張鐵壁 孫士尉 夏國(guó)明 馬曉輝 張學(xué)軍

(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校，河北 滄州 061001)

0 引言

汽車燃油加熱器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測(cè)試加熱器出廠前的各類參數(shù)。使用該系統(tǒng)前，員工手動(dòng)抄錄不同類型加熱器的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。由于現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示的數(shù)據(jù)存在浮動(dòng)，因此，很難準(zhǔn)確記錄各項(xiàng)參數(shù)[1];此外，一些員工由于責(zé)任心不強(qiáng)，不能檢出不合格的產(chǎn)品，也給企業(yè)的聲譽(yù)帶來了一定的負(fù)面影響。基于這些問題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于將數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析并判定檢測(cè)產(chǎn)品是否合格;最后將員工的信息存入到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)，使產(chǎn)品編碼與檢測(cè)員工的信息做到一一對(duì)應(yīng)，以備日后調(diào)用、處理和分析。

1 加熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 加熱器的結(jié)構(gòu)組成

汽車燃油加熱器由供油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒器、點(diǎn)火系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成[2]。其中，供油系統(tǒng)由燃油箱(即車用油箱)、燃油濾清器、燃油管、低壓油泵(離心或蒸發(fā)式燃燒器)、高壓油泵、噴油嘴以及回油管(噴射式燃燒器)等構(gòu)成。進(jìn)排氣系統(tǒng)包括助燃空氣進(jìn)氣濾網(wǎng)、進(jìn)氣量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)氣消音器、助燃風(fēng)扇、風(fēng)扇電機(jī)、排氣管及排氣消聲器等。點(diǎn)火系統(tǒng)用于對(duì)噴射式燃燒器，一般配用點(diǎn)火電極和高壓線圈等。供熱系統(tǒng)包括水泵、循環(huán)水管、熱交換器等。控制系統(tǒng)包括控制器、點(diǎn)火傳感器、過熱傳感器、水溫傳感器、開關(guān)等。

1.2 加熱器的工作原理

加熱器工作原理具體如下。啟動(dòng)時(shí)，控制器首先對(duì)加熱器進(jìn)行自檢，循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 min后，電機(jī)低速運(yùn)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)助燃風(fēng)扇和高壓燃油泵工作;接著點(diǎn)火電極以一定的頻率連續(xù)跳火;隨后電磁閥打開，呈霧狀的高壓燃油以圓錐狀由噴嘴噴出，并與進(jìn)入燃燒室中的助燃空氣混合燃燒;傳感器感知著火后，點(diǎn)火電極停止工作，此時(shí)燃燒器依靠燃燒室中部分高溫燃?xì)饣亓鼽c(diǎn)燃混合氣，并持續(xù)燃燒，電機(jī)升至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，加熱器進(jìn)入正常工作狀態(tài);最后燃燒的高溫廢氣由燃燒室折返，經(jīng)換熱器散熱后從排氣管排入大氣，熱交換器水腔中的載熱介質(zhì)水將熱量源源不斷地輸送給相應(yīng)汽車，從而實(shí)行供熱。

2 采集系統(tǒng)的整體功能

采集系統(tǒng)由上位機(jī)和檢測(cè)臺(tái)兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)一共有14個(gè)工位，即有14套檢測(cè)臺(tái)。1號(hào)檢測(cè)臺(tái)的RS-485通信口經(jīng)過RS-232轉(zhuǎn)換后連接到上位機(jī)的COM1口;1～14號(hào)檢測(cè)臺(tái)之間通過RS-485通信口以菊花鏈的形式連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Stnucture diagram of system

系統(tǒng)首先通過上位機(jī)設(shè)定員工的編號(hào)和產(chǎn)品的編號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏輸入當(dāng)班員工編號(hào)以及產(chǎn)品編號(hào);與上位機(jī)比對(duì)無誤后，發(fā)出測(cè)試指令，員工在現(xiàn)場(chǎng)按下測(cè)試按鈕，系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)結(jié)果分析。測(cè)試結(jié)束后，將測(cè)試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳送到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在現(xiàn)場(chǎng)顯示產(chǎn)品是否合格?，F(xiàn)場(chǎng)配置了多個(gè)傳感器和測(cè)量?jī)x表，用于測(cè)量加熱器的各項(xiàng)參數(shù)，包括電壓、電流、進(jìn)水口溫度、出水口溫度、排氣溫度、排氣煙度、系統(tǒng)壓力、水流量、耗油量等。通過現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏，不僅可以對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而且可以查詢不合格產(chǎn)品的記錄。設(shè)定參數(shù)必須由管理員進(jìn)行設(shè)定。

3 檢測(cè)臺(tái)設(shè)計(jì)

檢測(cè)臺(tái)的構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)臺(tái)構(gòu)成框圖Fig.2 Composition of the test bench

