1、賴；分類號密級學校代碼學位論文題目汽車發動機冷卻系統試驗臺的研制與開發英題巨研究生姓名姓名余先濤職稱教授學位博士指導教師單位名稱機電工程學院郵編姓名職稱學位副指導教師單位名稱郵編申請學位級別碩士學科專業名稱機械工程論文提交日期論文答辯日期學位授予單位武漢理工大學學位授予日期答辯委員會主席郭順生評閱人王三武黃繼雄年月獨創性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人巳經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均

2、已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：日期學位論文使用授權書本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規定，即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數據庫進行檢索，可以釆用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權經武漢理工大學認可的國家有關機構或論文數據庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息服務。保密的論文在解密后應遵守此規定）研究生（簽名）：摘要發動機冷卻系統的作用是使發動機的溫度在所有工況下均保持在適當的范圍內。冷卻系統不僅要防止發動機過熱，也要防止發動機過冷。

3、而傳統汽車的水泵和散熱風扇一般由發動機曲軸通過帶傳動，傳動帶環繞在曲軸帶輪與水泵帶輪之間，因此水泵轉速與發動機轉速成比例關系。這種水泵軸與風扇軸隨發動機曲軸轉速而變化的驅動方式給發動機散熱帶來了諸多問題。發動機啟動時，發動機溫度遲遲上不來，造成發動機過冷。而怠速工作時，又造成了發動機過熱?？刂坪冒l動機的工作溫度，不僅有利于延長發動機的壽命，而且發動機的啟動性能，燃油經濟性能，排放性能等都會有質的提升。而控制發動機的工作溫度的關鍵又在于控制冷卻液的溫度和水泵的轉速。所以，搭建一套冷卻系統試驗臺來探求冷卻液溫度、水泵轉速與發動機工作狀況之間的規律的試驗臺就顯得尤為重要了。正是基于上述原因，本文應用

4、控制技術搭建了一套發動機冷卻系統試驗臺。用高性能的伺服電機獨立驅動水泵，采用西門子公司的和必要的數字量、模擬量輸入模塊對各種控制信號包括壓力、溫度、扭矩信號、流量進行自動采集處理。并運用內置的功能以及相應的模擬量輸出模塊精確的控制了冷卻液的溫度。同時，本文采用軟件作為上位機控制軟件，實現了試驗過程的可控，可視以及自動化。本文以為系統控制核心，給出了系統總體方案設計以及相關的電氣原理圖。簡要的介紹了機械方案的設計與相關機械設備的選型。重點闡述了試驗臺的控制程序包括主程序、自動測試程序、加熱控制程序等的實現過程。本文的最后還闡述了上位機控制軟件的實現過程，通過上位機控制軟件與程序的無縫結合，實現了

5、實驗數據的自動采集、制表、存檔等功能。通過多次調試，本文介紹的發動機冷卻系統試驗臺在控制冷卻液溫度方面具有測溫準確、反應靈敏、控制精確的特點，充分的滿足了試驗的預期效果。在控制水泵轉速的精度上達到了±轉的精確控制。通過簡明直觀的上位機控制軟件，使得試驗過程變得簡單輕松，試驗結果直觀明了。關鍵詞：發動機，冷卻系統，冷卻液，AbstractThe flinction of engine cooling system is to make the engine work within anappropriate temperature range under all working con

6、dition. Engine cooling systemmust prevent the engine from being both overheated and supercooled. Water pumpand cooling fan of traditional cars are usually driven by the engine through V belt,which is intertwined between crankshaft pulley and water pump pulley. Therefore, therotational speed of water

7、 pump is in proportional relationship with the engine speed.This kind of driving means, namely, the rotational speed of water pump shaft and fanshaft change with the engine speed，control programs of the test-bed, including main program, automatic test program andPID heating control program. At the e

8、nd of this thesis, it also sheds lights on theimplementation procedure of the upper computer control software. Through theseamless integration of upper computer control software and PLC program, it realizesthe function of automatic acquisition, tabulation and filing of experiment data.Through repeat

9、ed debugging，土目錄汽車發動機冷去口系統簡介國內外研究狀況研究標和意乂課題主要工作第章發動機冷卻系統試驗臺綜合方案設計水泵旋轉系統加熱系統熱電偶溫度傳感器三相調壓調功器和三相電加熱棒壓力、流量、扭矩檢測傳感器壓力檢測傳感器流量檢測傳感器扭矩檢測傳感器控制系統系統總方案設計本章小節第章試驗臺電氣連接及硬件組態信號模塊的電氣配線模塊的硬件與軟件組態與工業計算機的連接本章小節第章系統控制程序的設計與編寫程序的總體架構4.2 PID加熱程序設計自動測試程序及其附屬功能的設計主程序設計本章小節第章上位機控制與監視軟件的設計軟件介紹上位機控制與監視軟件的設計丨通信與過程變量的建立圖形界面的設計

10、的綜合性配置及運行本章小節第章結論：附錄發動機冷卻系統試驗臺全貌圖武漢理工大學碩士學位論文第章緒論汽車發動機冷卻系統簡介發動機冷卻系統的功用主要從防止發動機過冷和過熱兩方面來維持發動機的溫度始終處于合適的范圍之內，保證發動機的正常工作。發動機的過冷現象主要出現在發動機從冷態下啟動時，尤其容易發生在寒冷的環境中。而發動機的過熱現象大多出現在發動機低速或者怠速工作時。在其它工況下，傳統的發動機冷卻系統一般能滿足散去多余熱量的需求。發動機無論出現過冷或過熱現象，都將造成發動機燃油性能變差、發動機功率下降、排放惡化等現象。出現過冷現象意味著冷卻系統散去了不該被散去的熱量，致使發動機溫度低于正常工作溫度

