冷却系统试验台

1、賴；分类号密级学校代码学位论文题目汽车发动机冷却系统试验台的研制与开发英题巨研究生姓名姓名余先涛职称教授学位博士指导教师单位名称机电工程学院邮编姓名职称学位副指导教师单位名称邮编申请学位级别硕士学科专业名称机械工程论文提交日期论文答辩日期学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席郭顺生评阅人王三武黄继雄年月独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人巳经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均

2、已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：摘要发动机冷却系统的作用是使发动机的温度在所有工况下均保持在适当的范围内。冷却系统不仅要防止发动机过热，也要防止发动机过冷。

3、而传统汽车的水泵和散热风扇一般由发动机曲轴通过带传动，传动带环绕在曲轴带轮与水泵带轮之间，因此水泵转速与发动机转速成比例关系。这种水泵轴与风扇轴随发动机曲轴转速而变化的驱动方式给发动机散热带来了诸多问题。发动机启动时，发动机温度迟迟上不来，造成发动机过冷。而怠速工作时，又造成了发动机过热。控制好发动机的工作温度，不仅有利于延长发动机的寿命，而且发动机的启动性能，燃油经济性能，排放性能等都会有质的提升。而控制发动机的工作温度的关键又在于控制冷却液的温度和水泵的转速。所以，搭建一套冷却系统试验台来探求冷却液温度、水泵转速与发动机工作状况之间的规律的试验台就显得尤为重要了。正是基于上述原因，本文应用

4、控制技术搭建了一套发动机冷却系统试验台。用高性能的伺服电机独立驱动水泵，采用西门子公司的和必要的数字量、模拟量输入模块对各种控制信号包括压力、温度、扭矩信号、流量进行自动采集处理。并运用内置的功能以及相应的模拟量输出模块精确的控制了冷却液的温度。同时，本文采用软件作为上位机控制软件，实现了试验过程的可控，可视以及自动化。本文以为系统控制核心，给出了系统总体方案设计以及相关的电气原理图。简要的介绍了机械方案的设计与相关机械设备的选型。重点阐述了试验台的控制程序包括主程序、自动测试程序、加热控制程序等的实现过程。本文的最后还阐述了上位机控制软件的实现过程，通过上位机控制软件与程序的无缝结合，实现了

5、实验数据的自动采集、制表、存档等功能。通过多次调试，本文介绍的发动机冷却系统试验台在控制冷却液温度方面具有测温准确、反应灵敏、控制精确的特点，充分的满足了试验的预期效果。在控制水泵转速的精度上达到了±转的精确控制。通过简明直观的上位机控制软件，使得试验过程变得简单轻松，试验结果直观明了。关键词：发动机，冷却系统，冷却液，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，土目录汽车发动机冷去口系统简介国内外研究状况研究标和意乂课题主要工作第章发动机冷却系统试验台综合方案设计水泵旋转系统加热系统热电偶温度传感器三相调压调功器和三相电加热棒压力、流量、扭矩检测传感器压力检测传感器流量检测传感器扭矩检测传感器控制系统系统总方案设计本章小节第章试验台电气连接及硬件组态信号模块的电气配线模块的硬件与软件组态与工业计算机的连接本章小节第章系统控制程序的设计与编写程序的总体架构4.2 PID加热程序设计自动测试程序及其附属功能的设计主程序设计本章小节第章上位机控制与监视软件的设计软件介绍上位机控制与监视软件的设计丨通信与过程变量的建立图形界面的设计

10、的综合性配置及运行本章小节第章结论：附录发动机冷却系统试验台全貌图武汉理工大学硕士学位论文第章绪论汽车发动机冷却系统简介发动机冷却系统的功用主要从防止发动机过冷和过热两方面来维持发动机的温度始终处于合适的范围之内，保证发动机的正常工作。发动机的过冷现象主要出现在发动机从冷态下启动时，尤其容易发生在寒冷的环境中。而发动机的过热现象大多出现在发动机低速或者怠速工作时。在其它工况下，传统的发动机冷却系统一般能满足散去多余热量的需求。发动机无论出现过冷或过热现象，都将造成发动机燃油性能变差、发动机功率下降、排放恶化等现象。出现过冷现象意味着冷却系统散去了不该被散去的热量，致使发动机温度低于正常工作温度

11、。此时，润滑油在过低的温度下，粘度急剧上升，发动机各零件之间就无法形成良好的油膜润滑，导致零件的磨损加剧。同时，过低的温度还导致燃油燃烧不充分，发动机启动将变得困难。而过热现象与过冷现象恰好相反，冷却系统无法散去发动机工作时产生的大量的多余热量，这些热量积聚在气社、紅体周围造成了发动机的过热。在过高的温度下，润滑油粘度急剧下降，发动机机零件之间同样无法形成良好的润滑，也导致了零件的磨损。过高的温度还会导致零件膨胀而破坏零件之间的间隙配合，各零件的力学性能在高温下发生改变，严重情况下甚至导致活塞卡死及破损。上述两种现象的出现还会严重的缩短发动机的寿命。发动机冷却系统采用以水为主要成分的冷却介质的

