CC BY
49
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-040S
Компьютеризированный комплекс для испытаний
лодочных моторов
77-30569/275638
# 12, декабрь 2011 Беляков В. И., Граф В. А.
УДК.629.526
МГТУ им. Н. Э. Баумана [email protected] [email protected]
На экспериментальной базе ФГУП «ММПП» Салют» создан компьютеризированный комплекс для испытаний подвесных лодочных моторов мощностью до 5-и л.с. Комплекс предназначен для автоматизации приемо-сдаточных и периодических испытаний, а также для проведения в автоматизированном режиме ряда специальных испытаний лодочных моторов.
На рис. 1 представлена функциональная схема автоматизированного испытательного комплекса (АИК) модели АИК-1, который имеет два уровня: верхний уровень 1 и нижний уровень 2.
Верхний уровень 1 включает в себя автоматизированное рабочее место (АРМ) 3 оператора - испытателя верхнего уровня, программируемый логический контроллер (ПЛК) 4 и универсальную панель 5 оператора (итОР) испытателя нижнего уровня.
В состав нижнего уровня 2 входят: гидромеханическая, информационно - измерительная и электромашинная подсистемы. Нижний уровень также включает в себя: привод 6 рукоятки газа лодочного мотора (ЛМ), устройство 7 планового и аварийного выключения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) лодочного мотора, участок 8 подготовки лодочных моторов, стапель 9 для установки моторов. Кроме того в нижний уровень входят, не показанные на рис. 1, подсистемы: электрошкаф испытательного комплекса, вытяжная вентиляция, средства пожаротушения, электро - и гидро - коммуникации.
Гидромеханическая подсистема испытательного комплекса содержит испытательную емкость (ванну) 10 и стойку 11, снабженную силоизмерительной транцевой доской (не показана), на которую устанавливается испытываемый лодочный мотор 12.
Информационно - измерительная подсистема испытательного комплекса содержит измерители 13 ... 21 физических величин лодочного мотора и окружающей среды (соответствие номеров измерителей на рис. 1 измеряемым физическим величинам представлено ниже по тексту и в табл. 1), измерительный блок 22 (вторичные преобразователи и четыре табло цифровой индикации) и дополнительный топливный бак 23, предназначенный для измерения массы расходуемого топлива.
Электромашинная подсистема (её основа - скоростной следящий привод переменного тока) испытательного комплекса включает в себя: асинхронный электродвигатель 24, оснащенный датчиками угла и скорости (не показаны), усилитель 25 мощности, блок 26 балластных резисторов и пульт 27 местного управления.
Рис. 1. Функциональная схема автоматизированного испытательного комплекса АИК-1
77-30569/275638, №12 декабрь 2011 г. http://technomag.edu.ru
2
Автоматизированное рабочее место (АРМ) 3 оператора - испытателя верхнего уровня выполняет следующие основные функции:
■ дискретное управление испытательным процессом;
■ мониторинг процесса испытаний;
■ архивация и протоколирование событий испытаний.
Автоматизированное рабочее место АРМ 3 комплекса АИК-1 состоит из персонального компьютера ПК, принтера и источника ИБП бесперебойного питания.
Прикладное программное обеспечение персонального компьютера ПК выполнено на основе SCADA - пакета FIX'32 фирмы «Intellution» (США).
Основные функции программируемого логического контроллера (ПЛК) 4:
■ оперативное управление испытательным процессом;
■ сбор информации, поступающей от информационно - измерительной подсистемы нижнего уровня;
■ фильтрация, линеаризация и масштабирование входных аналоговых сигналов;
■ формирование управляющих воздействий, подаваемых на исполнительные органы нижнего уровня (электромашинная подсистема, привод 6 рукоятки газа, устройство 7 выключения двигателя внутреннего сгорания лодочного мотора);
■ обмен информацией с панелью 5 UniOP оператором - испытателем нижнего уровня.
