調(diào)節(jié)儀。9步程序控制、PID調(diào)節(jié)和簡易變換器功能是它的標(biāo)準(zhǔn)配置;除此之外，BCx2調(diào)節(jié)儀還集成了外部設(shè)定輸入、變送輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號、多種方式報(bào)警、串行通信、事件輸入、多種方式事件輸出等多種特選功能。

　　BCx2調(diào)節(jié)儀是5位顯示的儀表，適合在眾多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用;它的顯示精度為0.2%滿度(測量熱電阻信號為0.1%滿度)，采樣周期為0.125s。BCx2有3種規(guī)格：正面尺寸48mm×48mm，48mm×96mm，96mm×96mm，而插入屏深僅60mm，占用空間小。調(diào)節(jié)儀的硬件電路由MCU、輸入調(diào)理電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、通信電路、電源電路和顯示電路等幾部分組成，電路框圖見圖1。在MCU(日本瑞薩公司生產(chǎn)的芯片)的控制下，接收薄膜按鍵輸入的設(shè)定值和來自傳感器(熱電阻、熱電偶或直流電流/電壓)的被測信號，運(yùn)算處理后，送顯示電路顯示和經(jīng)輸出電路輸出4～20mA電流(0～10V電壓或驅(qū)動(dòng)SSR的電壓等)。在下面介紹的串級控制系統(tǒng)中，主設(shè)備的4～20mA電流輸出用于設(shè)定從設(shè)備的SV。調(diào)節(jié)儀可實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作有PID、PI、PD、P和ON/OFF等不同方式，且各種方式的參數(shù)都可事先設(shè)定。此外，表內(nèi)MCU還可收發(fā)來自/送往通信線路的信號，接受主機(jī)的控制。

3 BCx2調(diào)節(jié)儀在排液溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　發(fā)動(dòng)機(jī)封閉式恒溫系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)性能測試中一個(gè)很重要的系統(tǒng)。圖2控制原理圖是一種成功的解決方案。在循環(huán)泵的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的液體經(jīng)過過濾器流入水箱，再經(jīng)熱交換器降溫后送到三通調(diào)節(jié)閥的一個(gè)入口;與此同時(shí)，排出的液體經(jīng)加熱器加熱后送到三通調(diào)節(jié)閥的另一個(gè)入口。調(diào)節(jié)閥在控制信號的控制下，將比例合適的冷熱水送入發(fā)動(dòng)機(jī)。如此循環(huán)，在調(diào)節(jié)儀的控制下，將發(fā)動(dòng)機(jī)排液出口的溫度穩(wěn)定在某一設(shè)定溫度。圖2中用了2臺日本神港公司的BCR2A型數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀。2臺調(diào)節(jié)儀都用Pt100熱電阻檢測溫度：1臺測量發(fā)動(dòng)機(jī)的出口液體溫度;另1臺測量發(fā)動(dòng)機(jī)的入口液體溫度。2臺調(diào)節(jié)儀以串聯(lián)方式連接，第一臺調(diào)節(jié)儀的主設(shè)定值(SV1)可用面板上的按鍵輸入(也可用通信的方式輸入)，測量值(PV1，以1# Pt100檢測)與SV1比較后以4~20mA DC輸出給第2臺調(diào)節(jié)儀，作為它的主設(shè)定值(SV2);第2臺調(diào)節(jié)儀的測量值(PV2，以2# Pt100檢測)與SV2比較后以0V~10V DC輸出給調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥輸出的冷熱水比例。

　　根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，2臺調(diào)節(jié)儀都以逆動(dòng)作方式控制， 仔細(xì)調(diào)整它們的PID參數(shù)、控制輸出的上下限值和第2臺調(diào)節(jié)儀的外部設(shè)定上下限值，則能將發(fā)動(dòng)機(jī)出口液體溫度控制在85±1.0℃以內(nèi)(85℃為設(shè)定值，也可設(shè)定為90℃等其他數(shù)值)。圖2中，1#調(diào)節(jié)儀還輸出上限報(bào)警信號，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出口液體溫度超過某一設(shè)定值(如88℃)時(shí)，輸出控制信號自動(dòng)關(guān)閉加熱器。為使控制效果更好，1#調(diào)節(jié)儀還可再增加一路輸出，使供給加熱器的功率能隨PV1逼近SV1而自動(dòng)減小。

