BCx2調節(jié)儀在控制發(fā)動機排液溫度中的應用

摘要：在介紹控制發(fā)動機溫度重要性的基礎上，較詳細地介紹了使用一種性價比高的溫度調節(jié)儀控制發(fā)動機排液出口溫度的解決方案。給出了由多臺設備構成的控制系統和系統中使用的串級控制原理，以及計算機與調節(jié)儀通信的方式和整個系統的控制方法。

1 發(fā)動機工作溫度的測控

　　發(fā)動機工作時，燃料燃燒和機件間的摩擦產生大量的熱，使汽缸內的溫度可達2000℃甚至更高。為了保證發(fā)動機在一定的溫度范圍內正常運轉，必須配備合適的冷卻系統和控制冷卻介質溫度的控制系統。

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

　　發(fā)動機工作溫度(水溫)與耗油量及磨損量的關系見表1。資料表明，發(fā)動機工作溫度過高過低不但會使燃料消耗量增加，也會導致磨損增加，縮短發(fā)動機使用壽命。實踐證明，80℃-90℃是發(fā)動機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)動機在此范圍內運行，故必須測量/控制發(fā)動機的工作溫度和進行此項目的試驗。本文介紹一種使用調節(jié)儀等設備和采用串級控制技術構成的發(fā)動機溫度系統。

2 BCx2調節(jié)儀的工作原理和特性

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

　　BCx2調節(jié)儀是5位顯示的儀表，適合在眾多工業(yè)領域應用;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。調節(jié)儀的硬件電路由MCU、輸入調理電路、輸出驅動電路、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(日本瑞薩公司生產的芯片)的控制下，接收薄膜按鍵輸入的設定值和來自傳感器(熱電阻、熱電偶或直流電流/電壓)的被測信號，運算處理后，送顯示電路顯示和經輸出電路輸出4～20mA電流(0～10V電壓或驅動SSR的電壓等)。在下面介紹的串級控制系統中，主設備的4～20mA電流輸出用于設定從設備的SV。調節(jié)儀可實現的控制動作有PID、PI、PD、P和ON/OFF等不同方式，且各種方式的參數都可事先設定。此外，表內MCU還可收發(fā)來自/送往通信線路的信號，接受主機的控制。

3 BCx2調節(jié)儀在排液溫控系統中的應用

　　發(fā)動機封閉式恒溫系統是發(fā)動機性能測試中一個很重要的系統。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)動機排出的液體經過過濾器流入水箱，再經熱交換器降溫后送到三通調節(jié)閥的一個入口;與此同時，排出的液體經加熱器加熱后送到三通調節(jié)閥的另一個入口。調節(jié)閥在控制信號的控制下，將比例合適的冷熱水送入發(fā)動機。如此循環(huán)，在調節(jié)儀的控制下，將發(fā)動機排液出口的溫度穩(wěn)定在某一設定溫度。圖2中用了2臺日本神港公司的BCR2A型數字顯示調節(jié)儀。2臺調節(jié)儀都用Pt100熱電阻檢測溫度：1臺測量發(fā)動機的出口液體溫度;另1臺測量發(fā)動機的入口液體溫度。2臺調節(jié)儀以串聯方式連接，第一臺調節(jié)儀的主設定值(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臺調節(jié)儀，作為它的主設定值(SV2);第2臺調節(jié)儀的測量值(PV2，以2# Pt100檢測)與SV2比較后以0V~10V DC輸出給調節(jié)閥執(zhí)行器，自動調節(jié)調節(jié)閥輸出的冷熱水比例。

　　根據系統的實際情況，2臺調節(jié)儀都以逆動作方式控制， 仔細調整它們的PID參數、控制輸出的上下限值和第2臺調節(jié)儀的外部設定上下限值，則能將發(fā)動機出口液體溫度控制在85±1.0℃以內(85℃為設定值，也可設定為90℃等其他數值)。圖2中，1#調節(jié)儀還輸出上限報警信號，當發(fā)動機出口液體溫度超過某一設定值(如88℃)時，輸出控制信號自動關閉加熱器。為使控制效果更好，1#調節(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而自動減小。

　　封閉式排液恒溫控制系統接受中央控制室里的計算機控制。計算機以RS-485總線接各臺調節(jié)儀(圖3)。BCR2A調節(jié)儀的端子(10)、(11)和(12)分別接RS-485總線的YA(-)、YB(+)和COM端，通信速率都設定為9600bbs，用神港協議或Modbus協議進行通信。通信數據以表2結構構成。

　　BCx2A調節(jié)儀可執(zhí)行的命令豐富。用Modbus協議通信時，除了可執(zhí)行大多數調節(jié)儀可執(zhí)行的03H(讀)和06H(單數據寫)之外，還可執(zhí)行10 H(多數據寫)及診斷等命令。系統工作前，將調節(jié)儀的表號分別設定為1#、2#(可以接更多儀表)。系統工作時，計算機先設定各臺調節(jié)儀的PID值、輸出上限值、輸出下限值、外部設定上限值、外部設定下限值、報警方式、報警動作點等，再設定SV1，即可進行控制。計算機也可讀出上述各值及各臺調節(jié)儀測得的出口液體溫度和進口液體溫度(PV1、PV2)等。

　　根據試驗測得的數據即可判斷被試發(fā)動機的特定性能和繼續(xù)進行其他性能的測試。

4 以BCx2調節(jié)儀構建的串級控制系統

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

5 結束語

　　本文介紹了一種使用性價比高的溫度調節(jié)儀控制發(fā)動機排液出口溫度的解決方案，介紹的內容可供從事這方面工作的工程技術人員參考。

參考文獻：

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　　[2]姜秀英.過程控制系統實訓[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012

　　[3]陸虹,王鴻鈺.FCD-13A控制器在發(fā)動機排液恒溫系統中的應用[J].2007

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