BCx2調節儀在控制發動機排液溫度中的應用

摘要：在介紹控制發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儀控制發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，以及計算機與調節儀通信的方式和整個系統的控制方法。

1 發動機工作溫度的測控

　　發動機工作時，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，縮短發動機使用壽命。實踐證明，80℃-90℃是發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。為了保證發動機在此范圍內運行，故必須測量/控制發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儀等設備和采用串級控制技術構成的發動機溫度系統。

2 BCx2調節儀的工作原理和特性

　　BCx2調節儀是日本神港公司今年年初推出的高性價比調節儀。9步程序控制、PID調節和簡易變換器功能是它的標準配置;除此之外，BCx2調節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調節儀是5位顯示的儀表，適合在眾多工業領域應用;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還可收發來自/送往通信線路的信號，接受主機的控制。

3 BCx2調節儀在排液溫控系統中的應用

　　發動機封閉式恒溫系統是發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。在循環泵的作用下，發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閥的另一個入口。調節閥在控制信號的控制下，將比例合適的冷熱水送入發動機。如此循環，在調節儀的控制下，將發動機排液出口的溫度穩定在某一設定溫度。圖2中用了2臺日本神港公司的BCR2A型數字顯示調節儀。2臺調節儀都用Pt100熱電阻檢測溫度：1臺測量發動機的出口液體溫度;另1臺測量發動機的入口液體溫度。2臺調節儀以串聯方式連接，第一臺調節儀的主設定值(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臺調節儀，作為它的主設定值(SV2);第2臺調節儀的測量值(PV2，以2# Pt100檢測)與SV2比較后以0V~10V DC輸出給調節閥執行器，自動調節調節閥輸出的冷熱水比例。

　　根據系統的實際情況，2臺調節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臺調節儀的外部設定上下限值，則能將發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#調節儀還輸出上限報警信號，當發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總線接各臺調節儀(圖3)。BCR2A調節儀的端子(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調節儀可執行的命令豐富。用Modbus協議通信時，除了可執行大多數調節儀可執行的03H(讀)和06H(單數據寫)之外，還可執行10 H(多數據寫)及診斷等命令。系統工作前，將調節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動機的特定性能和繼續進行其他性能的測試。

4 以BCx2調節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#調節儀(主調節儀)的輸出端子接2#調節儀(副調節儀)的EXT CONT端(端子4、5)，用作它的遠程設定狀態時的輸入。主調節儀的輸入端接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，控制執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的負反饋系統，都具有一定的抗干擾能力。2臺調節儀串聯工作，副調節儀進行“快調”、“粗調”、“預調”，主調節儀進行“細調”。無論擾動由何處進入系統，都具有優良的調節性能，大大提高了系統的控制質量。主、副調節儀協調工作，快速調節，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，改善過程的動態特性。串級控制系統是一個定值控制系統，主調節儀有獨立的設定值SV1，而副調節儀的設定值由主調節儀的控制輸出決定。主、副調節儀的作用不同，系統要求主調節儀將被控量準確地穩定在設定值(例如設定的SV1為85℃)，而對副調節儀的要求是快速跟隨主調節儀輸出信號的變化。因此，前者通常以PID或PI調節，后者主要靠比例調節;在本文介紹的溫度控制系統中，副調節儀中加了一點積分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儀控制發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：

　　[1]BCx2數字顯示調節儀中文使用說明書[R].極東神港自控工程(上海)有限公司.2015

　　[2]姜秀英.過程控制系統實訓[M].北京:化學工業出版社,2012

　　[3]陸虹,王鴻鈺.FCD-13A控制器在發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。