3.1 檢測(cè)臺(tái)硬件介紹

由于系統(tǒng)需要測(cè)量的模擬量較多，所以選擇了性價(jià)比較高的信捷PLC XC3-19AR-E。它集邏輯控制、模擬量輸入輸出于一體，具有9點(diǎn)開關(guān)量輸入、10點(diǎn)開關(guān)量輸出、8點(diǎn)模擬量輸入、2點(diǎn)模擬量輸出，并支持3路AB相輸入和4路高速計(jì)數(shù)。

BC-6800激光條碼掃描槍是北京標(biāo)識(shí)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一款設(shè)計(jì)精巧時(shí)尚、性能優(yōu)良穩(wěn)定的激光條碼閱讀器，其外形符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，內(nèi)部機(jī)芯采用日本技術(shù)生產(chǎn)。它能快速準(zhǔn)確閱讀所有一維條碼，其超強(qiáng)的解碼系統(tǒng)能非常有效地閱讀殘缺碼、模糊碼，特別適用于超市、倉(cāng)儲(chǔ)物流、商業(yè)POS系統(tǒng)以及生產(chǎn)制造業(yè)。

觸摸屏選用昆侖電子科技有限公司生產(chǎn)的TPC1062K電阻式觸摸屏。該觸摸屏是10.2英寸(1英寸=25.4 mm)TFT液晶顯示、真彩LED背光、分辨率為800×480、顯示顏色為65 535色、背光壽命可達(dá)到50 000 h、內(nèi)存64 MB SDRAM。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

檢測(cè)臺(tái)中的數(shù)據(jù)采集模塊主要包含電壓、電流、溫度、排氣煙度、系統(tǒng)壓力、水流量、耗油量等數(shù)據(jù)采集部分。檢測(cè)器的工作電壓一般為24 VDC或12 VDC，系統(tǒng)采用分壓器將電壓調(diào)整到0～10 V的范圍后輸入到PLC的模擬量輸入端VI0。電流模塊采用霍爾式直流電流變送器，被測(cè)直流電流與輸出信號(hào)之間采用電氣隔離。該模塊將系統(tǒng)的直流電流轉(zhuǎn)換為0～5 V的直流輸出信號(hào)，發(fā)送到PLC的VI1端。

溫度檢測(cè)包括進(jìn)水口、出水口和加熱器的排氣溫度檢測(cè)。進(jìn)出水口溫度檢測(cè)采用的是熱電阻Pt100，工作溫度范圍為0～98℃;排氣溫度選擇的是K型熱電偶，工作溫度范圍為200～300℃。該部分選擇相應(yīng)的溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號(hào)。循環(huán)水管壓力范圍為0～0.6 MPa，輸出信號(hào)為0～20 mA電流，經(jīng)250 Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送至PLC。對(duì)應(yīng)的PLC模擬輸入端分別為VI3～VI6。

水流量檢測(cè)模塊將脈沖信號(hào)通過光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送入PLC的高速脈沖輸入端X1。耗油量模塊輸出的也是脈沖，但是脈沖頻率較低，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接送到PLC的輸入端X4。編制程序按照每20 ms采樣輸入的脈沖個(gè)數(shù)，并計(jì)算出每秒相應(yīng)的脈沖頻率。

排氣煙度由排氣煙度計(jì)直接輸出電壓信號(hào)，并輸入到PLC的VI2端。經(jīng)計(jì)算得到煙度的波許值計(jì)算公式為：

式中：x為煙度計(jì)輸出的電壓;y為煙度的波許值。

額定放熱量是加熱器的一個(gè)重要參數(shù)，是衡量被測(cè)加熱器額定放熱量是否合格的依據(jù)。該值與進(jìn)出口溫度差、水流量、水的密度等參數(shù)有關(guān)，具體計(jì)算公式為：

式中：P為額定放熱量，kW;c為水的比熱，kJ/kg·K;Q為水流量，m3/s;ρ為水的密度，kg/m3;t1為進(jìn)口水溫，℃或K;t2為出口水溫，℃或K。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件、觸摸屏軟件和PLC程序等3部分。

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用VC編寫，主要完成以下幾項(xiàng)工作。

①進(jìn)行員工以及產(chǎn)品型號(hào)確認(rèn)。工作時(shí)首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)員工輸入的個(gè)人編號(hào)確認(rèn)是否正確，若不正確，返回輸入錯(cuò)誤的信息;如果正確，觸摸屏直接進(jìn)入下一屏。按照觸摸屏的提示，用掃描槍掃描被檢測(cè)的加熱器的條形碼，條形碼信息通過PLC傳送到上位機(jī)進(jìn)行型號(hào)驗(yàn)證，如果正確，則進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)試;否則員工不能進(jìn)行檢測(cè)，返回信息提示型號(hào)錯(cuò)誤，需要重新掃描。

②根據(jù)加熱器編號(hào)自動(dòng)生成額定放熱量、油耗相應(yīng)的上下限，并發(fā)送給PLC。

③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。所有被檢測(cè)的加熱器信息，都以Excel的格式自動(dòng)存儲(chǔ)在上位機(jī)中，包括各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否合格、哪項(xiàng)參數(shù)不合格等信息，以備查詢。