12、水冷系统，即强制循环水冷却系统。强制循环水冷系统主要由水菜、节温器、散热器、散热风扇、水套等部件构成。从图中可以看出，水菜和散热风扇安装在同一根轴上通过带传动的形式由发动机曲轴驱动。水录的旋转使得冷却液压力提高，从而在发动机冷却系统里循环流动，冷却液流过热的发动机机体吸收热量，最终返回散热器中，在散热器中，热的冷却液由于散热风扇的旋转或者车辆的迎风行驶温度降低后流回水栗中。这一循环过程被称为发动机冷却系统的大循环，此时节温器处于开启状态。武汉理工大学硕士学位论文。：；“春铺補”，！图发动机冷却系统散热器散热器盖节温器水温表水套分水管水栗放水阀风扇百叶窗与大循环所对应的是小循环，小循环主要用于发

13、动机启动时或启动后的一段时间之内。发动机处于小循环工作状态时，节温器是关闭的。从图中可以看出，此时，从发动机各水套流出的冷却液将无法流入散热器中，而是直接流回了水菜中。这样，发动机启动时就能保证发动机温度的迅速升高。当发动机温度升高到正常的工作温度范围之后，节温器自动打开，冷却系统进入大循环，散去发动机正常工作时产生的多余热量。从图中可以看出，水栗和散热风扇安装在同一根轴上通过带传动由发动机曲轴驱动，传动汽车的冷却系统大多采用此驱动方式。因此，水粟以及散热风扇的转速和发动机曲轴的转速是成正相关的，这种水菜轴与风扇轴随发动机曲轴转速而变化的驱动方式给发动机散热带来了诸多问题。例如，在寒冷的环境中

14、，发动机往往变得启动困难，即使启动成功后也无法在很短的时间内迅速升高到正常的工作温度范围。这是因为，水录和风扇直接由发动机曲轴驱动。在发动机启动的初始阶段，水菜即开始工作，冷却液开始循环，本不应该被带走的气紅周围的热量由于冷却液的循环而被带走。另一方面，在车辆迎风行驶的过程中，冷却液与大量低温空气接触其温度乂迅速降低，使得发动机始终升温变得缓慢。武汉理工大学硕士学位论文又如，在城市公共交通中，由于交通情况不理想，公共巴士的发动机经常工作在怠速或低速状态，此时发动机的温度会过热。而同样受限于驱动方式，水栗和风扇的转速却依然很慢，过多的热量无法散去，使得发动机工况恶化，甚至可能造成水箱开锅。散热风

15、扇和冷却水菜是汽车冷却系统中的关键散热设备，传统的驱动方式两者均由发动机曲轴通过带传动。显然，其调节效果不能适用于所有工况，冷却效率极其低下。国内外研究状况目前，国产小汽车中风扇大多已采用单独的电动机驱动，可以通过电子调节系统根据不同的工况调整转速。但是，有一部分汽车的冷却水菜却依然采用由曲轴驱动的方式。由于采用此方式，发动机在工作时，依然会存在过冷和过热现象的出现。但是近几年来，随着汽车电子技术的发展，水栗和散热风扇的独立驱动和精确控制变得现实可行。目前的研究方向已然转向如何优化汽车电子控制系统，通过各类传感器精确反馈发动机的工作状况，实现对冷却系统的智能和精确控制。独立驱动的思想最早诞生于

16、年的一份美国专利文件中它首次提出了用单独的电动机驱动散热风扇，也同时为以后水栗的独立驱动奠定了基础。年台湾裕隆公司正式提出了水栗独立驱动的思想，并成功申请了专利。配合汽车电子技术以及传感器技术，实现了水栗的转速根据发动机的工况调整。经过多年的发展，水栗以及散热风扇独立驱动已经成为发动机冷却系统的标准配置，研究方向也转向电子控制系统的研究，即根据发动机的工况精确的调整水栗以及风扇的转速。法雷奥公司研发出了一种名为智能热调节系统）的电子调节系统，山东农业大学运用单片机技术实现了冷却系统的智能控制，电子科技大学将模糊控制理论运用在发动机冷却系统控制的设计上，并取得了良好的效果。另外，除了对控制系统的

17、智能化研究外，国外还提出了一种高温冷却系统的设计思想，它的本质思想是提高冷却液的温度设定点。由于预先提高了冷却液的温度，发动机可以很快的进入正常工作状态，同时还降低了发动机功率损耗和水菜的额定功率。虽然冷却系统的智能研究己经获得了大量成果并成功的运用在了生产中，武汉理工大学硕士学位论文但是评价冷却系统散热性能的方法或者装置依然处于起步阶段。而研究智能化冷却系统的前提条件是提供评价冷却系统性能的试验设备。目前，国内外大多通过实地试验的方法评价冷却系统的散热性能。主要使用的试验方法有：爬长坡行驶试验法、负荷牵引试验法以及底盘测功机试验法。下面简要的介绍这三种试验方法。爬长坡行驶试验法的场地条件为一

