基于PLC的嵌入式車輛尾氣自動(dòng)檢測系統(tǒng)

一、系統(tǒng)綜述

整個(gè)系統(tǒng)由中央控制單元、底盤測功機(jī)、尾氣取樣單元、分析儀器單元以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。首先底盤測功機(jī)模擬汽車的工況，然后尾氣取樣系統(tǒng)對樣氣進(jìn)行精確的定量采集，最后由分析儀器單元對樣氣中的污染物濃度加以定量檢測，中央控制單元實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。其中中央控制單元采用嵌入式系統(tǒng)作為核心控制單元，系統(tǒng)操作站為運(yùn)行WIndows CE嵌入式操作系統(tǒng)和組態(tài)王6.0嵌入版組態(tài)軟件的工控機(jī)，負(fù)責(zé)發(fā)布命令給作為現(xiàn)場控制及命令執(zhí)行元件的PLC。同時(shí)工控機(jī)與遠(yuǎn)程上位PC之間采用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

精簡的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)使運(yùn)行于該操作系統(tǒng)上的嵌入版組態(tài)王6.0組態(tài)軟件的執(zhí)行效率很高，完全可以滿足設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行的需要。

（一）工作原理

圖1 汽車尾氣檢測系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。打開引擎的汽車在底盤測功機(jī)上模擬各種行駛工況，其尾氣排放的污染物在鼓風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)環(huán)境空氣濾清器后進(jìn)入尾氣取樣系統(tǒng)采樣器，進(jìn)行定容稀釋取樣（CVS）。分析儀器分別從背景氣袋中、稀釋排氣氣袋取樣氣進(jìn)行分析，測量得出污染物的體積濃度。汽車尾氣中污染物的排放值由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

m_i=1/S*V*d_i*c_i/10⁶ （i for HC、NOx、CO）

式中：m_i一排出的污染物的質(zhì)量；S一行使距離；V一溫度為273K，大氣壓力為101.33KPa的基準(zhǔn)條件下稀釋排氣總?cè)莘e，單位：m³；d_i―各種污染物在溫度273K，大氣壓力101.33 KPa時(shí)的密度；d_co=1.25kg／m³；d_HC=0.619kg／m³；d_NO2=2.05kg／m³（排氣中NO_x的濃度用NO₂當(dāng)量表示）；c_i ―稀釋排氣中污染物的容積濃度，10^-6。

（二）控制系統(tǒng)的工作過程

工控機(jī)通過CVS系統(tǒng)和分析單元的傳感器獲取測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為符合RS-485規(guī)范的數(shù)字信號(hào)，傳送給觸摸屏，觸摸屏將測量數(shù)據(jù)通過TCP／IP協(xié)議傳送給PC機(jī)（上位機(jī)），完成數(shù)據(jù)處理工作。同時(shí)，觸摸屏根據(jù)采集信號(hào)的數(shù)值判斷目前的工作狀態(tài)，將控制指令發(fā)送給分析單元和CVS系統(tǒng)的PLC。分析單元的PLC主要完成對分析儀器進(jìn)行一系列氣路切換、量程轉(zhuǎn)換的操作，CVS系統(tǒng)PLC主要對CVS進(jìn)行流程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗、采樣等一系列功能?？刂浦噶罱?jīng)PLC處理后，轉(zhuǎn)換為直接的繼電器開閉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉CVS系統(tǒng)電磁閥、取樣泵的任務(wù)。另外，配電箱還為風(fēng)機(jī)提供了380V動(dòng)力電的開關(guān)，可手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

二、系統(tǒng)硬件組成

為了確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，本文選用了工控領(lǐng)域中穩(wěn)定可靠的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)作為工控機(jī)的控制核心。數(shù)據(jù)采集模塊、PLC、繼電器等元件性能穩(wěn)定，采集和控制精度高，響應(yīng)速度快。

（一）工控機(jī)

作為操作站的工控機(jī)基于嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE和嵌入式組態(tài)軟件組態(tài)王6.0（128點(diǎn)）開發(fā)的客戶端應(yīng)用程序。Windows CE嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)越性在于其設(shè)備管理簡單高效，支持不同類別的設(shè)備，支持即插即用的管理模式和設(shè)備節(jié)能控制；處理系統(tǒng)的輸入輸出具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

組態(tài)王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，由于組態(tài)王嵌入版6．0的穩(wěn)定性較高，占用系統(tǒng)資源較小，組態(tài)軟件本身提供大量通用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，開發(fā)周期短，故選用組態(tài)王嵌入版6.0作為開發(fā)工具。

硬件選用的是ADVANTECH-研華TPC064觸摸屏（嵌入式一體化工控機(jī)），其主要系統(tǒng)參數(shù)如下：

液晶顯示器尺寸：5.7"TFT；CPU主頻：ARM9266MHz；內(nèi)存：64M；CF卡：64M。

觸摸屏對外數(shù)據(jù)傳輸接口主要有四個(gè)RS232接口、兩個(gè)RS485接口、一個(gè)USB接口，1個(gè)10／100M網(wǎng)絡(luò)接口。

采用工控機(jī)的方式，可多串口輸入，處理速度快、效率高，而且觸摸屏有良好的人機(jī)對話界面，操作簡便、直觀，滿足了檢測設(shè)備實(shí)時(shí)操作和實(shí)時(shí)顯示的功能。

