BCx2调节仪在控制发动机排液温度中的应用

摘要：在介绍控制发动机温度重要性的基础上，较详细地介绍了使用一种性价比高的温度调节仪控制发动机排液出口温度的解决方案。给出了由多台设备构成的控制系统和系统中使用的串级控制原理，以及计算机与调节仪通信的方式和整个系统的控制方法。

1 发动机工作温度的测控

　　发动机工作时，燃料燃烧和机件间的摩擦产生大量的热，使汽缸内的温度可达2000℃甚至更高。为了保证发动机在一定的温度范围内正常运转，必须配备合适的冷却系统和控制冷却介质温度的控制系统。

　　众所周知，若发动机温度过高，金属材料的力学性能会显著降低，导致寿命缩短;各机件间的正常间隙将因零件受热膨胀而被破坏，导致不能正常工作;机油粘度变稀甚至氧化变质，零件磨损加剧功率降低。但是，发动机过度冷却也不好，可燃混合汽点燃困难、燃烧迟缓，燃料消耗增加，发动机功率下降;润滑油粘度增大，机件的运动阻力增加，加剧了它们的磨损。

　　发动机工作温度(水温)与耗油量及磨损量的关系见表1。资料表明，发动机工作温度过高过低不但会使燃料消耗量增加，也会导致磨损增加，缩短发动机使用寿命。实践证明，80℃-90℃是发动机比较合适的工作温度，而出口温度保持在85-95℃之间比较适宜。为了保证发动机在此范围内运行，故必须测量/控制发动机的工作温度和进行此项目的试验。本文介绍一种使用调节仪等设备和采用串级控制技术构成的发动机温度系统。

2 BCx2调节仪的工作原理和特性

　　BCx2调节仪是日本神港公司今年年初推出的高性价比调节仪。9步程序控制、PID调节和简易变换器功能是它的标准配置;除此之外，BCx2调节仪还集成了外部设定输入、变送输出标准的模拟信号、多种方式报警、串行通信、事件输入、多种方式事件输出等多种特选功能。

　　BCx2调节仪是5位显示的仪表，适合在众多工业领域应用;它的显示精度为0.2%满度(测量热电阻信号为0.1%满度)，采样周期为0.125s。BCx2有3种规格：正面尺寸48mm×48mm，48mm×96mm，96mm×96mm，而插入屏深仅60mm，占用空间小。调节仪的硬件电路由MCU、输入调理电路、输出驱动电路、通信电路、电源电路和显示电路等几部分组成，电路框图见图1。在MCU(日本瑞萨公司生产的芯片)的控制下，接收薄膜按键输入的设定值和来自传感器(热电阻、热电偶或直流电流/电压)的被测信号，运算处理后，送显示电路显示和经输出电路输出4～20mA电流(0～10V电压或驱动SSR的电压等)。在下面介绍的串级控制系统中，主设备的4～20mA电流输出用于设定从设备的SV。调节仪可实现的控制动作有PID、PI、PD、P和ON/OFF等不同方式，且各种方式的参数都可事先设定。此外，表内MCU还可收发来自/送往通信线路的信号，接受主机的控制。

3 BCx2调节仪在排液温控系统中的应用

　　发动机封闭式恒温系统是发动机性能测试中一个很重要的系统。图2控制原理图是一种成功的解决方案。在循环泵的作用下，发动机排出的液体经过过滤器流入水箱，再经热交换器降温后送到三通调节阀的一个入口;与此同时，排出的液体经加热器加热后送到三通调节阀的另一个入口。调节阀在控制信号的控制下，将比例合适的冷热水送入发动机。如此循环，在调节仪的控制下，将发动机排液出口的温度稳定在某一设定温度。图2中用了2台日本神港公司的BCR2A型数字显示调节仪。2台调节仪都用Pt100热电阻检测温度：1台测量发动机的出口液体温度;另1台测量发动机的入口液体温度。2台调节仪以串联方式连接，第一台调节仪的主设定值(SV1)可用面板上的按键输入(也可用通信的方式输入)，测量值(PV1，以1# Pt100检测)与SV1比较后以4~20mA DC输出给第2台调节仪，作为它的主设定值(SV2);第2台调节仪的测量值(PV2，以2# Pt100检测)与SV2比较后以0V~10V DC输出给调节阀执行器，自动调节调节阀输出的冷热水比例。