18、段坡度在、长度至少在的平整道路。试验车辆的行驶状态为合适的低挡位并且节气门处于全开状态，行驶速度接近。在车辆的行驶过程中以为采集间隔时间全程采集发动机冷却系统的出水温度、机油温度、环境温度以及发动机转速。若分钟内机油温度和出水温度的变化均不超过摄氏度，则认为发动机冷却系统达到热平衡状态。负荷牵引试验法在水平道路上进行，试验车辆刚性牵引负荷车辆，低挡位节气门全开以的速度牵引负荷车辆在道路上行驶。采集数据的方式和判断冷却系统状态的条件与爬长坡试验法一样。底盘测功机试验法采用模拟整车行驶工况的试验方法。试验时，试验车辆在底盘测功机加载的额定负荷下以规定的发动机转速行驶，并在车头处放置鼓风机模拟车辆行

19、驶的迎风状态。相应的冷却系统的评价指标可以直接在底盘测功机的软件上读出。前两者试验方法需要较大的场地且需要较长的时间来完成，并且试验结果具有不确定性。而底盘测功机试验法可以在室内实验室里进行，试验方便且周期短。研究目标和意义前面介绍的三种试验方法都有其局限性。爬长坡试验法和负荷牵引法需要苟刻的道路条件和天气条件，并且试验的周期较长，试验结果也具备不确定性。而底盘测功机试验法虽然优于前两者，但是其建设成本颇高且国内科研机构及汽车厂家并没有大规模的采用。因此，研发测试功能强大的发动机冷却系统试验台具有非常重要的应用价值和研究意义。本课题的研究任务便是设计一套切实可行的发动机冷却系统试验台，它能够在

20、实验室里直接测试发动机冷却系统的性能。测试对象为发动机以及其冷却系统，而不需要像底盘测功机那样使用整车进行测试，也无需荀刻的使用环境。测试的结果将能直观的展示在计算机界面上，并且实现对各种数据的存档和分武汉理工大学硕士学位论文析功能。研究的重点是发动机冷却系统试验台控制系统的实现。发动机冷却系统试验台的研究意义在于它能准确的提供发动机在不同负荷下发动机冷却系统的散热性能。散热性能的评价指标将及时的反映在计算机软件上，这样改进发动机冷却系统，指导发动机冷却系统的控制思想设计就变得简单。课题主要工作本课题来源于上汽通用五菱公司技术中心的发动机冷却系统试验台，主要工作有如下两方面：系统总体方案的建立

21、，即机械系统的设计与选型以及电气原理图的设计。运用西门子技术以及组态软件技术建立一套自动控制且试验过程可控、可视、结果可存档自动分析的自动化程序和控制软件。主要的研究内容有如下几点：运用技术实现对加热器的控制，实现对冷却液温度的精确控制；编写发动机冷却系统测试程序以及相应的控制程序；运用技术编写人机交互界面实现和通信，实现对试验台的监控以及数据采集、存档等工作；研究发动机在各种不同负荷下，合适的水栗转速及冷却液温度，并从中发现它们之间的规律；运用中的规律进行再试验，观察冷却系统的散热表现是否有所改进。武汉理工大学硕士学位论文第章发动机冷却系统试验台综合方案设计发动机冷却系统试验台主要由水菜旋转

22、系统、冷却液加热控制系统、温度，压力，扭矩检测装置、可编程逻辑控制器）、上位机控制系统等组成。设计思路为：试验开始时，由上位机控制软件设定加热温度、水栗转速、温度反馈点。水菜以特定的转速旋转，使冷却液在发动机机体内强制循环，程序根据温度反馈点传来的温度信号与设定温度进行比较，采用控制方式，控制加热器的加热功率使反馈点温度无限接近设定温度。反馈温度接近设定温度的某一范围后，水菜开始以设定转速旋转，上位机软件开始记录发动机水栗进、出口、各虹体温度以及各虹体内的压力。试验台的初步布局如图所示。暴攀，图发动机冷却系统试验台总体布局发动机冷却系统试验台采用了高速交流伺服电机，扭矩测量仪，自动控制和数据采

23、集，标准的地基铁板允许客户安装不同型号的发动机及支撑。地基铁板为型槽铸铁底板，尺寸为，由小时自适应空气弹黃支撑，振动频率小于。发动机采用四个安装在标准地基铁板上的移动支撑实现了水平安装。移动顶尖支撑可自由调节高度，根据发动机的安装高度调节四个支撑的高度使其高度一样。试验发动机安装在一块钢板上，然后将水平钢板置于四个顶尖上，采用螺栓连接使其固定。伺服电机安装在电机座上，电机座根据伺服电机的尺寸精确设计，电机座上同时预置了安装扭矩传感器的位置。因为采用了标准地基铁板，固定了电机安装高度及位置后，发动机的位置可以根据需要调整。具体要求是，务必保证发动机水粟轴与伺服电机轴两者轴线平行并尽量重合，然后采