（二）PLC

本文選用SIMATIC S7-200系列PLC，主模塊與工控機(jī)通過RS-232串口通訊，用step7-Microwin實(shí)現(xiàn)軟件編程。PLC作為一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場設(shè)備，具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、通訊和編程方便、結(jié)構(gòu)模塊化的特點(diǎn)。

PLC執(zhí)行操作站發(fā)出的指令并進(jìn)行報(bào)警處理等簡單的運(yùn)算。整個(gè)系統(tǒng)中PLC控制的硬件開關(guān)量共有24個(gè)，其中分析儀器單元有5個(gè)三通電磁閥和一個(gè)取樣泵，CVS單元有7個(gè)兩通電磁閥、8個(gè)三通電磁閥和三個(gè)泵。

（三）傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)中分析儀器單元測量濃度值經(jīng)后面板的輸出端子以模擬量輸出，CVS單元的流量計(jì)量單元測量數(shù)據(jù)由傳感器以模擬量輸出，具體的傳感器包括：

標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計(jì)：BYW-S-80，4 m³／min～8 m³／min，噴管直徑80mm，用于主流道恒定流量測量；

數(shù)字壓力變送器：BYD-8，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計(jì)前端壓力測量，輸出信號(hào)4 mA～20mA DC，24V；

電容式壓差變送器：1151DP3E22M183，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計(jì)前端、后端壓力差測量，輸出信號(hào)4-20mA DC，24V；

防爆型數(shù)字溫度變送器：BWD-8，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計(jì)后端溫度測量，輸出信號(hào)4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；

壓力變送器：CS20FUCIIIERC₃L_m（3）A，用于控制樣氣取樣袋壓力并保護(hù)之，輸出信號(hào)4 mA ～20mA DC，供電范圍15 V ～28VDC。

數(shù)據(jù)采集模塊：研華16通道A／D PCL-818數(shù)據(jù)采集卡。

（四）通訊模塊

系統(tǒng)通訊方式分為兩種：串口通訊和TCP／IP協(xié)議通訊。PLC和數(shù)據(jù)采集模塊與工控機(jī)之間為串口通訊；工控機(jī)與PC機(jī)之間采用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通訊。硬件參數(shù)如下：工控機(jī)網(wǎng)卡：1個(gè)10／100M網(wǎng)絡(luò)接口；PC機(jī)網(wǎng)卡-TP-LINK，100M。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本嵌入式控制系統(tǒng)的編程分為兩部分，一是PLC軟件編程，實(shí)現(xiàn)對工作單元的現(xiàn)場控制；二是操作站觸摸屏的編程，觸摸屏根據(jù)傳感器獲取的測量數(shù)據(jù)判斷目前的工作狀態(tài)，然后將控制指令發(fā)送給各單元的PLC，同時(shí)生成交互式的人機(jī)對話界面。

（一）PLC編程

1．控制流程描述

分析儀器單元的PLC負(fù)責(zé)氣路和量程切換的操作，CVS單元的PLC主要對CVS系統(tǒng)進(jìn)行流程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗、自動(dòng)采樣等一系列功能控制。以CVS系統(tǒng)為例，PLC首先控制CVS單元排氣過程，將氣囊中的廢氣排空；然后控制清洗過程，進(jìn)行管路清洗；最后控制自動(dòng)采樣，將背景氣體和稀釋氣體分別抽到兩個(gè)氣囊，為分析儀器的氣體分析做好準(zhǔn)備。上述過程主要包含對泵、閥開關(guān)和定時(shí)延時(shí)的控制?？刂七^程如圖3所示。

圖3 CVS系統(tǒng)PLC控制流程臣

2．控制程序

整個(gè)控制程序我們采用程序代碼編程，它較之梯形圖、功能模塊靈活、方便，結(jié)構(gòu)緊湊。主程序模塊為：

LD SM0.1 ／／初始化，調(diào)用子程序0

CALL SBR_0

S M2.0，4 ／／設(shè)置程序執(zhí)行標(biāo)志位

LD M0.1 ／／啟用等待程序

A M2.0 ／／M2．0設(shè)為1

LPS

LD M8.1 ／／有復(fù)位請求

ALD

CALL SBR_I／／調(diào)用子程序1

／／SBR_0：

LD SM0.0

…．． ／／初始化泵閥狀態(tài)

CRET

，，SBR_I：

LD SM0.0

LD M3.0

…．． ／／控制CVS工作流程

CRET

（二）觸摸屏控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中操作站我們采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)交互式人機(jī)對話。包括5個(gè)主要界面：系統(tǒng)主界面、CVS界面、分析儀器界面、報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)查詢打印界面、手動(dòng)界面。設(shè)計(jì)以按鈕形式簡便、直觀地來控制PLC運(yùn)行，有顯示操作狀態(tài)和數(shù)據(jù)、故障報(bào)警以及報(bào)表查詢等功能。

四、結(jié)束語

整個(gè)系統(tǒng)完全滿足汽車生產(chǎn)廠家現(xiàn)場監(jiān)測汽車尾氣污染物含量的要求。通過簡單直觀的人機(jī)對話界面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作，克服以往監(jiān)測系統(tǒng)可靠性低、故障率高、操作復(fù)效率低等缺點(diǎn)，從而有效地提高了我國汽車生產(chǎn)廠家生產(chǎn)管理水平。