11、。此時，潤滑油在過低的溫度下，粘度急劇上升，發動機各零件之間就無法形成良好的油膜潤滑，導致零件的磨損加劇。同時，過低的溫度還導致燃油燃燒不充分，發動機啟動將變得困難。而過熱現象與過冷現象恰好相反，冷卻系統無法散去發動機工作時產生的大量的多余熱量，這些熱量積聚在氣社、紅體周圍造成了發動機的過熱。在過高的溫度下，潤滑油粘度急劇下降，發動機機零件之間同樣無法形成良好的潤滑，也導致了零件的磨損。過高的溫度還會導致零件膨脹而破壞零件之間的間隙配合，各零件的力學性能在高溫下發生改變，嚴重情況下甚至導致活塞卡死及破損。上述兩種現象的出現還會嚴重的縮短發動機的壽命。發動機冷卻系統采用以水為主要成分的冷卻介質的

12、水冷系統，即強制循環水冷卻系統。強制循環水冷系統主要由水菜、節溫器、散熱器、散熱風扇、水套等部件構成。從圖中可以看出，水菜和散熱風扇安裝在同一根軸上通過帶傳動的形式由發動機曲軸驅動。水錄的旋轉使得冷卻液壓力提高，從而在發動機冷卻系統里循環流動，冷卻液流過熱的發動機機體吸收熱量，最終返回散熱器中，在散熱器中，熱的冷卻液由于散熱風扇的旋轉或者車輛的迎風行駛溫度降低后流回水栗中。這一循環過程被稱為發動機冷卻系統的大循環，此時節溫器處于開啟狀態。武漢理工大學碩士學位論文。：；“春鋪補”，！圖發動機冷卻系統散熱器散熱器蓋節溫器水溫表水套分水管水栗放水閥風扇百葉窗與大循環所對應的是小循環，小循環主要用于發

13、動機啟動時或啟動后的一段時間之內。發動機處于小循環工作狀態時，節溫器是關閉的。從圖中可以看出，此時，從發動機各水套流出的冷卻液將無法流入散熱器中，而是直接流回了水菜中。這樣，發動機啟動時就能保證發動機溫度的迅速升高。當發動機溫度升高到正常的工作溫度范圍之后，節溫器自動打開，冷卻系統進入大循環，散去發動機正常工作時產生的多余熱量。從圖中可以看出，水栗和散熱風扇安裝在同一根軸上通過帶傳動由發動機曲軸驅動，傳動汽車的冷卻系統大多采用此驅動方式。因此，水粟以及散熱風扇的轉速和發動機曲軸的轉速是成正相關的，這種水菜軸與風扇軸隨發動機曲軸轉速而變化的驅動方式給發動機散熱帶來了諸多問題。例如，在寒冷的環境中

14、，發動機往往變得啟動困難，即使啟動成功后也無法在很短的時間內迅速升高到正常的工作溫度范圍。這是因為，水錄和風扇直接由發動機曲軸驅動。在發動機啟動的初始階段，水菜即開始工作，冷卻液開始循環，本不應該被帶走的氣紅周圍的熱量由于冷卻液的循環而被帶走。另一方面，在車輛迎風行駛的過程中，冷卻液與大量低溫空氣接觸其溫度乂迅速降低，使得發動機始終升溫變得緩慢。武漢理工大學碩士學位論文又如，在城市公共交通中，由于交通情況不理想，公共巴士的發動機經常工作在怠速或低速狀態，此時發動機的溫度會過熱。而同樣受限于驅動方式，水栗和風扇的轉速卻依然很慢，過多的熱量無法散去，使得發動機工況惡化，甚至可能造成水箱開鍋。散熱風

15、扇和冷卻水菜是汽車冷卻系統中的關鍵散熱設備，傳統的驅動方式兩者均由發動機曲軸通過帶傳動。顯然，其調節效果不能適用于所有工況，冷卻效率極其低下。國內外研究狀況目前，國產小汽車中風扇大多已采用單獨的電動機驅動，可以通過電子調節系統根據不同的工況調整轉速。但是，有一部分汽車的冷卻水菜卻依然采用由曲軸驅動的方式。由于采用此方式，發動機在工作時，依然會存在過冷和過熱現象的出現。但是近幾年來，隨著汽車電子技術的發展，水栗和散熱風扇的獨立驅動和精確控制變得現實可行。目前的研究方向已然轉向如何優化汽車電子控制系統，通過各類傳感器精確反饋發動機的工作狀況，實現對冷卻系統的智能和精確控制。獨立驅動的思想最早誕生于

16、年的一份美國專利文件中它首次提出了用單獨的電動機驅動散熱風扇，也同時為以后水栗的獨立驅動奠定了基礎。年臺灣裕隆公司正式提出了水栗獨立驅動的思想，并成功申請了專利。配合汽車電子技術以及傳感器技術，實現了水栗的轉速根據發動機的工況調整。經過多年的發展，水栗以及散熱風扇獨立驅動已經成為發動機冷卻系統的標準配置，研究方向也轉向電子控制系統的研究，即根據發動機的工況精確的調整水栗以及風扇的轉速。法雷奧公司研發出了一種名為智能熱調節系統）的電子調節系統，山東農業大學運用單片機技術實現了冷卻系統的智能控制，電子科技大學將模糊控制理論運用在發動機冷卻系統控制的設計上，并取得了良好的效果。另外，除了對控制系統的