24、用弹性联轴器连接伺服电机轴与水泵轴。地基铁板的后方为试验武汉理工大学硕士学位论文台的强电控制电柜，右方为三相加热器，冷却液同时也存：在加热器的罐体内。采用软管连接水菜的进口与罐体的出口、水栗的出口与罐体的进口。这样，便构成了一个封闭的冷却液循环通道。水栗旋转后，冷却液便强制在冷却系统内循环流动了。按图的布局，操作台置于地基铁板的正前方，操作员可以从正面观察试验台的全部状况。但这样的布置使得人和操作设备处于伺服电机旋转方向的切线方向上，若伺服电机轴与发动机水栗轴在安装过程中没有保证其同轴度，有可能造成联轴器或水粟的损毁，而一旦发生损毁事故，破损的零件由于离心力的作用可能里向操作人员，对周围设备和

25、操作人员都构成了极大的安全隐患。故而，实际布置时，操作台并没有被布置地基铁板的正前方，而是布置在地基铁板的侧面（左侧），避开了地基铁板正面这一危险区域。操作台是整个系统的控制核心，工控机、系统、不间断电源以及蜂鸣器等均置于操作台中。水栗旋转系统水粟在冷却系统中的作用是对冷却液进行加压，保证其在冷却系统中循环流动。汽车发动机冷却系统中大多采用离心式水菜，其工作原理如图所示。当水泉叶轮逆时针旋转时，水栗中的冷却液被叶轮带动旋转的同时因离心力的作用被思向叶片的顶端，冷却液即以一定的压力从出水管流出。在靠近叶轮中心处，因冷却液被用出压力小于进水管处的压力，进水管处的冷却液被吸入。这样就保证了冷却液在冷

26、却系统中的循环流动。出水管叶轮进水管图水录工作原理示意武汉理工大学硕士学位论文传统的驱动方式是水泵由发动机曲轴通过带轮传动，受驱动方式的限制，水菜转速随发动机曲轴转速的变化而变化，发动机在某些工况下的散热情况是极其不理想的。在发动机启动的初始阶段，本不该工作的水泵工作导致冷却液循环流动，再加之车辆迎风行驶，发动机紅体周围的热量被迅速释放到空气中，造成发动机温度迟迟升不上来，造成发动机过冷现象。而当发动机工作在怠速或低速状态，发动机温度会过热，同样受限于驱动方式，水菜和风扇的转速却依然很慢，结果导致热量大量积聚无法散去，使得发动机工况恶化，甚至出现水箱开锅。本课题中，水栗由单独的伺服电机驱动，水

27、栗转速精确可调，并可以根据发动机的工作状况实时调整转速，这样就可以实现在发动机的不同工况下采取不同的水菜转速。传动顺序为：伺服电机扭矩传感器联轴器水菜输入轴。本试验台中，水泉的最大旋转速度达到了，本着高要求，高质量的设计原则，选择了德国博士力士乐公司的高性能异步伺服电机。电机系列的大功率密度特点使其在机床行业，印刷行业或者金属成型行业的伺服与主轴应用上有着极大的优势。高分辨率的单圈或多圈编码器系统以及极佳的回转质量保证了加工精度。本课题所采用的伺服电机的技术参数如表所不。表伺服电机技术参数电机型号额定最大额定最大额定额定转动质量速度速度扭矩扭矩功率电流惯量在已有伺服电机技术参数的基础上，必须选

28、择合适的伺服电机驱动器，伺服电机才能正常的工作。这里，同样选择了德国博士力士乐公司的系列紧凑型驱动器该驱动器功率范围从到，最大电流从到。拥有高过载能力，具有单轴应用的紧凑式结构，可直接连接到的电源。该驱动器的控制单元还具备现场总线，通过这种总线，总线设备之间可以周期性的交换所有的指令值和实际值，包括状态信息和故障信息。该总线可以使伺服驱动器作为普通设备与的进行通信，为编写上位机控制软件以及程序提供了良好的可操作性和易用性。伺服驱动器的技术参数如表所示。武汉理工大学硕士学位论文表驱动器的技术参数驱动器连续最大电源电压连续最大宽高深质量型号电流电流制动制动功率功率三相交流另外，该伺服驱动器还配有制

29、动电阻器，它的作用是：将伺服电机减速或快速停车制动时产生的再生电能转换成热能消耗掉。参考表，驱动器的连续制动功率为，最大制动功率为，选择的制动电阻器技术参数如表所示。表制动电阻器参数制动电阻器连续制动最大制动宽高深质量型号功率功率加热系统加热系统主要用来加热冷却液，使之达到设定的温度并保持，温度偏差控制在±内。从图可以看出，该系统主要由工业计算机、模块、模拟量输出模块、三相调功调压器、三相加热器、热电偶温度检测等组成。丫、丨、丄油设定温度模拟量输出电流三相调功调三相电加热工业计算机模块压器一棒电禺度检测图加热系统的构成加热系统的控制原理是：由工业计算机上位机软件设定温度，发送给的根据

