低温低压环境下柴油发电机测试系统设计

徐余慧, 魏海坤, 方仕雄, 张侃健, 葛健

(东南大学 自动化学院，江苏 南京 210018)



低温低压环境下柴油发电机测试系统设计

徐余慧, 魏海坤, 方仕雄, 张侃健, 葛健

(东南大学 自动化学院，江苏 南京 210018)

在高原或者极低地区，柴油发电机组的应用为科考工作提供了源源不断的动力。在低温和低压环境下，柴油发电机组的正常启动运行，对科考工作的顺利执行至关重要。着重介绍了运用罗克韦尔PLC，在环境模拟平台的基础上设计了柴油发电机低温低压启动测试系统。平台现场运行表明，系统为优化南极柴油发动机组的运行提供了高效能的解决方案。

高原；柴油发电机；低气温；低气压；PLC

0 引 言

地球两极一直是世界各国备受关注的科学考察重点研究地区。其中南极大陆冷源的中心区——Dome A是地球最冷的地方之一：年平均温度为-58.5 ℃；空气含氧量低：只有0.5个大气压。虽然自然条件恶劣，但其优越的视宁度条件、天然的低温观测条件、干燥的大气条件等优点，使得其成为地球上开展天文观测、空间物理和大气科学等科学研究最好的地方之一，具有比较重要的科学研究价值[1-3]。

2011年1月我国首座自主研发的科考装置在南极大陆Dome A地区成功运行。但项目组成员在安装调试过程中发现，为该装置提供能源的柴油发电机组，在低温低压环境下，存在首次启动困难、运行效率低下等问题。欲解决上述问题，一个相对稳定的低温低压柴油发电机测试环境是必不可少的。而在平原地区，无法达到像南极那样的低温低压测试环境。在漠河或者西藏高原地区进行发动机测试，需要投入大量的人力、财力和时间，这些对于项目组来说不太可能实现。因此，实验室设计了一套模拟低温低压环境装置，便于研究柴油发动机启动、运行测试。基于Rockwell公司的PLC产品，作者设计了一套低温低气压环境下，柴油发动机启动测试控制系统。该系统通过封闭式压缩机、循环风机实现了恒温环境。运用RSlogix5000 编程软件的PID模块指令，通过控制两个电磁阀、真空泵实现恒压环境，具有自动化程度高、可靠性好、操作方便的特点。

1 环境模拟装置介绍与低温低压环境模拟实现

1.1 低温低压装置介绍

低温低压环境模拟装置，其主体采用低温低压箱和设备测试箱组成的双箱体结构，其结构原理图如图1所示。

图1 测试环境模拟装置结构原理图

环境模拟平台的整体结构主要由低温低压箱、发动机测试箱、循环控制系统、数据采集系统构成。

1.2 低温低压环境模拟的实现

低温低压箱的低温通过封闭式压缩机采用机械压缩二元复叠式制冷的方法，由循环系统，实现测试箱对低温环境的模拟[4]。低压环境通过低温低压箱的真空泵抽出空气，通过控制电磁阀1和电磁阀2，实现测试箱对低压环境的模拟。

低温低压环境模拟装置，自带恒温控制系统，当设定控制箱温度为-40 ℃时，控制箱可以自动调节温度达到-40 ℃，并维持稳定。通过循环系统，使测试箱的温度达到-40 ℃。模拟发动机启动时的低压环境，考虑测试箱的密闭性产生的误差，使发动机进气口通过软管直接与低温低压箱相连，当低温低压箱压强降到设定值时，通过控制电池阀1和电磁阀2，可以实现发动机启动时的低压要求。箱体内的气压条件和发动机启动都由PLC控制系统实现。

2 PLC控制系统的设计

2.1 发动机启动测试系统的描述

低温低压箱主要为发动机启动测试提供稳定的环境，根据发动机的启动测试需求设计以下几个步骤：

1) 设定低温低压箱的测试温度为x，启动低温控制系统，同时打开循环泵，通过循环管道，实现两个箱体内的空气对流，使得两箱体的温度平衡，给发动机预冷；

2) 待发动机完全预冷，关闭循环泵；

3) 打开真空泵，将低温低压箱压强降到y；

4) 关闭真空泵，打开电池阀2，启动发动机，若启动成功，转至步骤5,；若未成功，关闭电磁阀2，打开循环泵，转至步骤2；

5) 发动机启动成功后，关闭制冷系统，控制电磁阀1的开度，使得压强为设定值y；

图2为流程控制方框图。

图2 PLC控制流程图

2.2 罗克韦尔PLC控制系统的软硬件搭建

2.2.1 系统软件

编程软件:RSlogix5000；通信软件：RSlink Classic；组态网络软件：RSNetWork；人机监控界面组态软件：RSView32。

软件系统设计过程如图3所示。通过这四个软件的结合，实现了模拟低温低压环境柴油发动机启动控制系统设计。

图3 软件系统设计过程

2.2.2 系统硬件

上位机为一台PC，主要运行PLC系统所需要的各种软件；下位机为1756-L61 Controllogix5561可编程控制器，主要运行控制程序，完成指令输入输出和数据采集等功能。在本次设计中，RSlink通过PC的以太网端口，经过EtherNet/IP和ControlLogix系统中的1756-EWEB/A通信模块相连接，实现对控制系统的访问。下位机与I/O模块通过1756-CNBR/E模块采用ControlNet进行通信。