17、智能化研究外，國外還提出了一種高溫冷卻系統的設計思想，它的本質思想是提高冷卻液的溫度設定點。由于預先提高了冷卻液的溫度，發動機可以很快的進入正常工作狀態，同時還降低了發動機功率損耗和水菜的額定功率。雖然冷卻系統的智能研究己經獲得了大量成果并成功的運用在了生產中，武漢理工大學碩士學位論文但是評價冷卻系統散熱性能的方法或者裝置依然處于起步階段。而研究智能化冷卻系統的前提條件是提供評價冷卻系統性能的試驗設備。目前，國內外大多通過實地試驗的方法評價冷卻系統的散熱性能。主要使用的試驗方法有：爬長坡行駛試驗法、負荷牽引試驗法以及底盤測功機試驗法。下面簡要的介紹這三種試驗方法。爬長坡行駛試驗法的場地條件為一

18、段坡度在、長度至少在的平整道路。試驗車輛的行駛狀態為合適的低擋位并且節氣門處于全開狀態，行駛速度接近。在車輛的行駛過程中以為采集間隔時間全程采集發動機冷卻系統的出水溫度、機油溫度、環境溫度以及發動機轉速。若分鐘內機油溫度和出水溫度的變化均不超過攝氏度，則認為發動機冷卻系統達到熱平衡狀態。負荷牽引試驗法在水平道路上進行，試驗車輛剛性牽引負荷車輛，低擋位節氣門全開以的速度牽引負荷車輛在道路上行駛。采集數據的方式和判斷冷卻系統狀態的條件與爬長坡試驗法一樣。底盤測功機試驗法采用模擬整車行駛工況的試驗方法。試驗時，試驗車輛在底盤測功機加載的額定負荷下以規定的發動機轉速行駛，并在車頭處放置鼓風機模擬車輛行

19、駛的迎風狀態。相應的冷卻系統的評價指標可以直接在底盤測功機的軟件上讀出。前兩者試驗方法需要較大的場地且需要較長的時間來完成，并且試驗結果具有不確定性。而底盤測功機試驗法可以在室內實驗室里進行，試驗方便且周期短。研究目標和意義前面介紹的三種試驗方法都有其局限性。爬長坡試驗法和負荷牽引法需要茍刻的道路條件和天氣條件，并且試驗的周期較長，試驗結果也具備不確定性。而底盤測功機試驗法雖然優于前兩者，但是其建設成本頗高且國內科研機構及汽車廠家并沒有大規模的采用。因此，研發測試功能強大的發動機冷卻系統試驗臺具有非常重要的應用價值和研究意義。本課題的研究任務便是設計一套切實可行的發動機冷卻系統試驗臺，它能夠在

20、實驗室里直接測試發動機冷卻系統的性能。測試對象為發動機以及其冷卻系統，而不需要像底盤測功機那樣使用整車進行測試，也無需荀刻的使用環境。測試的結果將能直觀的展示在計算機界面上，并且實現對各種數據的存檔和分武漢理工大學碩士學位論文析功能。研究的重點是發動機冷卻系統試驗臺控制系統的實現。發動機冷卻系統試驗臺的研究意義在于它能準確的提供發動機在不同負荷下發動機冷卻系統的散熱性能。散熱性能的評價指標將及時的反映在計算機軟件上，這樣改進發動機冷卻系統，指導發動機冷卻系統的控制思想設計就變得簡單。課題主要工作本課題來源于上汽通用五菱公司技術中心的發動機冷卻系統試驗臺，主要工作有如下兩方面：系統總體方案的建立

21、，即機械系統的設計與選型以及電氣原理圖的設計。運用西門子技術以及組態軟件技術建立一套自動控制且試驗過程可控、可視、結果可存檔自動分析的自動化程序和控制軟件。主要的研究內容有如下幾點：運用技術實現對加熱器的控制，實現對冷卻液溫度的精確控制；編寫發動機冷卻系統測試程序以及相應的控制程序；運用技術編寫人機交互界面實現和通信，實現對試驗臺的監控以及數據采集、存檔等工作；研究發動機在各種不同負荷下，合適的水栗轉速及冷卻液溫度，并從中發現它們之間的規律；運用中的規律進行再試驗，觀察冷卻系統的散熱表現是否有所改進。武漢理工大學碩士學位論文第章發動機冷卻系統試驗臺綜合方案設計發動機冷卻系統試驗臺主要由水菜旋轉

22、系統、冷卻液加熱控制系統、溫度，壓力，扭矩檢測裝置、可編程邏輯控制器）、上位機控制系統等組成。設計思路為：試驗開始時，由上位機控制軟件設定加熱溫度、水栗轉速、溫度反饋點。水菜以特定的轉速旋轉，使冷卻液在發動機機體內強制循環，程序根據溫度反饋點傳來的溫度信號與設定溫度進行比較，采用控制方式，控制加熱器的加熱功率使反饋點溫度無限接近設定溫度。反饋溫度接近設定溫度的某一范圍后，水菜開始以設定轉速旋轉，上位機軟件開始記錄發動機水栗進、出口、各虹體溫度以及各虹體內的壓力。試驗臺的初步布局如圖所示。暴攀，圖發動機冷卻系統試驗臺總體布局發動機冷卻系統試驗臺采用了高速交流伺服電機，扭矩測量儀，自動控制和數據采

23、集，標準的地基鐵板允許客戶安裝不同型號的發動機及支撐。地基鐵板為型槽鑄鐵底板，尺寸為，由小時自適應空氣彈黃支撐，振動頻率小于。發動機采用四個安裝在標準地基鐵板上的移動支撐實現了水平安裝。移動頂尖支撐可自由調節高度，根據發動機的安裝高度調節四個支撐的高度使其高度一樣。試驗發動機安裝在一塊鋼板上，然后將水平鋼板置于四個頂尖上，采用螺栓連接使其固定。伺服電機安裝在電機座上，電機座根據伺服電機的尺寸精確設計，電機座上同時預置了安裝扭矩傳感器的位置。因為采用了標準地基鐵板，固定了電機安裝高度及位置后，發動機的位置可以根據需要調整。具體要求是，務必保證發動機水粟軸與伺服電機軸兩者軸線平行并盡量重合，然后采

