基于PLC的嵌入式車(chē)輛尾氣自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

　　目前，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染進(jìn)行有效控制已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)，需要在生產(chǎn)中對(duì)汽車(chē)尾氣污染物進(jìn)行檢測(cè)。

　　本文就一種符合EU-2標(biāo)準(zhǔn)，基于嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)和組態(tài)王6.0組態(tài)軟件的集工況模擬、樣氣采集、樣氣分析于一體的汽車(chē)尾氣污染物智能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

　　一、系統(tǒng)綜述

　　整個(gè)系統(tǒng)由中央控制單元、底盤(pán)測(cè)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(pán)測(cè)功機(jī)模擬汽車(chē)的工況，然后尾氣取樣系統(tǒng)對(duì)樣氣進(jìn)行精確的定量采集，最后由分析儀器單元對(duì)樣氣中的污染物濃度加以定量檢測(cè)，中央控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)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(mǎn)足設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要。

　　(一)工作原理

　　圖1 汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

　　系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。打開(kāi)引擎的汽車(chē)在底盤(pán)測(cè)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(cè)量得出污染物的體積濃度。汽車(chē)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(guò)程

　　工控機(jī)通過(guò)CVS系統(tǒng)和分析單元的傳感器獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)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(duì)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(duì)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(kāi)閉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)打開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)的客戶(hù)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(jiǎn)單高效，支持不同類(lèi)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(kāi)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(kāi)發(fā)周期短，故選用組態(tài)王嵌入版6.0作為開(kāi)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(duì)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(duì)話(huà)界面，操作簡(jiǎn)便、直觀，滿(mǎn)足了檢測(cè)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(guò)RS-232串口通訊，用step7-Microwin實(shí)現(xiàn)軟件編程。PLC作為一種專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單的運(yùn)算。整個(gè)系統(tǒng)中PLC控制的硬件開(kāi)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)量;

　　數(shù)字壓力變送器：BYD-8，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)前端壓力測(cè)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(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)前端、后端壓力差測(cè)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(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)后端溫度測(cè)量，輸出信號(hào)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(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。