　　封閉式排液恒溫控制系統(tǒng)接受中央控制室里的計(jì)算機(jī)控制。計(jì)算機(jī)以RS-485總線接各臺調(diào)節(jié)儀(圖3)。BCR2A調(diào)節(jié)儀的端子(10)、(11)和(12)分別接RS-485總線的YA(-)、YB(+)和COM端，通信速率都設(shè)定為9600bbs，用神港協(xié)議或Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。通信數(shù)據(jù)以表2結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

　　BCx2A調(diào)節(jié)儀可執(zhí)行的命令豐富。用Modbus協(xié)議通信時(shí)，除了可執(zhí)行大多數(shù)調(diào)節(jié)儀可執(zhí)行的03H(讀)和06H(單數(shù)據(jù)寫)之外，還可執(zhí)行10 H(多數(shù)據(jù)寫)及診斷等命令。系統(tǒng)工作前，將調(diào)節(jié)儀的表號分別設(shè)定為1#、2#(可以接更多儀表)。系統(tǒng)工作時(shí)，計(jì)算機(jī)先設(shè)定各臺調(diào)節(jié)儀的PID值、輸出上限值、輸出下限值、外部設(shè)定上限值、外部設(shè)定下限值、報(bào)警方式、報(bào)警動(dòng)作點(diǎn)等，再設(shè)定SV1，即可進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)也可讀出上述各值及各臺調(diào)節(jié)儀測得的出口液體溫度和進(jìn)口液體溫度(PV1、PV2)等。

　　根據(jù)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)即可判斷被試發(fā)動(dòng)機(jī)的特定性能和繼續(xù)進(jìn)行其他性能的測試。

4 以BCx2調(diào)節(jié)儀構(gòu)建的串級控制系統(tǒng)

　　圖4是以2臺BCR2A構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)原理框圖。1#調(diào)節(jié)儀(主調(diào)節(jié)儀)的輸出端子接2#調(diào)節(jié)儀(副調(diào)節(jié)儀)的EXT CONT端(端子4、5)，用作它的遠(yuǎn)程設(shè)定狀態(tài)時(shí)的輸入。主調(diào)節(jié)儀的輸入端接Pt100傳感器，通過它測量被控目標(biāo)(排液出口)的溫度;副調(diào)節(jié)儀的輸入端接液體入口處的Pt100傳感器，測量副變量溫度;經(jīng)調(diào)節(jié)，控制執(zhí)行器動(dòng)作和改變被控的主參數(shù)y1(出口溫度)。圖4中的方框部分是單回路控制系統(tǒng)的原理框圖，串級控制系統(tǒng)比簡單控制系統(tǒng)多了一套控制回路。主回路和副回路都是閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)，都具有一定的抗干擾能力。2臺調(diào)節(jié)儀串聯(lián)工作，副調(diào)節(jié)儀進(jìn)行“快調(diào)”、“粗調(diào)”、“預(yù)調(diào)”，主調(diào)節(jié)儀進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。無論擾動(dòng)由何處進(jìn)入系統(tǒng)，都具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能，大大提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。主、副調(diào)節(jié)儀協(xié)調(diào)工作，快速調(diào)節(jié)，則能有效地減少和克服擾動(dòng)或負(fù)荷變化較大的影響，有效地應(yīng)用于被控對象容量滯后較大的過程，改善過程的動(dòng)態(tài)特性。串級控制系統(tǒng)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)儀有獨(dú)立的設(shè)定值SV1，而副調(diào)節(jié)儀的設(shè)定值由主調(diào)節(jié)儀的控制輸出決定。主、副調(diào)節(jié)儀的作用不同，系統(tǒng)要求主調(diào)節(jié)儀將被控量準(zhǔn)確地穩(wěn)定在設(shè)定值(例如設(shè)定的SV1為85℃)，而對副調(diào)節(jié)儀的要求是快速跟隨主調(diào)節(jié)儀輸出信號的變化。因此，前者通常以PID或PI調(diào)節(jié)，后者主要靠比例調(diào)節(jié);在本文介紹的溫度控制系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)儀中加了一點(diǎn)積分I，用于增強(qiáng)控制作用。

5 結(jié)束語

　　本文介紹了一種使用性價(jià)比高的溫度調(diào)節(jié)儀控制發(fā)動(dòng)機(jī)排液出口溫度的解決方案，介紹的內(nèi)容可供從事這方面工作的工程技術(shù)人員參考。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]BCx2數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀中文使用說明書[R].極東神港自控工程(上海)有限公司.2015

　　[2]姜秀英.過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012

　　[3]陸虹,王鴻鈺.FCD-13A控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)排液恒溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].2007

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第73頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。