24、用彈性聯軸器連接伺服電機軸與水泵軸。地基鐵板的后方為試驗武漢理工大學碩士學位論文臺的強電控制電柜，右方為三相加熱器，冷卻液同時也存：在加熱器的罐體內。采用軟管連接水菜的進口與罐體的出口、水栗的出口與罐體的進口。這樣，便構成了一個封閉的冷卻液循環通道。水栗旋轉后，冷卻液便強制在冷卻系統內循環流動了。按圖的布局，操作臺置于地基鐵板的正前方，操作員可以從正面觀察試驗臺的全部狀況。但這樣的布置使得人和操作設備處于伺服電機旋轉方向的切線方向上，若伺服電機軸與發動機水栗軸在安裝過程中沒有保證其同軸度，有可能造成聯軸器或水粟的損毀，而一旦發生損毀事故，破損的零件由于離心力的作用可能里向操作人員，對周圍設備和

25、操作人員都構成了極大的安全隱患。故而，實際布置時，操作臺并沒有被布置地基鐵板的正前方，而是布置在地基鐵板的側面（左側），避開了地基鐵板正面這一危險區域。操作臺是整個系統的控制核心，工控機、系統、不間斷電源以及蜂鳴器等均置于操作臺中。水栗旋轉系統水粟在冷卻系統中的作用是對冷卻液進行加壓，保證其在冷卻系統中循環流動。汽車發動機冷卻系統中大多采用離心式水菜，其工作原理如圖所示。當水泉葉輪逆時針旋轉時，水栗中的冷卻液被葉輪帶動旋轉的同時因離心力的作用被思向葉片的頂端，冷卻液即以一定的壓力從出水管流出。在靠近葉輪中心處，因冷卻液被用出壓力小于進水管處的壓力，進水管處的冷卻液被吸入。這樣就保證了冷卻液在冷

26、卻系統中的循環流動。出水管葉輪進水管圖水錄工作原理示意武漢理工大學碩士學位論文傳統的驅動方式是水泵由發動機曲軸通過帶輪傳動，受驅動方式的限制，水菜轉速隨發動機曲軸轉速的變化而變化，發動機在某些工況下的散熱情況是極其不理想的。在發動機啟動的初始階段，本不該工作的水泵工作導致冷卻液循環流動，再加之車輛迎風行駛，發動機紅體周圍的熱量被迅速釋放到空氣中，造成發動機溫度遲遲升不上來，造成發動機過冷現象。而當發動機工作在怠速或低速狀態，發動機溫度會過熱，同樣受限于驅動方式，水菜和風扇的轉速卻依然很慢，結果導致熱量大量積聚無法散去，使得發動機工況惡化，甚至出現水箱開鍋。本課題中，水栗由單獨的伺服電機驅動，水

27、栗轉速精確可調，并可以根據發動機的工作狀況實時調整轉速，這樣就可以實現在發動機的不同工況下采取不同的水菜轉速。傳動順序為：伺服電機扭矩傳感器聯軸器水菜輸入軸。本試驗臺中，水泉的最大旋轉速度達到了，本著高要求，高質量的設計原則，選擇了德國博士力士樂公司的高性能異步伺服電機。電機系列的大功率密度特點使其在機床行業，印刷行業或者金屬成型行業的伺服與主軸應用上有著極大的優勢。高分辨率的單圈或多圈編碼器系統以及極佳的回轉質量保證了加工精度。本課題所采用的伺服電機的技術參數如表所不。表伺服電機技術參數電機型號額定最大額定最大額定額定轉動質量速度速度扭矩扭矩功率電流慣量在已有伺服電機技術參數的基礎上，必須選

28、擇合適的伺服電機驅動器，伺服電機才能正常的工作。這里，同樣選擇了德國博士力士樂公司的系列緊湊型驅動器該驅動器功率范圍從到，最大電流從到。擁有高過載能力，具有單軸應用的緊湊式結構，可直接連接到的電源。該驅動器的控制單元還具備現場總線，通過這種總線，總線設備之間可以周期性的交換所有的指令值和實際值，包括狀態信息和故障信息。該總線可以使伺服驅動器作為普通設備與的進行通信，為編寫上位機控制軟件以及程序提供了良好的可操作性和易用性。伺服驅動器的技術參數如表所示。武漢理工大學碩士學位論文表驅動器的技術參數驅動器連續最大電源電壓連續最大寬高深質量型號電流電流制動制動功率功率三相交流另外，該伺服驅動器還配有制

29、動電阻器，它的作用是：將伺服電機減速或快速停車制動時產生的再生電能轉換成熱能消耗掉。參考表，驅動器的連續制動功率為，最大制動功率為，選擇的制動電阻器技術參數如表所示。表制動電阻器參數制動電阻器連續制動最大制動寬高深質量型號功率功率加熱系統加熱系統主要用來加熱冷卻液，使之達到設定的溫度并保持，溫度偏差控制在±內。從圖可以看出，該系統主要由工業計算機、模塊、模擬量輸出模塊、三相調功調壓器、三相加熱器、熱電偶溫度檢測等組成。丫、丨、丄油設定溫度模擬量輸出電流三相調功調三相電加熱工業計算機模塊壓器一棒電禺度檢測圖加熱系統的構成加熱系統的控制原理是：由工業計算機上位機軟件設定溫度，發送給的根據