30、设定温度与检测温度之间的偏差进行运算，然后通过模拟量输武汉理工大学硕士学位论文出模块输出电流信号控制三相调功调压器的输出电压，三相电加热棒随着该电压的变化或提升加热速度或减慢加热速度，最终使检测温度控制在设定温度的±内。加热器罐体内的温度还可以通过回传给工业计算机，在上位机软件上进行显示、存储。从图中可以看出，该加热系统为典型的闭环控制系统，加热器罐体内的温度信号为系统的负反馈信号，的运用算法使系统输出与系统目标的误差不断减小，最后趋于稳定。热电偶温度传感器温度传感器是温度控制系统中最重要的检测元件，是实现加热控制系统中最重要的硬件之一。工业上常用热电偶传感器来检测温度，相比其它温度

31、传感器，热电偶温度传感器有如下优点：测量精度可达°测量范围极广，从到°的宽广温度范围均可进行连续测量；使用方便可直接与被测对象接触，安装简单，响应速度快，耐压性能好。热电偶由一对热探针以及所有必要的安装和连接部件构成。热电偶对由两根以不同金属或金属合成制成的导线组成，两根导线的末端烤接在一起。不同类型的热电偶（例如、和型）由不同材料的金属构成，无论何种类型的热电偶，其工作原理都相同。、一、丨：三乂图热电偶的构成原理测量点具有正负热敏元件的热电偶端子补偿线路参比节点电源线热电压采集点测量点和热电偶的空闲端（连接点）间的任何温度差都会产生热电势。热武汉理工大学硕士学位论文电势是

32、测量点和连接点间温差的函数，并由热敏元件的材料构成决定。测量点与空闲端的温差会唯一的对应一个电势，通过测定不同温差所对应的电势就可以制成热电偶分度表。分度表是空闲端温度为时的条件下得到的，显然，不同类型的热电偶具有不同的分度表。本课题中，由于对试验台的测量结果有严格的要求，故而选择了德国公司的型（镍铬键）热电偶，测量范围最大允差±能满足测量要求。热电偶的导线嵌在密实绝缘高纯度氧化镁块里面，然后密封在一个镇铬合金不锈钢保护套内。有了密实绝缘块的固定作用，导线就不会被震动或弯曲所破坏，也不会发生导线之间，导线和金属套之间的短路。三相调压调功器和三相电加热棒三相调压调功器为三相电加热棒的控

33、制端，它用来控制电加热棒的加热能力。三相调压调功器可接收标准的电流控制信号，对应于电流，三相调压调功器加载到电加热棒上的电压为零，三相电加热棒停止加热。对应于时，三相调压调功器将输出最大功率加载在加热棒上，实现迅速加热。即三相电加热棒的加热能力与电流成正比关系。三相调压调功器控制信号来源于模拟量输出模块。为此选用三相调功调压器，具体型号为，电流容量为，三相电加热棒纯电阻负载，采用三角形接法，即三根加热棒首尾相接构成三角形连接。”亀图加热棒电气原理图中，、两两之间最大电压为，每一根加热棒的电阻为。由公式可算出电阻丝上的允许通过的最大电流为。此电流值已大于武汉理工大学硕士学位论文三相调功调压器的电

34、流容量，一般来说，三相调功调压器不会以满电流容量工作，故而三相调功调压器与三相电加热棒是匹配的。压力、流量、扭矩检测传感器压力、流量、扭矩传感器分别采集发动机气航套内水套的压力、冷却系统管道内的瞬时流量、伺服电机负载轴上的扭矩，是试验中重要的采集数据。压力检测传感器冷却液在强制循环水冷中的循环系统其中一段流动路径为：冷却液由发动机机体水套分别流入各气虹盖水套，热后流入节温器完成余下的循环。冷却液在每个气紅盖水套内的流动情况的好坏直接会影响其冷却效果，判断其流动情况好坏的指标之一就是各气紅盖水套内的压力大小。因此必须选择合适的压力传感器，用来检测气紅盖水套内的压力大小。另外，压力传感器还需具备标

35、准电流信号输出功能，以满足的采集以及上位机软件的显示功能。压力传感器选用公司的系列高性能压力传感器。德鲁克娃技术和模拟电路的优势使其在稳定性、低功率和频率响应方面具有良好的表现性能。表压力传感器参数名称数量测量范围工作温度响应时间表压传感器°表压传感器°差压传感器°差压传感器°表列出了根据本课题需要采购的各种类型的传感器，在实际试验中根据需要选用匹配的传感器安装即可。其中，能测量相对使用环境压力的传感器称作表压传感器，能测量两点之间压力差的传感器称作差压传感器。流量检测传感器流量是本课题中最重要的试验数据之一，冷却液在发动机冷却系统中流动，武汉理工大学硕

36、士学位论文在所有过流断面上流量都是相等的，因此将流量计布置在回路中的位置是没有严格要求的。本课题中，将流量计布置在水粟的进口前端，这样可以精确的反应水泵不同转速所对应的流量。由于水泵转速经常发生变化，水栗进口的冷却液受到冲击流动比较紊乱，必须选择一种测量精度较高的流量计才能满足要求。本课题中选用了德国公司的三声道管道式超声波流量计，它的构成如图所示。转换器流量计錢传感器图超声波流量计的构成超声波流量计由传感器和转换器两部分组成，传感器测量管道中的流量，转换器将测得的原始数据进行处理转换，显示在仪表上并通过背板上的接口输出与之对应的电流信号。超声波流量计的测量原理为时差法。试想两条独木舟斜对着过