Контроллер ПЛК 4 представляет собой промышленный РС - совместимый контроллер,
выполненный на базе модулей серии ЭК-2000 фирмы «ЭМИКОН» (г. Москва). Конфигурация контроллера набирается из отдельных модулей, необходимых для решения поставленной задачи. В состав контроллера ПЛК 4 входят следующие модули:
■ плата кроссовая CR-04;
■ модуль центральный CPU-03A;
■ преобразователь интерфейса CIM-232NI (2 шт.);
■ модуль ввода-вывода дискретных сигналов DIO-04A;
■ модуль конверторов OR-04A;
■ модуль конверторов IR-04A;
■ модуль вывода аналоговых сигналов А0-01А;
■ модуль ввода аналоговых сигналов AI-04A;
■ модуль расширения ввода аналоговых сигналов EAI-03A;
■ блок питания нестабилизированный SU-06;
■ модуль питания PU-01A.
Программное обеспечение (ПО) ПЛК 4 разработано с использованием интегрированной среды разработки ПО «Win - Designer» (фирма «ЭМИКОН»). Связь контроллера с компьютером и панелью 5 оператора осуществляется по интерфейсам RS-232 с использованием протокола «Modbus».
Основные функции универсальной панели (UniOP) 5 оператора - испытателя нижнего уровня:
■ получение оператором - испытателем нижнего уровня 2 от вычислительных средств верхнего уровня 1 комплекса (от ПЛК и ПК) информации о текущем состоянии испытательного процесса, о действиях, требуемых от оператора на данном этапе испытаний, и о возникающих нештатных и аварийных ситуациях (информация поступает на жидкокристаллический дисплей и подсвечиваемые клавиши панели UniOP);
■ подтверждение оператором выполнения требуемых действий с помощью клавиатуры панели.
Из множества различных моделей панели UniOP использована панель CP11G-04 фирмы «Sitek» S.p.A. (Италия).
Программное обеспечение панели 5 оператора разработано на основе интегрированной среды разработки ПО «UniOP - Designer» (фирма «Sitek» S.p.A.).
Привод 6 рукоятки газа ЛМ предназначен для автоматического управления подачей топлива в карбюратор и, соответственно, частотой вращения коленвала двигателя внутреннего сгорания. Привод 6 включает в себя блок управления БУ12-8-1-01, шаговый электродвигатель ДШ65-006-3 (ЗАО «Машиноаппарат», г. Москва) и специальный редуктор. Электродвигатель и редуктор установлены на румпеле лодочного мотора.
На участок 8 подготовки ЛМ поступают моторы, прошедшие предварительную регулировку и обкатку. Перед испытаниями моторы оснащаются дополнительными узлами и устройствами в соответствии с технологией автоматизированных испытаний. После испытаний моторы приводятся к штатной комплектации.
Стойка 11 гидромеханической подсистемы нижнего уровня 2 имеет силоизмерительную транцевую доску (на рис. 1 не показана), на которую устанавливается испытываемый лодочный мотор 12. Узел силоизмерительной транцевой доски включает в себя динамометрические устройства 14 и 15, обеспечивающие измерение крутящего момента МКВ на коленчатом вале ДВС и тягового усилия Я гребного винта лодочного мотора.
Информационно - измерительная подсистема испытательного комплекса АИК-1 обеспечивает получение информации о физических величинах лодочного мотора и окружающей среды, перечень которых представлен в табл. 1.
Таблица 1
Перечень измеряемых физических величин лодочного мотора и окружающей среды
№ п/п № позиции на рис.1 Наименование измеряемой физической величины Обо-значение Единица Диапазон измерения По-грешность й)
1 2 4 5 6 7
1 13 Частота вращения коленчатого вала ДВС ПКВ об/мин 100 ... 9000 ±0,5%
2 14 и 15 Крутящий момент на коленчатом вале ДВС МКВ Нм 1,5 ... 20,0 ±0,5%
3 14 и 15 Тяговое усилие гребного винта Я Н 50 . 500 ±0,5%
4 16 Масса расходуемого топлива тТ г 0 ... 1000 ±1%
5 17 Температура воды на сливе системы охлаждения ДВС Асл °С +20 ... +100 ±1%
6 18 Температура атмосферного воздуха в испытательном помещении ААТМ °С +10 ... +50 ±1%
7 19 Температура воды в испытательной емкости АВОД °С +10 ... +50 ±1%
8 20 Давление атмосферного воздуха в испытательном помещении Ратм кПа 84 ... 107 ±5%
9 21 Относительная влажность атмосферного воздуха в испытательном помещении ЯН % 30 ... 100 ±5%
*) - основная приведенная погрешность первичных преобразователей.