30、設定溫度與檢測溫度之間的偏差進行運算，然后通過模擬量輸武漢理工大學碩士學位論文出模塊輸出電流信號控制三相調功調壓器的輸出電壓，三相電加熱棒隨著該電壓的變化或提升加熱速度或減慢加熱速度，最終使檢測溫度控制在設定溫度的±內。加熱器罐體內的溫度還可以通過回傳給工業計算機，在上位機軟件上進行顯示、存儲。從圖中可以看出，該加熱系統為典型的閉環控制系統，加熱器罐體內的溫度信號為系統的負反饋信號，的運用算法使系統輸出與系統目標的誤差不斷減小，最后趨于穩定。熱電偶溫度傳感器溫度傳感器是溫度控制系統中最重要的檢測元件，是實現加熱控制系統中最重要的硬件之一。工業上常用熱電偶傳感器來檢測溫度，相比其它溫度

31、傳感器，熱電偶溫度傳感器有如下優點：測量精度可達°測量范圍極廣，從到°的寬廣溫度范圍均可進行連續測量；使用方便可直接與被測對象接觸，安裝簡單，響應速度快，耐壓性能好。熱電偶由一對熱探針以及所有必要的安裝和連接部件構成。熱電偶對由兩根以不同金屬或金屬合成制成的導線組成，兩根導線的末端烤接在一起。不同類型的熱電偶（例如、和型）由不同材料的金屬構成，無論何種類型的熱電偶，其工作原理都相同。、一、丨：三乂圖熱電偶的構成原理測量點具有正負熱敏元件的熱電偶端子補償線路參比節點電源線熱電壓采集點測量點和熱電偶的空閑端（連接點）間的任何溫度差都會產生熱電勢。熱武漢理工大學碩士學位論文電勢是

32、測量點和連接點間溫差的函數，并由熱敏元件的材料構成決定。測量點與空閑端的溫差會唯一的對應一個電勢，通過測定不同溫差所對應的電勢就可以制成熱電偶分度表。分度表是空閑端溫度為時的條件下得到的，顯然，不同類型的熱電偶具有不同的分度表。本課題中，由于對試驗臺的測量結果有嚴格的要求，故而選擇了德國公司的型（鎳鉻鍵）熱電偶，測量范圍最大允差±能滿足測量要求。熱電偶的導線嵌在密實絕緣高純度氧化鎂塊里面，然后密封在一個鎮鉻合金不銹鋼保護套內。有了密實絕緣塊的固定作用，導線就不會被震動或彎曲所破壞，也不會發生導線之間，導線和金屬套之間的短路。三相調壓調功器和三相電加熱棒三相調壓調功器為三相電加熱棒的控

33、制端，它用來控制電加熱棒的加熱能力。三相調壓調功器可接收標準的電流控制信號，對應于電流，三相調壓調功器加載到電加熱棒上的電壓為零，三相電加熱棒停止加熱。對應于時，三相調壓調功器將輸出最大功率加載在加熱棒上，實現迅速加熱。即三相電加熱棒的加熱能力與電流成正比關系。三相調壓調功器控制信號來源于模擬量輸出模塊。為此選用三相調功調壓器，具體型號為，電流容量為，三相電加熱棒純電阻負載，采用三角形接法，即三根加熱棒首尾相接構成三角形連接?！眮w圖加熱棒電氣原理圖中，、兩兩之間最大電壓為，每一根加熱棒的電阻為。由公式可算出電阻絲上的允許通過的最大電流為。此電流值已大于武漢理工大學碩士學位論文三相調功調壓器的電

34、流容量，一般來說，三相調功調壓器不會以滿電流容量工作，故而三相調功調壓器與三相電加熱棒是匹配的。壓力、流量、扭矩檢測傳感器壓力、流量、扭矩傳感器分別采集發動機氣航套內水套的壓力、冷卻系統管道內的瞬時流量、伺服電機負載軸上的扭矩，是試驗中重要的采集數據。壓力檢測傳感器冷卻液在強制循環水冷中的循環系統其中一段流動路徑為：冷卻液由發動機機體水套分別流入各氣虹蓋水套，熱后流入節溫器完成余下的循環。冷卻液在每個氣紅蓋水套內的流動情況的好壞直接會影響其冷卻效果，判斷其流動情況好壞的指標之一就是各氣紅蓋水套內的壓力大小。因此必須選擇合適的壓力傳感器，用來檢測氣紅蓋水套內的壓力大小。另外，壓力傳感器還需具備標

35、準電流信號輸出功能，以滿足的采集以及上位機軟件的顯示功能。壓力傳感器選用公司的系列高性能壓力傳感器。德魯克娃技術和模擬電路的優勢使其在穩定性、低功率和頻率響應方面具有良好的表現性能。表壓力傳感器參數名稱數量測量范圍工作溫度響應時間表壓傳感器°表壓傳感器°差壓傳感器°差壓傳感器°表列出了根據本課題需要采購的各種類型的傳感器，在實際試驗中根據需要選用匹配的傳感器安裝即可。其中，能測量相對使用環境壓力的傳感器稱作表壓傳感器，能測量兩點之間壓力差的傳感器稱作差壓傳感器。流量檢測傳感器流量是本課題中最重要的試驗數據之一，冷卻液在發動機冷卻系統中流動，武漢理工大學碩