37、河，一条顺流，一条逆流。显然，顺流的舟比逆流的舟先抵达对岸。声音信号与此类似，传输时间差反应液体的流速，通过转换，将其以体积流量和累计流量的形式显示和输出。探头发射及接受声波信号流速：二：声波信号口探头图超声波流量计测量原理武汉理工大学硕士学位论文三声道流量计相对于一声道、二声道流量计有着极高的测量精度，它能测量层流，紊流，实现全雷诺数状态下的精确测量。它有如下优点：不受被测介质的电导率、粘度、温度、密度和压力的影响；流道中没有凸出或移动部件，不存在压力损失和磨损；操作和维护的成本最低化；可以双向测量，导电和非导电液体均可适用。根据课题需要，选择的流量计的参数见表。超声波流量计数径电源输出力量

38、程°尽管流量计的安装位置没有严格要求，但其安装方式却有必要的准则。加热器的罐体出口离地基平面高度与水泵的进口离地基平面高度是相等的，流量计被安装于两者之间。为了保证流量计测量的准确性和稳定性，安装时，使流量计的安装高度低于加热器罐体出口与水泉进口的连线。这样，便能最大程度的保证流量计处于满管状态，从而保证了测量的稳定性和准确性。扭矩检测传感器水栗轴上的负载扭矩是试验中重要的数据之一，它为发动机冷却系统中冷却水泉的选型提供了重要的依据。作为全球首家数字扭矩传感器的制造商，产品包括扭矩传感器扭力传感器，转矩传感器），以及用来测量反作用力的非转动式扭矩传感器扭力传感器）以及用于扭矩传感器扭

39、力传感器）的各种联轴器和测量仪表。拥有滑环和非接触式信号传输专利技术，本课题选择的是扭矩传感器，从图可以看出该传感器由转子法兰及定子两部分组成。电机轴与负载轴即水栗轴通过转子法兰连接，测得的扭矩数据能够安全的传递给定子部分，定子部分将获得的数据进行处理后以±的电压信号输出。该传感器安装简单，拥有短小的设计尺寸。因采用非接触式测量，所以无任何机械磨损。测量频率达，测量精度，测量范围为±。武汉理工大学硕士学位论文、巧象二丄一一一图扭矩传感器控制系统在诞生之前，传统的继电器控制系统已被大规模的应用于工业生产中。继电器控制系统一般由输入电路、控制电路、输出电路和工业现场四部分组成。

40、其中输入电路主要由按钮、行程开关、传感器等组成，用于向系统输入控制信号；输出电路主要由继电器、接触器、电磁阀等执行元件组成；控制电路是继电器控制系统的核心，控制电路通过导线将各自独立的继电器，接触器，按钮等输入输出元件按事先预订的控制规则连接起来，实现对工业现场的控制。继电器控制系统在传统工业生产中起到了举足轻重的作用。但是，随着生产规模的逐步扩大，控制要求也变得越来越复杂，继电器控制系统也因此变得复杂，而复杂的控制系统又导致了控制电路的规模庞大。并且，继电器控制系统都是应生产要求而专门设计的，一旦生产要求发生变化，即使是微小的变化都必须重新设计控制电路，重新布线、装配及调试。显然，继电器控制

41、系统不具备通用性的缺点使得它严重的影响了生产效率。即是在这样一种背景下应运而生了。全称即可编程逻辑控制器。随着模拟电路和数字电路技术的迅猛发展，基于传统继电器控制系统的技术得到了迅猛发展，为了保证技术发展的武汉理工大学硕士学位论文通用性及规范性，国际电工委员会（制定了的标准，并给出了它的定义：可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作系统，它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入及输出，控制各种类型的机械和生产过程。基于传统的继电器控制电路，但是却将控制电路的逻辑全部集成到了中，用户通过梯形图以及其它

42、编程语言可以灵活的编制控制规则即控制程序。这样，无论现场需求如何变化，用户只需花费极少的时间更改程序就可以实现控制要求，而无需重新布线以及调试。采用循环扫描的工作方式，在投入运行后，对用户程序从上至下，从左至右逐条执行，直到用户程序结束，然后返回程序起点开始新一轮扫描。的运行后不断循环的执行输入采样、程序执行、输出刷新三个过程。在以上三个阶段，将完成不同的工作。输入采样一程序执行输出刷新”图工作方式输入采样阶段：所有输入信号的状态（“”或“”）均被以扫描的方式依次读取，并存入输入寄存器。所有的输入信号只能在此阶段被输入，在程序的其它阶段输入的信号都会被忽略，也不会对程序执行的结果产生任何影响。