В состав информационно - измерительной подсистемы входят две группы измерителей физических величин.
К первой группе измерителей относятся:
■ тахогенератор 13 модели ТГП-3 (ОАО «Московский завод электромеханизмов»), измеряющий частоту Пкв вращения коленчатого вала ДВС ЛМ;
■ динамометры 14 и 15, обеспечивающие измерение крутящего момента МКВ на коленчатом вале и тягового усилия R гребного винта (первичные преобразователи динамометров это тензопреобразователи модели С05);
■ измеритель массы тТ расходуемого топлива, основными компонентами которого являются динамометрические весы 16 с первичным тензопреобразователем С05 и дополнительный топливный бак 23.
Выходные сигналы измерителей первой группы поступают в измерительный блок 22, в состав которого входят вторичные преобразователи и четыре табло цифровой индикации текущих значений частоты Пкв вращения коленвала, крутящего момента МКВ на коленвале, тягового усилия R гребного винта и массы тТ топлива в баке 23. Измерительный блок 22 масштабирует входные аналоговые сигналы и подает их в контроллер ПЛК 4.
Ко второй группе измерителей относятся только первичные преобразователи, выходные сигналы которых поступают непосредственно в контроллер ПЛК 4:
■ термопреобразователь 17 (модель ТСП 012.02 с защитной гильзой, СКБ «Термоприбор», г. Москва) для измерения температуры tCT воды на сливе системы охлаждения ДВС ЛМ 12;
■ термопреобразователь 18 (модель ТСП 012-03.02, без защитной гильзы) для измерения температуры ^ТМ атмосферного воздуха в испытательном помещении 2;
■ термопреобразователь 19 (модель ТСП-012.02-03.02 с защитной гильзой) для измерения температуры ^ОД воды в испытательной емкости 10;
■ первичный преобразователь 20 (модель 24PCCFA, фирма «Honeywell» Inc.) для измерения давления рАТМ атмосферного воздуха в испытательном помещении 2;
■ первичный преобразователь 21 (модель HIH-3602-L, фирма «Honeywell» Inc.) для измерения относительной влажности RH атмосферного воздуха в испытательном помещении 2.
Электромашинная подсистема испытательного комплекса АИК-1 предназначена для вращения коленчатого вала ДВС ЛМ при решении следующих задач:
■ автоматический запуск ДВС и определение скорости (частоты вращения) запуска - т. е. минимальной частоты вращения коленвала, необходимой для запуска ДВС;
■ автоматическое определение внешней скоростной характеристики ДВС.
Электромашинная подсистема выполнена в виде скоростного следящего привода (ССП)
переменного тока, который включает в себя следующие компоненты:
■ 3-х фазный асинхронный электродвигатель (АД) 24 модели 4АМ52П132 М4П5УХЛ4 (мощность 11 кВт, максимальная частота вращения 4000 об/мин), дополнительно оснащенный датчиками угла и скорости; АД установлен на стойке 11, вал АД ориентирован вертикально;
■ механическая передача (редуктор, маховик, кардан), с помощью которой вал АД соединяют с коленвалом испытываемого ЛМ 12;
■ усилитель 25 мощности, состоящий из преобразователя частоты модели Р-15 (НПО «Сапфир» г. Москва) и блока управления, специально разработанного ЦНИИАГ для задач, решаемых ССП в составе АИК-1;
■ блок 26 балластных резисторов, предназначенный для утилизации в теплоту электроэнергии, генерируемой ССП при уменьшении им крутящего момента нагрузки на ко-ленвале ДВС ЛМ в процессе определения внешней скоростной характеристики ДВС (предусмотрена также возможность рекуперации генерируемой электроэнергии в сеть, однако имеется опасение внесения помех недопустимого уровня, если электросеть имеет очень низкое качество);
■ пульт 27 местного управления, используемый при настройке некоторых характеристик ССП для различных моделей и модификаций лодочных моторов.