36、士學位論文在所有過流斷面上流量都是相等的，因此將流量計布置在回路中的位置是沒有嚴格要求的。本課題中，將流量計布置在水粟的進口前端，這樣可以精確的反應水泵不同轉速所對應的流量。由于水泵轉速經常發生變化，水栗進口的冷卻液受到沖擊流動比較紊亂，必須選擇一種測量精度較高的流量計才能滿足要求。本課題中選用了德國公司的三聲道管道式超聲波流量計，它的構成如圖所示。轉換器流量計錢傳感器圖超聲波流量計的構成超聲波流量計由傳感器和轉換器兩部分組成，傳感器測量管道中的流量，轉換器將測得的原始數據進行處理轉換，顯示在儀表上并通過背板上的接口輸出與之對應的電流信號。超聲波流量計的測量原理為時差法。試想兩條獨木舟斜對著過

37、河，一條順流，一條逆流。顯然，順流的舟比逆流的舟先抵達對岸。聲音信號與此類似，傳輸時間差反應液體的流速，通過轉換，將其以體積流量和累計流量的形式顯示和輸出。探頭發射及接受聲波信號流速：二：聲波信號口探頭圖超聲波流量計測量原理武漢理工大學碩士學位論文三聲道流量計相對于一聲道、二聲道流量計有著極高的測量精度，它能測量層流，紊流，實現全雷諾數狀態下的精確測量。它有如下優點：不受被測介質的電導率、粘度、溫度、密度和壓力的影響；流道中沒有凸出或移動部件，不存在壓力損失和磨損；操作和維護的成本最低化；可以雙向測量，導電和非導電液體均可適用。根據課題需要，選擇的流量計的參數見表。超聲波流量計數徑電源輸出力量

38、程°盡管流量計的安裝位置沒有嚴格要求，但其安裝方式卻有必要的準則。加熱器的罐體出口離地基平面高度與水泵的進口離地基平面高度是相等的，流量計被安裝于兩者之間。為了保證流量計測量的準確性和穩定性，安裝時，使流量計的安裝高度低于加熱器罐體出口與水泉進口的連線。這樣，便能最大程度的保證流量計處于滿管狀態，從而保證了測量的穩定性和準確性。扭矩檢測傳感器水栗軸上的負載扭矩是試驗中重要的數據之一，它為發動機冷卻系統中冷卻水泉的選型提供了重要的依據。作為全球首家數字扭矩傳感器的制造商，產品包括扭矩傳感器扭力傳感器，轉矩傳感器），以及用來測量反作用力的非轉動式扭矩傳感器扭力傳感器）以及用于扭矩傳感器扭

39、力傳感器）的各種聯軸器和測量儀表。擁有滑環和非接觸式信號傳輸專利技術，本課題選擇的是扭矩傳感器，從圖可以看出該傳感器由轉子法蘭及定子兩部分組成。電機軸與負載軸即水栗軸通過轉子法蘭連接，測得的扭矩數據能夠安全的傳遞給定子部分，定子部分將獲得的數據進行處理后以±的電壓信號輸出。該傳感器安裝簡單，擁有短小的設計尺寸。因采用非接觸式測量，所以無任何機械磨損。測量頻率達，測量精度，測量范圍為±。武漢理工大學碩士學位論文、巧象二丄一一一圖扭矩傳感器控制系統在誕生之前，傳統的繼電器控制系統已被大規模的應用于工業生產中。繼電器控制系統一般由輸入電路、控制電路、輸出電路和工業現場四部分組成。

40、其中輸入電路主要由按鈕、行程開關、傳感器等組成，用于向系統輸入控制信號；輸出電路主要由繼電器、接觸器、電磁閥等執行元件組成；控制電路是繼電器控制系統的核心，控制電路通過導線將各自獨立的繼電器，接觸器，按鈕等輸入輸出元件按事先預訂的控制規則連接起來，實現對工業現場的控制。繼電器控制系統在傳統工業生產中起到了舉足輕重的作用。但是，隨著生產規模的逐步擴大，控制要求也變得越來越復雜，繼電器控制系統也因此變得復雜，而復雜的控制系統又導致了控制電路的規模龐大。并且，繼電器控制系統都是應生產要求而專門設計的，一旦生產要求發生變化，即使是微小的變化都必須重新設計控制電路，重新布線、裝配及調試。顯然，繼電器控制

41、系統不具備通用性的缺點使得它嚴重的影響了生產效率。即是在這樣一種背景下應運而生了。全稱即可編程邏輯控制器。隨著模擬電路和數字電路技術的迅猛發展，基于傳統繼電器控制系統的技術得到了迅猛發展，為了保證技術發展的武漢理工大學碩士學位論文通用性及規范性，國際電工委員會（制定了的標準，并給出了它的定義：可編程控制器是一種專為在工業環境下應用而設計的數字運算操作系統，它采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式、模擬式的輸入及輸出，控制各種類型的機械和生產過程。基于傳統的繼電器控制電路，但是卻將控制電路的邏輯全部集成到了中，用戶通過梯形圖以及其它

42、編程語言可以靈活的編制控制規則即控制程序。這樣，無論現場需求如何變化，用戶只需花費極少的時間更改程序就可以實現控制要求，而無需重新布線以及調試。采用循環掃描的工作方式，在投入運行后，對用戶程序從上至下，從左至右逐條執行，直到用戶程序結束，然后返回程序起點開始新一輪掃描。的運行后不斷循環的執行輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個過程。在以上三個階段，將完成不同的工作。輸入采樣一程序執行輸出刷新”圖工作方式輸入采樣階段：所有輸入信號的狀態（“”或“”）均被以掃描的方式依次讀取，并存入輸入寄存器。所有的輸入信號只能在此階段被輸入，在程序的其它階段輸入的信號都會被忽略，也不會對程序執行的結果產生任何影響。

