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(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:
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(shí)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(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,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(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動力電的開關(guān),可手動控制風(fēng)機(jī)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(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,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(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(hù)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(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(jìn)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(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。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(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。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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