该系统中，压力传感器用以检测低温低压箱内的压强，交流电压隔离变送器用以检测发电机输出电压，智能定位器ZXQ2004c用以检测电磁阀1开度大小。不同的传感器将4 mA～20 mA电流信号输入至模拟量输入模块，控制器采集传感器信号并计算出目标控制信号，通过模拟量输出模块，转换输出标准的4 mA～20 mA电流信号作为控制执行机构(电磁阀1)的控制信号。

经过分析，低温低压环境中，发动机启动控制系统的输入输出类型及I/O点数如表1所示。

表1 PLC控制系统的信号类型及I/O点数

本次设计采用1794Flex I/O模块。1794Flex I/O为ControlLogix系统的输入输出扩展端口之一，它包括电源模块、适配器模块、输入输出模块。应用于分布式场合灵活、价格低廉的模块式系统。

根据控制系统的需求，可得出Rockwell公司PLC实际模块的数量如表2所示。

2.3 低压环境的具体实现

PID的控制是对连续量的控制，目前PID仍然是实际控制系统中应用的最为广泛的一种控制算法[5]。ControlLogix5000集成了PID控制指令，通过对PID指令参数的修改，实现对被控对象的控制。

模拟柴油发电机在低压环境，主要由箱体内压力传感器、电磁阀1、电磁阀2、真空泵共同实现。控制系统框图如图4所示。

表2 现场模块统计

图4 PID控制实现低压环境方框图

如图4所示的低压环境控制系统，反馈的压强过程变量与压强设定量比较，给出偏差，PID控制对偏差进行PID运算，运算结果为控制变量，控制电磁阀1 的开度。箱体压强偏高，运算结果令控制变量减小，减小电磁阀1的开度，减小进气流量，使箱体压强下降；箱体压强偏低，运算结果令控制变量增大，增大电磁阀1的开度，增大进气流量，使压强增大。

3 上位机界面设计

利用RSview32丰富的图形、动画、数据、网络等方面的功能，用来制作人机界面。实现步骤：(1)对RSview32进行通讯组态；(2)创建标签数据库；(3)完成组态模拟量和数字量标签。通过RSview32组态软件，设计良好的人机界面，可以实时数据显示，包括：低温低压箱与测试箱体压强、低温低压箱与测试箱体温度、发动机输出电压、电磁阀1的开度等；参数设定：电磁阀1的开度、PID参数设定等；发动机控制：预热、给油、启动；手动与自动切换控制，代替了实际的控制按钮，操作方便快捷，自动化及可靠性程度高。

4 测试结果

本文柴油发电机为德国HATZ-1B30，柴油型号为：0#。经过控制调节箱体温度和压强，测试发动机是否启动成功。图5为柴油发电机低温低压环境下的启动测试结果。

图5 柴油发电机启动测试结果

图5中，横坐标为设定温度值，纵坐标为设定压强值。柴油发电机低温低压启动能否成功，不仅跟环境温度与气压有关，还与低温环境下的润滑油粘度、燃油流动性、蓄电池低温放电能力等因素有关。因此，为了减少温度对其他因素的影响，选择温度测试范围为0 ℃～10 ℃，压强测试范围为0.5～1个大气压。实验得出：由于实验取点样本较少，根据实验数据得到的拟合曲线如图5，调节压强值和温度值在曲线上方时，发动机基本可以顺利启动成功；调节压强值和温度值在曲线下方时，发动机不能启动成功。

5 结束语

本文利用低温低压环境设备装置，模拟低温低压环境，设计了柴油发动机启动控制系统。利用PID控制模块，有效控制了发动机测试箱体的压强，减小了压强偏差。控制系统的硬件选型、软件设计，使系统具有良好的可靠性、操作简单方便、自动化程度高等特点。此系统的构建，为进一步对低温低压环境下，柴油发电机组启动与运行优化方案的设计，提供了良好的平台。

[1] 汤刘杰，朱蔚萍，张侃健．南极科考智能支撑平台监控系统的设计与实现[J]．电气自动化，2012,34(1)：43-45，68.

[2] ZHAO G B, ZHAN H, WANG L, et al. Probing dark energy with the kunlun dark universe survey telescope[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 2011, 123(904):725-734.

[3] ZHOU X, FAN Z, JIANG Z, et al. The first release of the CSTAR point source catalog from dome a, antarctica[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 2010, 122(889):347-353.

[4] 葛健, 魏海坤, 方仕雄,等. 南极科考支撑装置电源系统控制策略[J]. 自动化仪表, 2014, 35(1):15-18.

[5] 魏震，贾青.PLC中PID模块指令的应用[J].化工自动化及仪表.2001,28(3):19-22.

保护环境

利国利民

造福后代

The Design of the Testing System of the Diesel Generator under the Low Temperature and Low Pressure

Xu Yuhui, Wei Haikun, Fang Shixiong, Zhang Kanjian, Ge Jian

(Southeast University, School of Automation, Nanjing Jiangsu 210096, China)

Diesel generator sets provide a steady flow of energy for the scientific expedition in the plateau or polar areas. Under the low temperature and low pressure, the normal operation of the diesel generator sets is very crucial to the success of the expedition. The low-temperature and low-pressure actuating and testing system of the diesel generators that is designed in a simulated platform with the application of Rockwell PLC, will be introduced here. The operation of the platform site suggests that the system offers an effective solution to optimize the operation of the Antarctic diesel generator sets.

plateau; diesel generators; low temperature; low pressure; PLC

江苏省自然科学基金(BK20131300)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.027

TP272/278

A

1000-3886(2016)03-0085-03

徐余慧(1990- )，男，安徽天长人，研究生，研究方向：生产过程建模、优化与仿真。

定稿日期: 2015-01-20