43、程序執行階段：所有的輸入信號準備完畢，通過掃描的方式從上至下依次運行每一條指令，根據輸入信號的狀態以及用戶編寫的程序語句，運算后得出輸出結果。所有的輸出結果均被存儲在輸出狀態寄存器里，等待下一階段的輸出刷新。輸出刷新階段：程序一個掃描完成后，輸出寄存器會同時刷新所有的輸出狀態，通過相應的電路輸出具有一定負載能力的電壓或電流信號，驅動諸如繼電器、電磁閥等執行元件。是該試驗臺中的核心部件，它不僅負責采集各類傳感器的數據進行處理運算，還要通過控制程序控制各機械部件的動作，同時還要與上位機軟件進行交互式的通信交流。通過上述章節的論述可以看出，本試驗臺有大量的模擬量需要采集，并且這些模擬量所對應的工程量

44、也必須通過運算來轉換，因此所武漢理工大學碩士學位論文選必須具備高性能的數據采集及數字運算能力。系列是西門子公司推出的中型，它采用模塊式結構，可以很方便的擴展數字式輸入、輸出模塊以及模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其它模塊。它的主要組成部分有導軌、電源模塊、模塊、接口模塊、信號模塊、功能模塊等。除電源模塊外，其它模塊都通過安裝在模塊底部的總線連接器彼此連接，最終，它們都裝配在導軌機架上，如圖所示。圖的安裝示意按照試驗臺的需求，控制硬件主要由如下模塊組成：電源模塊、模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、導軌機架。具體配置及模塊參數見表。表模塊型號塊名稱模塊參數數量一電源模

45、塊±模塊存儲卡數字輸入模塊數字輸出模塊模擬輸入模塊模擬輸入模塊模擬輸入模塊導軌機架長度：連接器：總線連接器個本課題中選用的擁有較強的數字運算和處理能力，并且支持大規模的用戶程序。它具備兩個標準以太網接口以及一個接口，通過以太武漢理工大學碩士學位論文網接口或者接口，工業計算機可以與進行通信，即實現了上位機軟件與的通信。而接口還可用于伺服電機驅動器與之間的通信，伺服電機的驅動器具備接口，通過該接口，的便可與伺服電機驅動器進行工業現場的交互。在實際硬件組態中，存儲卡插在模塊的卡槽內，用來存放用戶編制的程序。所有模塊按事先編制的順序通過總線連接器依次安裝在導軌機架上，最終的安裝示意如圖所示。

46、電，塊二二點點圖模塊安裝示意系統總方案設計系統總體上由控制部分、上位機控制軟件、各類傳感器、伺服電機及冷卻水菜、三相調功調壓器及加熱器、發動機機體組成?？傮w方案如圖所示?！耙暦恢啤盁犭娕紲囟葌鳌傲髁坑嫾啊案衅髋ぞ貍鞲衅髫皦毫鞲衅髌唠姡瑝K點冷卻水栗：伺服電機三相調功調器加熱器圖系統總體方案框圖武漢理工大學碩上學位論文工業計算機通過以太網實現與的通信，上位機軟件與的進行人機交互。上位機軟件不僅是的指令發出者，同時也要從里讀取溫度、壓力、流量、扭矩、轉速等數據顯示在界面上。從圖中可以看出，是整個系統的核心，伺服電機通過總線接口與進行連接，伺服電機的轉速可由上位機軟件直接控制，即上位機對發出轉速指

47、令，將轉速傳遞給伺服電機。通過總線，同樣可以讀取伺服電機的轉速，扭矩等信息供上位機顯示。各模擬輸入模塊負責收集傳感器釆集來的電壓或電流信號，通過的運算處理轉換成實際工程值顯示在上位機界面里。模擬輸出模塊用來控制加熱的溫度，通過內置的功能，根據設定值與反饋值的比較后，由模擬輸出模塊輸出的控制電流控制三相調功調壓器的輸出功率以達到控制加熱器加熱能力的目的。數字輸入模塊和數字輸出模塊主要用來控制伺服電機、三相調功調壓器以及整個系統的強電的分斷與合鬧。通過上位機軟件與的交互實現了整個系統的可控化和可視化。系統及工控機控制軟件是本系統的核心，試驗的控制、監視、數據釆集、存儲都依賴于兩者的正常工作。為保證

48、在突然斷電的情況下，防止已采集的數據丟失以及操作員仍然保持對系統的可控性，采用了不間斷電源作為系統和工控機的后備電源。在系統未斷電的情況下，處于充電狀態，一旦發生斷電，投入工作，和計算機不會因為外部電源的斷幵而關機，這樣就保證了數據的安全性。本章小節本章主要介紹了發動機冷卻系統試驗臺的布局、組成以及系統總體方案的設計。主要從便于安裝和保證人身安全的兩個角度考慮了試驗臺布局的合理性。詳細的介紹了試驗臺各個子系統的硬件構成及選型參數。對于試驗臺的核心系統，不僅說明了的工作原理，還根據控制系統的設計要求選擇了相應的模塊。最后，根據試驗臺的設計要求給出了切實可行的系統總體方案。武漢理工大學碩士學位論文

49、第章試驗臺電氣連接及硬件組態在系統總體方案已經設計完成的基礎上，各類傳感器、幵關信號及繼電器、接觸器等須按照規定的電氣要求可靠的接入各自的模塊，另外各模塊也必須完成正確的硬件及軟件組態后才能編寫程序調試及進行下一步工作。信號模塊的電氣配線數字量輸入模塊主要接入開關量信號，主要按鈕有伺服電機上電、伺服電機斷電、三相調功調壓器上電、三相調功調壓器斷電、系統急停。該模塊額定輸入電壓為模塊外形與接線原理如圖所示。一°一，口“十一產；舂矣§乂丨、一一一“、廣§乂燦落二：包遂、圖數字輸入模塊的電氣接線圖數字輸出模塊電氣接線數字量輸出模塊為點輸出，額定負載，額定電流。主要接入控

