基于嵌入式PLC車輛尾氣自動檢測系統(tǒng)

1、基于嵌入式PLC車輛尾氣自動檢測系統(tǒng)目前，實現對機動車排放污染進行有效控制已成為我國環(huán)境保護一項刻不容緩的任務，需要在生產中對汽車尾氣污染物進行檢測。本文就一種符合EU-2標準，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尾氣污染物智能檢測系統(tǒng)進行介紹。 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輔助設備組成。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，中央控制單元實現對整個系統(tǒng)的自動控制。其中中央控制單元采用嵌入式

2、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，負責發(fā)布命令給作為現場控制及命令執(zhí)行元件的PLC。同時工控機與遠程上位PC之間采用TCPIP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，完全可以滿足設備現場運行的需要。 （一）工作原理系統(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機作用下經環(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

3、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量；S一行使距離；V一溫度為273K，大氣壓力為101.33KPa的基準條件下稀釋排氣總容積，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=1.25kgm3；dHC=0.619kgm3；dNO2=2.05kgm3（排氣中NOx的濃度用NO2當量表示）；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據，通過數據采集

4、模塊轉換為符合RS-485規(guī)范的數字信號，傳送給觸摸屏，觸摸屏將測量數據通過TCPIP協(xié)議傳送給PC機（上位機），完成數據處理工作。同時，觸摸屏根據采集信號的數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、量程轉換的操作，CVS系統(tǒng)PLC主要對CVS進行流程控制，實現自動清洗、采樣等一系列功能?？刂浦噶罱汸LC處理后，轉換為直接的繼電器開閉信號，實現打開和關閉CVS系統(tǒng)電磁閥、取樣泵的任務。另外，配電箱還為風機提供了380V動力電的開關，可手動控制風機的啟動與停止?？刂葡到y(tǒng)結構框圖如圖2所示。 二、系統(tǒng)硬件組成為了確保

5、系統(tǒng)的準確性和可靠性，本文選用了工控領域中穩(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。數據采集模塊、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)的客戶端應用程序。Windows CE嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)越性在于其設備管理簡單高效，支持不同類別的設備，支持即插即用的管理模式和設備節(jié)能控制；處理系統(tǒng)的輸入輸出具有實時響應能力。 nbsp; 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60的穩(wěn)定性較高，占用系統(tǒng)資源較小，組態(tài)軟件本

6、身提供大量通用設備的驅動程序，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)參數如下： 液晶顯示器尺寸：5.7TFT；CPU主頻：ARM9266MHz；內存：64M；CF卡：64M。觸摸屏對外數據傳輸接口主要有四個RS232接口、兩個RS485接口、一個USB接口，1個10100M網絡接口。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

7、機通過RS-232串口通訊，用step7-Microwin實現軟件編程。PLC作為一種專門用于工業(yè)生產過程控制的現場設備，具有可靠性高、適應性強、通訊和編程方便、結構模塊化的特點。 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）傳感器與數據采集模塊系統(tǒng)中分析儀器單元測量濃度值經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據由傳感器以模擬量輸出，具體的傳感器包括： 標準長徑噴嘴流量計：BYW-S-80，4 m3min8 m3

8、min，噴管直徑80mm，用于主流道恒定流量測量； 數字壓力變送器：BYD-8，標準長徑噴嘴流量計前端壓力測量，輸出信號4 mA20mA DC，24V； 電容式壓差變送器：1151DP3E22M183，標準長徑噴嘴流量計前端、后端壓力差測量，輸出信號4-20mA DC，24V； 防爆型數字溫度變送器：BWD-8，標準長徑噴嘴流量計后端溫度測量，輸出信號4 mA 20mA DC，24V，量程050； 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。 數據采集模塊：研華16通道AD PCL-818

9、數據采集卡。（四）通訊模塊 系統(tǒng)通訊方式分為兩種：串口通訊和TCPIP協(xié)議通訊。PLC和數據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TCPIP協(xié)議進行通訊。硬件參數如下：工控機網卡：1個10100M網絡接口；PC機網卡-TP-LINK，100M。 三、系統(tǒng)軟件設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，實現對工作單元的現場控制；二是操作站觸摸屏的編程，觸摸屏根據傳感器獲取的測量數據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。 1控制流程描述 分析儀器單元的PLC負責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備。上述過程主要包含對泵、閥開關和定時延時的控制?？刂七^程如圖3所示。 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，結構緊湊。主程序模塊為： （二）觸摸屏控制程序設計系統(tǒng)中操作站我們采用觸摸屏實現交互式人機對話。包括5個主要界面：系統(tǒng)主界面、CVS界面、分析儀器界面、報表和歷史數據查詢打印界面、手動界