43、程序执行阶段：所有的输入信号准备完毕，通过扫描的方式从上至下依次运行每一条指令，根据输入信号的状态以及用户编写的程序语句，运算后得出输出结果。所有的输出结果均被存储在输出状态寄存器里，等待下一阶段的输出刷新。输出刷新阶段：程序一个扫描完成后，输出寄存器会同时刷新所有的输出状态，通过相应的电路输出具有一定负载能力的电压或电流信号，驱动诸如继电器、电磁阀等执行元件。是该试验台中的核心部件，它不仅负责采集各类传感器的数据进行处理运算，还要通过控制程序控制各机械部件的动作，同时还要与上位机软件进行交互式的通信交流。通过上述章节的论述可以看出，本试验台有大量的模拟量需要采集，并且这些模拟量所对应的工程量

44、也必须通过运算来转换，因此所武汉理工大学硕士学位论文选必须具备高性能的数据采集及数字运算能力。系列是西门子公司推出的中型，它采用模块式结构，可以很方便的扩展数字式输入、输出模块以及模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它模块。它的主要组成部分有导轨、电源模块、模块、接口模块、信号模块、功能模块等。除电源模块外，其它模块都通过安装在模块底部的总线连接器彼此连接，最终，它们都装配在导轨机架上，如图所示。图的安装示意按照试验台的需求，控制硬件主要由如下模块组成：电源模块、模块、数字输入模块、数字输出模块、模拟输入模块、模拟输出模块、导轨机架。具体配置及模块参数见表。表模块型号块名称模块参数数量一电源模

45、块±模块存储卡数字输入模块数字输出模块模拟输入模块模拟输入模块模拟输入模块导轨机架长度：连接器：总线连接器个本课题中选用的拥有较强的数字运算和处理能力，并且支持大规模的用户程序。它具备两个标准以太网接口以及一个接口，通过以太武汉理工大学硕士学位论文网接口或者接口，工业计算机可以与进行通信，即实现了上位机软件与的通信。而接口还可用于伺服电机驱动器与之间的通信，伺服电机的驱动器具备接口，通过该接口，的便可与伺服电机驱动器进行工业现场的交互。在实际硬件组态中，存储卡插在模块的卡槽内，用来存放用户编制的程序。所有模块按事先编制的顺序通过总线连接器依次安装在导轨机架上，最终的安装示意如图所示。

46、电，块二二点点图模块安装示意系统总方案设计系统总体上由控制部分、上位机控制软件、各类传感器、伺服电机及冷却水菜、三相调功调压器及加热器、发动机机体组成。总体方案如图所示。“视坊制“热电偶温度传“流量计及“感器扭矩传感器丨“压力传感器七电，块点冷却水栗：伺服电机三相调功调器加热器图系统总体方案框图武汉理工大学硕上学位论文工业计算机通过以太网实现与的通信，上位机软件与的进行人机交互。上位机软件不仅是的指令发出者，同时也要从里读取温度、压力、流量、扭矩、转速等数据显示在界面上。从图中可以看出，是整个系统的核心，伺服电机通过总线接口与进行连接，伺服电机的转速可由上位机软件直接控制，即上位机对发出转速指

47、令，将转速传递给伺服电机。通过总线，同样可以读取伺服电机的转速，扭矩等信息供上位机显示。各模拟输入模块负责收集传感器釆集来的电压或电流信号，通过的运算处理转换成实际工程值显示在上位机界面里。模拟输出模块用来控制加热的温度，通过内置的功能，根据设定值与反馈值的比较后，由模拟输出模块输出的控制电流控制三相调功调压器的输出功率以达到控制加热器加热能力的目的。数字输入模块和数字输出模块主要用来控制伺服电机、三相调功调压器以及整个系统的强电的分断与合闹。通过上位机软件与的交互实现了整个系统的可控化和可视化。系统及工控机控制软件是本系统的核心，试验的控制、监视、数据釆集、存储都依赖于两者的正常工作。为保证

48、在突然断电的情况下，防止已采集的数据丢失以及操作员仍然保持对系统的可控性，采用了不间断电源作为系统和工控机的后备电源。在系统未断电的情况下，处于充电状态，一旦发生断电，投入工作，和计算机不会因为外部电源的断幵而关机，这样就保证了数据的安全性。本章小节本章主要介绍了发动机冷却系统试验台的布局、组成以及系统总体方案的设计。主要从便于安装和保证人身安全的两个角度考虑了试验台布局的合理性。详细的介绍了试验台各个子系统的硬件构成及选型参数。对于试验台的核心系统，不仅说明了的工作原理，还根据控制系统的设计要求选择了相应的模块。最后，根据试验台的设计要求给出了切实可行的系统总体方案。武汉理工大学硕士学位论文

49、第章试验台电气连接及硬件组态在系统总体方案已经设计完成的基础上，各类传感器、幵关信号及继电器、接触器等须按照规定的电气要求可靠的接入各自的模块，另外各模块也必须完成正确的硬件及软件组态后才能编写程序调试及进行下一步工作。信号模块的电气配线数字量输入模块主要接入开关量信号，主要按钮有伺服电机上电、伺服电机断电、三相调功调压器上电、三相调功调压器断电、系统急停。该模块额定输入电压为模块外形与接线原理如图所示。一°一，口“十一产；舂矣§乂丨、一一一“、广§乂灿落二：包遂、图数字输入模块的电气接线图数字输出模块电气接线数字量输出模块为点输出，额定负载，额定电流。主要接入控