　　根据系统的实际情况，2台调节仪都以逆动作方式控制， 仔细调整它们的PID参数、控制输出的上下限值和第2台调节仪的外部设定上下限值，则能将发动机出口液体温度控制在85±1.0℃以内(85℃为设定值，也可设定为90℃等其他数值)。图2中，1#调节仪还输出上限报警信号，当发动机出口液体温度超过某一设定值(如88℃)时，输出控制信号自动关闭加热器。为使控制效果更好，1#调节仪还可再增加一路输出，使供给加热器的功率能随PV1逼近SV1而自动减小。

　　封闭式排液恒温控制系统接受中央控制室里的计算机控制。计算机以RS-485总线接各台调节仪(图3)。BCR2A调节仪的端子(10)、(11)和(12)分别接RS-485总线的YA(-)、YB(+)和COM端，通信速率都设定为9600bbs，用神港协议或Modbus协议进行通信。通信数据以表2结构构成。

　　BCx2A调节仪可执行的命令丰富。用Modbus协议通信时，除了可执行大多数调节仪可执行的03H(读)和06H(单数据写)之外，还可执行10 H(多数据写)及诊断等命令。系统工作前，将调节仪的表号分别设定为1#、2#(可以接更多仪表)。系统工作时，计算机先设定各台调节仪的PID值、输出上限值、输出下限值、外部设定上限值、外部设定下限值、报警方式、报警动作点等，再设定SV1，即可进行控制。计算机也可读出上述各值及各台调节仪测得的出口液体温度和进口液体温度(PV1、PV2)等。

　　根据试验测得的数据即可判断被试发动机的特定性能和继续进行其他性能的测试。

4 以BCx2调节仪构建的串级控制系统

　　图4是以2台BCR2A构成的串级控制系统原理框图。1#调节仪(主调节仪)的输出端子接2#调节仪(副调节仪)的EXT CONT端(端子4、5)，用作它的远程设定状态时的输入。主调节仪的输入端接Pt100传感器，通过它测量被控目标(排液出口)的温度;副调节仪的输入端接液体入口处的Pt100传感器，测量副变量温度;经调节，控制执行器动作和改变被控的主参数y1(出口温度)。图4中的方框部分是单回路控制系统的原理框图，串级控制系统比简单控制系统多了一套控制回路。主回路和副回路都是闭环的负反馈系统，都具有一定的抗干扰能力。2台调节仪串联工作，副调节仪进行“快调”、“粗调”、“预调”，主调节仪进行“细调”。无论扰动由何处进入系统，都具有优良的调节性能，大大提高了系统的控制质量。主、副调节仪协调工作，快速调节，则能有效地减少和克服扰动或负荷变化较大的影响，有效地应用于被控对象容量滞后较大的过程，改善过程的动态特性。串级控制系统是一个定值控制系统，主调节仪有独立的设定值SV1，而副调节仪的设定值由主调节仪的控制输出决定。主、副调节仪的作用不同，系统要求主调节仪将被控量准确地稳定在设定值(例如设定的SV1为85℃)，而对副调节仪的要求是快速跟随主调节仪输出信号的变化。因此，前者通常以PID或PI调节，后者主要靠比例调节;在本文介绍的温度控制系统中，副调节仪中加了一点积分I，用于增强控制作用。

5 结束语

　　本文介绍了一种使用性价比高的温度调节仪控制发动机排液出口温度的解决方案，介绍的内容可供从事这方面工作的工程技术人员参考。

参考文献：

　　[1]BCx2数字显示调节仪中文使用说明书[R].极东神港自控工程(上海)有限公司.2015

　　[2]姜秀英.过程控制系统实训[M].北京:化学工业出版社,2012

　　[3]陆虹,王鸿钰.FCD-13A控制器在发动机排液恒温系统中的应用[J].2007

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第1期第73页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。