基于PLC的嵌入式車輛尾氣自動檢測系統(tǒng)
一、系統(tǒng)綜述
整個系統(tǒng)由中央控制單元、底盤測功機、尾氣取樣單元、分析儀器單元以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。首先底盤測功機模擬汽車的工況，然后尾氣取樣系統(tǒng)對樣氣進行精確的定量采集，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，中央控制單元實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動控制。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，負責(zé)發(fā)布命令給作為現(xiàn)場控制及命令執(zhí)行元件的PLC。同時工控機與遠程上位PC之間采用TCP／IP協(xié)議進行通訊。
精簡的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)使運行于該操作系統(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上模擬各種行駛工況，其尾氣排放的污染物在鼓風(fēng)機作用下經(jīng)環(huán)境空氣濾清器后進入尾氣取樣系統(tǒng)采樣器，進行定容稀釋取樣（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行計算：
mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）
式中：mi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；di—各種污染物在溫度273K，大氣壓力101.33 KPa時的密度；dco=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排氣中NOx的濃度用NO2當(dāng)量表示）；ci —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，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（上位機），完成數(shù)據(jù)處理工作。同時，觸摸屏根據(jù)采集信號的數(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進行流程控制，實現(xiàn)自動清洗、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，實現(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)機提供了380V動力電的開關(guān)，可手動控制風(fēng)機的啟動與停止?？刂葡到y(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
作為操作站的工控機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）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)的輸入輸出具有實時響應(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，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），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RS232接口、兩個RS485接口、一個USB接口，1個10／100M網(wǎng)絡(luò)接口。
采用工控機的方式，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對話界面，操作簡便、直觀，滿足了檢測設(shè)備實時操作和實時顯示的功能。
（二）PLC
本文選用SIMATIC S7-200系列PLC，主模塊與工控機通過RS-232串口通訊，用step7-Microwin實現(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、通訊和編程方便、結(jié)構(gòu)模塊化的特點。
PLC執(zhí)行操作站發(fā)出的指令并進行報警處理等簡單的運算。整個系統(tǒng)中PLC控制的硬件開關(guān)量共有24個，其中分析儀器單元有5個三通電磁閥和一個取樣泵，CVS單元有7個兩通電磁閥、8個三通電磁閥和三個泵。
（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：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)長徑噴嘴流量計前端壓力測量，輸出信號4 mA～20mA DC，24V；
電容式壓差變送器：1151DP3E22M183，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計前端、后端壓力差測量，輸出信號4-20mA DC，24V；
防爆型數(shù)字溫度變送器：BWD-8，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計后端溫度測量，輸出信號4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；
壓力變送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制樣氣取樣袋壓力并保護之，輸出信號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)采集模塊與工控機之間為串口通訊；工控機與PC機之間采用TCP／IP協(xié)議進行通訊。硬件參數(shù)如下：工控機網(wǎng)卡：1個10／100M網(wǎng)絡(luò)接口；PC機網(wǎng)卡-TP-LINK，100M。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計
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，同時生成交互式的人機對話界面。
（一）PLC編程
1．控制流程描述
分析儀器單元的PLC負責(zé)氣路和量程切換的操作，CVS單元的PLC主要對CVS系統(tǒng)進行流程控制，實現(xiàn)自動清洗、自動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，進行管路清洗；最后控制自動采樣，將背景氣體和稀釋氣體分別抽到兩個氣囊，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)和定時延時的控制。控制過程如圖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
系統(tǒng)中操作站我們采用觸摸屏實現(xiàn)交互式人機對話。包括5個主要界面：系統(tǒng)主界面、CVS界面、分析儀器界面、報表和歷史數(shù)據(jù)查詢打印界面、手動界面。設(shè)計以按鈕形式簡便、直觀地來控制PLC運行，有顯示操作狀態(tài)和數(shù)據(jù)、故障報警以及報表查詢等功能。
四、結(jié)束語
整個系統(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對話界面實現(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，從而有效地提高了我國汽車生產(chǎn)廠家生產(chǎn)管理水平。
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