50、制伺服电机得电与否的继电器、三相调功调压器得电的继电器、三相调功调压器启动信号、系统有电指示灯继电器。该模块外形与数字量输入模块相似，武汉理工大学硕士学位论文主要配线如图所示，其中为三相调功调压器启动信号，为三相调功调压器得电控制继电器，为伺服电机得电控制继电器，为系统有电指示继电器。以上继电器的常幵触点控制对应的接触器分合强电。导轨机架上从左至右的第一个模拟量输入模块为热电偶温度传感器信号采集模块，该模块有个通道组总计组输入，即一个通道组包含两个输入。每个通道组有四种测量方式，四种测量方式由各自的量程卡的位置来确定。图中黑色方块即为量程块，量程块分为、四个位置，表说明了四个位置所代表的测量类

51、型。取出量程卡选定位置后重新装入即可，务必使测量类型与量程块的位置相对应。“：髮；綱丨丨、【麥，“、图输入模块外形图表模块的量程说明位置测量类型热电偶电阻测量电压（出厂设置）电流（线制）电流（线制）在第二章中已说明热电偶型号为型，故而量程块应当选择位置。因测量武汉理工大学硕士学位论文温度都采用型热电偶，所以应当将个量程块都设置成位置。热电偶温度传感器从其尾端引出有两根导线（正端和负端）用来传递测量信号，所有传感器的负端须接地。接线原理如图所示，其中前个通道组接线与后个通道相同。导轨机架上从左至右的第二个模拟量输入模块为备用模块，不作接线处理。愈、乂十，、等电位选接、！；卜乂、；、功能地办！图热

52、电偶接入模拟量输入模块导轨机架上从左至右的第一个模拟量输入模块为压力传感器米集模块，该模块无量程卡设置，每个通道的测量类型需要在里进行组态设置。所接压力传感器均为线制传感器，输出信号为的电流信号。以通道为例，线制电流传感器接续如图中所示，电流从流入传感器的“”端，从“”端流入模块的“”端子，然后从“”端子流回电源的负端。、一十；上十等会十：；”丨”丨图压力传感器接入模拟量输入模块武汉理工大学硕士学位论文导轨机架上从左至右的第二个模拟量输入模块采集了流量信号及扭矩信号，流量计与压力传感器同为线制的电流信号，接线与其相同。扭矩传感器则为线制传感器，且其输出信号为±的电压信号。它需要单独根

53、线为其供给电源才能正常工作，另外根线送入采集模块。其接线如图中所示。导轨机架上的最后一个模块为模拟输出模块，它是闭环控制中的输出量，通过输出电流信号给三相调功调压器控制加热棒的加热能力达到控制温度的目的。如输出电流信号，相当于三相调功调压器将功率调整至最低，加热器将不会加热；若输出減电流信号，三相调功调压器输出最大功率给加热棒，这时温度将迅速上升。该模块有电压输出和电流输出两种类型，需在软件里进行配置，“”端子和“”端子为供电端子，以通道为例说明其接线原理，如图电流负端须接地。爲。！丨口乌丨、“图模拟输出与三相调功调压器的接线模块的硬件与软件组态各模块按图安装以及各部分的电气配线完成后，需要在

54、软件中正确配置与实际硬件组态所对应的软件组态，获得正确的软件组态后，整个模块才能正常工作。组态硬件的工作在软件里完成，该软件专用于的硬件组态、编程、调式以及与其它设备的通信连接。它主要使用梯形图、功能块图以及语句表等编程语言。组态硬件又称作配置中央机架，一般来说，若用户程序规模较大，其中必然包含着众多的输入输出地址，明智的做法是先配置中央机架。这样做的优点在于会在硬件编辑器中根据用户的组态规则事武汉理工大学硕士学位论文先分配好各模块通道的地址，编写程序的时候就可以直接使用这些地址了。根据硬件安装示意图可以得知本项目有比较多的输入和输出，所以，先配置中央机架获得各模块通道的地址后，再编写程序。配

55、置中央机架应与实际硬件安装顺序匹配，下面说明配置中央机架的过程。打开软件后，忽略向导提示，手动创建本项目工程。在菜单栏上依次点击“插入”，站点”，这时基于站点的工程项目便创建完成了。然后打开软件里的硬件配置器开始中央机架的组态。配置中央机架的第一步便是插入机架导轨，在软件右侧的列表里点击前的“”打开站点里所包含的模块部分。打开导轨所对应的所对应的文件夹后，直接双击这时一个空白的导轨就已创建完毕。可以看出一个空白的导轨含有个空白的插槽，它最多只能容纳个模块。丨！白丨丨由關图插入导轨机架武汉理工大学硕士学位论文；！“尊紐？“财一主站系统：摘块了贫母注极一“贤“缚口费口牡身“图配置导轨机架导轨机架的号插槽只能放置电源模块，在模块里选择与实际硬件订货号对应的电源模块