50、制伺服電機得電與否的繼電器、三相調功調壓器得電的繼電器、三相調功調壓器啟動信號、系統有電指示燈繼電器。該模塊外形與數字量輸入模塊相似，武漢理工大學碩士學位論文主要配線如圖所示，其中為三相調功調壓器啟動信號，為三相調功調壓器得電控制繼電器，為伺服電機得電控制繼電器，為系統有電指示繼電器。以上繼電器的常幵觸點控制對應的接觸器分合強電。導軌機架上從左至右的第一個模擬量輸入模塊為熱電偶溫度傳感器信號采集模塊，該模塊有個通道組總計組輸入，即一個通道組包含兩個輸入。每個通道組有四種測量方式，四種測量方式由各自的量程卡的位置來確定。圖中黑色方塊即為量程塊，量程塊分為、四個位置，表說明了四個位置所代表的測量類

51、型。取出量程卡選定位置后重新裝入即可，務必使測量類型與量程塊的位置相對應。“：髮；綱丨丨、【麥，“、圖輸入模塊外形圖表模塊的量程說明位置測量類型熱電偶電阻測量電壓（出廠設置）電流（線制）電流（線制）在第二章中已說明熱電偶型號為型，故而量程塊應當選擇位置。因測量武漢理工大學碩士學位論文溫度都采用型熱電偶，所以應當將個量程塊都設置成位置。熱電偶溫度傳感器從其尾端引出有兩根導線（正端和負端）用來傳遞測量信號，所有傳感器的負端須接地。接線原理如圖所示，其中前個通道組接線與后個通道相同。導軌機架上從左至右的第二個模擬量輸入模塊為備用模塊，不作接線處理。愈、乂十，、等電位選接、?。徊穪V、；、功能地辦！圖熱

52、電偶接入模擬量輸入模塊導軌機架上從左至右的第一個模擬量輸入模塊為壓力傳感器米集模塊，該模塊無量程卡設置，每個通道的測量類型需要在里進行組態設置。所接壓力傳感器均為線制傳感器，輸出信號為的電流信號。以通道為例，線制電流傳感器接續如圖中所示，電流從流入傳感器的“”端，從“”端流入模塊的“”端子，然后從“”端子流回電源的負端。、一十；上十等會十：；”丨”丨圖壓力傳感器接入模擬量輸入模塊武漢理工大學碩士學位論文導軌機架上從左至右的第二個模擬量輸入模塊采集了流量信號及扭矩信號，流量計與壓力傳感器同為線制的電流信號，接線與其相同。扭矩傳感器則為線制傳感器，且其輸出信號為±的電壓信號。它需要單獨根

53、線為其供給電源才能正常工作，另外根線送入采集模塊。其接線如圖中所示。導軌機架上的最后一個模塊為模擬輸出模塊，它是閉環控制中的輸出量，通過輸出電流信號給三相調功調壓器控制加熱棒的加熱能力達到控制溫度的目的。如輸出電流信號，相當于三相調功調壓器將功率調整至最低，加熱器將不會加熱；若輸出減電流信號，三相調功調壓器輸出最大功率給加熱棒，這時溫度將迅速上升。該模塊有電壓輸出和電流輸出兩種類型，需在軟件里進行配置，“”端子和“”端子為供電端子，以通道為例說明其接線原理，如圖電流負端須接地。爲。！丨口烏丨、“圖模擬輸出與三相調功調壓器的接線模塊的硬件與軟件組態各模塊按圖安裝以及各部分的電氣配線完成后，需要在

54、軟件中正確配置與實際硬件組態所對應的軟件組態，獲得正確的軟件組態后，整個模塊才能正常工作。組態硬件的工作在軟件里完成，該軟件專用于的硬件組態、編程、調式以及與其它設備的通信連接。它主要使用梯形圖、功能塊圖以及語句表等編程語言。組態硬件又稱作配置中央機架，一般來說，若用戶程序規模較大，其中必然包含著眾多的輸入輸出地址，明智的做法是先配置中央機架。這樣做的優點在于會在硬件編輯器中根據用戶的組態規則事武漢理工大學碩士學位論文先分配好各模塊通道的地址，編寫程序的時候就可以直接使用這些地址了。根據硬件安裝示意圖可以得知本項目有比較多的輸入和輸出，所以，先配置中央機架獲得各模塊通道的地址后，再編寫程序。配

55、置中央機架應與實際硬件安裝順序匹配，下面說明配置中央機架的過程。打開軟件后，忽略向導提示，手動創建本項目工程。在菜單欄上依次點擊“插入”，站點”，這時基于站點的工程項目便創建完成了。然后打開軟件里的硬件配置器開始中央機架的組態。配置中央機架的第一步便是插入機架導軌，在軟件右側的列表里點擊前的“”打開站點里所包含的模塊部分。打開導軌所對應的所對應的文件夾后，直接雙擊這時一個空白的導軌就已創建完畢?？梢钥闯鲆粋€空白的導軌含有個空白的插槽，它最多只能容納個模塊。丨！白丨丨由關圖插入導軌機架武漢理工大學碩士學位論文；！“尊紐？“財一主站系統：摘塊了貧母注極一“賢“縛口費口牡身“圖配置導軌機架導軌機架的號插槽只能放置電源模塊，在模塊里選擇與實際硬件訂貨號對應的電源模塊