Блок-схема автоматизированного испытательного комплекса АИК-1 представлена на рис. 2, на котором сохранена нумерация позиций рис. 1. Схема раскрывает основные взаимосвязи отдельных модулей контроллера ПЛК 4 между собой и с другими компонентами испытательного комплекса.
На участке 8 лодочный мотор ЛМ 12 проходит предиспытательную подготовку - оснащается дополнительными узлами и устройствами в соответствии с технологией автоматизированных испытаний (мотор оснащается топливной арматурой для присоединения дополнительного топливного бака 23, на румпель ЛМ устанавливаются шаговый электродвигатель и редуктор привода 6 рукоятки газа и т. д.). Затем ЛМ устанавливается на транцевую доску гидромеханической подсистемы испытательного комплекса и к нему присоединяются элементы, необходимые для проведения данной категории испытаний (к коленвалу ДВС присоединяется кардан привода ССП, подсоединяется топливный бак 23 и т. д.). После включения подачи топлива все испытания выполняются в автоматизированном режиме (с участием оператора - испытателя нижнего уровня).
В ТУ на лодочные моторы предписано выполнение приемо-сдаточных и периодических испытаний.
Приемо-сдаточным испытаниям подвергается каждый выпускаемый лодочный мотор после технологического прогона и регулировки.
При приемо-сдаточных испытаниях контролируются и протоколируются следующие параметры лодочного мотора:
■ наименьшая устойчивая частота йКВНУ вращения коленвала ДВС;
■ максимальная частота пКВ.МАХ вращения коленвала ДВС;
■ зависимость АСЛ = _ДПКВ) температуры воды на сливе системы охлаждения ДВС от частоты вращения коленвала.
Также измеряются и протоколируются следующие параметры окружающей среды:
■ температура АВОД воды в испытательной емкости;
■ температура Аатм атмосферного воздуха в испытательном помещении;
■ давление рАТМ атмосферного воздуха в испытательном помещении;
■ относительная влажность ЯН атмосферного воздуха в испытательном помещении.
Электропитание ПЛК
(220 В, 50 Л/)
Информация о состоянии (замк./незамк.) конечных выключателей привода рукоятки газа
Рис. 2. Блок-схема автоматизированного испытательного комплекса АИК-1
http://www.technomag.edu.ru/doc/275638.html
7
Для проведения периодических испытаний отбираются моторы из числа прошедших приемо-сдаточные испытания. Периодичность и объем испытаний установлены в ТУ.
При периодических испытаниях контролируются (измеряются и, при необходимости, рассчитываются) и протоколируются следующие параметры лодочного мотора:
■ внешняя скоростная характеристика ДВС лодочного мотора, которая в соответствии с ГОСТ 14846-81 включает в себя функциональные зависимости от частоты вращения коленвала следующих величин:
МКВ = /(пКВ) - крутящего момента нагрузки на коленвале ДВС, N = /(Пщ) - мощности ДВС, ОТ = /(пКВ) - массового часового расхода топлива, g = /(пКВ) - удельного расхода топлива;
■ температура АСЛ воды на сливе системы охлаждения ДВС на некоторых стадиях испытаний;
■ параметры окружающей среды (аналогично приемо-сдаточным испытаниям);
■ максимальные значения МКВМАХ, N1^, ЯМАХ крутящего момента, мощности и тягового усилия;
■ эффективные значения частоты вращения коленвала ДВС (значения частоты вращения при максимальной мощности и максимальном тяговом усилии);
■ массовый часовой расход GТ топлива при максимальной мощности ДВС.
Помимо приемо-сдаточных и периодических испытаний автоматизированный комплекс АИК-1 позволяет выполнять различные специальные испытания. Для этого необходимо иметь (или дополнительно разработать) соответствующее прикладное программное обеспечение верхнего уровня испытательного комплекса.
К специальным испытаниям относятся, в частности, следующие:
■ аттестация нестандартных средств, каналов и систем измерения, используемых в испытательном комплексе;
■ обучение операторов - испытателей верхнего и нижнего уровней испытательных комплексов с имитацией различных, в том числе нештатных и аварийных, испытательных ситуаций;
■ исследовательские испытания, например, сравнительные испытания различных моделей и модификаций лодочных моторов, сравнительные испытания различных типов гребных винтов и т. д.;
■ демонстрационные (рекламные) испытания.
Представленный автоматизированный испытательный комплекс АИК-1 является основой для создания иных моделей и модификаций комплексов стендовых испытаний с высоким уровнем автоматизации. В перспективе мы видим возможность создания следующих моделей испытательных комплексов.
1. Автоматизированный испытательный комплекс, нижний уровень которого имеет несколько (4 . 6) испытательных емкостей. Процессы управления испытаниями на каждой емкости независимы друг от друга. Такой испытательный комплекс, в настоящее время, обеспечит потребности испытательного участка цеха, производящего лодочные моторы.
Комплекс будет иметь следующие особенности по отношению к комплексу АИК-1:
■ гидромеханическая и электромашинная подсистемы, привод рукоятки газа ЛМ, измерители параметров лодочного мотора, панель итОР оператора-испытателя нижнего уровня имеются у каждой испытательной емкости;
■ участок подготовки ЛМ, измерители параметров окружающей среды - общие для всего нижнего уровня испытательного комплекса;
■ состав верхнего уровня испытательного комплекса сохраняется (ПЛК и АРМ);
■ конфигурация контроллера иная (требуются дополнительные модули);
■ новое программное обеспечение верхнего уровня испытательного комплекса.
2. Автоматизированные комплексы для испытаний лодочных моторов мощностью более 5-и л. с. Такие комплексы отличаются от рассмотренных выше только мощностью электромашинной подсистемы, некоторыми конструктивными особенностями элементов нижнего уровня и программным обеспечением верхнего уровня испытательного комплекса.
Достоинства автоматизированных испытательных комплексов (по сравнению с неавтоматизированными) очевидны:
■ соответствие современному уровню автоматизации технологических процессов;
■ высокая точность и объективность результатов испытаний;
■ минимизация времени и сокращение стоимости проведения испытаний;
■ возможность проведения комплексных испытаний (одновременно по многим контролируемым параметрам) в течение малого периода времени;
■ высокая гибкость и переналаживаемость автоматизированного комплекса при изменении видов и объектов испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Универсальные программируемые промышленные контроллеры серии "ЭК-2000": Инструкция по эксплуатации. - М. Эмикон, 1994. - 30 с.
2. Интегрированная система разработки прикладного программного обеспечения CONT -Designer: Руководство пользователя / Сост. А. В. Алексеев. - М.: Эмикон, 1990. - 109 с.
3. Интегрированная система разработки прикладного программного обеспечения CONT -Designer for Windows: Руководство программиста / Сост. А. В. Алексеев. - М.: Эмикон, 2006. -70 с.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
Компьютеризированный комплекс для испытаний лодочных моторов
77-30569/275638
# 12, December 2011 Belyakov V.I., Graf V.A.
Bauman Moscow State Technical University [email protected] [email protected]
The authors studied a complex for acceptance, periodic and a number of special tests of boat motors which have a power of up to 5hp on the basis of using a personal computer and industrial logical controller on FGUP "MMPP" "Salut". The test complex consists of hydromechanical, information-measuring and dynamoelectric subsystems, drive of the gas handle, section of boat motors preparation. Hydromechanical subsystem contains a test counter with a force measuring transom board. The information-measuring subsystem contains gauges of boat motor physical quantities and of environment (9 gauges: frequency of rotation of the crankshaft of internal combustion engine; thrust of screw propeller; temperature of the water in discharge; and others). The basis of the dynamoelectric subsystem is a high-speed servomechanism of alternating current. Advantages of the test complex are the following: high accuracy and objectivity; minimization of time and reduction of the cost of tests; possibility of conducting complex tests during a short period of time.
Publications with keywords: test, outboard motors, computerized complex Publications with words: test, outboard motors, computerized complex
Reference
1. Universal programmable industrial controllers of series "PS-2000", Moscow, Emikon, 1994, 30 p.
2. A. V. Alekseev, The integrated system of the development of application software CONT - De-
signer: user's Guide, Moscow, Emikon, 1990, 109 p.
3. A. V. Alekseev, The integrated system of the development of application software CONT - De-
signerforWindows: the programmer's Guide, Moscow, Emikon, 2006, 70 p.