4.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏主要完成以下3項(xiàng)功能：①用來輸入個(gè)人信息和產(chǎn)品編號(hào)，并查詢不合格產(chǎn)品的記錄;②進(jìn)行加熱器各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的上下限以及其他參數(shù)的設(shè)定，該參數(shù)設(shè)定設(shè)置了密碼，只有管理人員才可以進(jìn)行相關(guān)設(shè)定;③企業(yè)員工可以隨時(shí)查看各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示畫面。

4.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、放熱量計(jì)算以及波許值計(jì)算等。由于加熱器各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)是在加熱器工作達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行的，采集的時(shí)間也不是全過程。因此，可以進(jìn)行時(shí)間設(shè)定。一般地，當(dāng)溫度大于50℃(該溫度可以通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定)時(shí)就可以進(jìn)行采集。采集時(shí)間一般設(shè)定為120 s，檢測(cè)溫度值和設(shè)定時(shí)間通過觸摸屏來完成。為保證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)每隔10 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均值。當(dāng)設(shè)定時(shí)間到達(dá)后，向上位機(jī)發(fā)出測(cè)試結(jié)束命令，上位機(jī)讀取各項(xiàng)參數(shù)，并為下一次測(cè)試做好準(zhǔn)備。

程序的初始化包括建立與觸摸屏/上位機(jī)的通信連接、參數(shù)上下限設(shè)定、測(cè)試時(shí)間設(shè)定、標(biāo)志位初始化等內(nèi)容。當(dāng)測(cè)試時(shí)間到達(dá)后，置上位機(jī)讀取標(biāo)志位，并結(jié)束該次測(cè)試，等待輸入下一個(gè)產(chǎn)品的編號(hào)，從而為下一次測(cè)試做好準(zhǔn)備。具體程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 The flowchart of program

5 數(shù)據(jù)處理

由于系統(tǒng)模擬量較多，涉及電壓、電流、溫度、壓力、煙度、流量等多個(gè)模擬量的采集，所以對(duì)于所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理尤為重要。除進(jìn)出水口溫度外，其余數(shù)據(jù)均輸入到PLC的模擬量輸入端，得到的數(shù)字量基本達(dá)到了系統(tǒng)要求的精度，后續(xù)只需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定即可。由于額定放熱量的計(jì)算與進(jìn)出口水溫差有直接的關(guān)系，而額定放熱量又是衡量加熱器是否合格的一個(gè)重要參數(shù)，因此進(jìn)出水口溫度的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。實(shí)際過程中，溫度變送器的輸出已經(jīng)近似為線性，但是仍不能滿足精度要求，所以需要用軟件進(jìn)行測(cè)量誤差補(bǔ)償[3]。

溫度的軟件補(bǔ)償方法有很多，常用的有插值法、查表法以及最小二乘法等[4－7]。本文采用最小二乘法對(duì)進(jìn)出水口的溫度進(jìn)行線性化補(bǔ)償處理。由于進(jìn)出水口溫度采用的是同一種熱電阻，因此處理方法相同。為提高擬合多項(xiàng)式的精度，選用三次多項(xiàng)式作為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：y為實(shí)際溫度值，℃;x為測(cè)量溫度值，℃;a0、a1、a2、a3為待定系數(shù)。

加熱器測(cè)試的水溫范圍為0～100℃，而額定放熱量的測(cè)試溫度一般都為50～70℃，所以在0～100℃內(nèi)側(cè)重選取了一系列的溫度參考點(diǎn)，而在50～70℃范圍內(nèi)每隔2℃選取一個(gè)點(diǎn);其余每隔5℃選取一個(gè)點(diǎn)，一共選取了28個(gè)點(diǎn)作為yi。對(duì)這28個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量得到的28個(gè)數(shù)據(jù)作為多項(xiàng)式擬合的數(shù)據(jù)源xi。根據(jù)最小項(xiàng)擬合多項(xiàng)式的原理[7]，可得：

把數(shù)據(jù)源參數(shù)代入式(4)，計(jì)算出 a0、a1、a2、a3的值，即得到擬合的多項(xiàng)式表達(dá)式為：

式中：T為擬合后的溫度值;Tr為經(jīng)過變送器輸出以后的標(biāo)定值。

將式(5)編制成一個(gè)插值子程序，PLC把采樣的測(cè)量平均值Tr代入即可求得對(duì)應(yīng)的溫度值T。在0～100℃范圍內(nèi)，采用式(5)計(jì)算得到的溫度誤差很小，最大值誤差為0.110 9 K。當(dāng)4號(hào)檢測(cè)臺(tái)的功率分別為19.8 kW、6.8 kW時(shí)，加熱器測(cè)試數(shù)據(jù)與利用最小二乘法修正后的比較結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，修正后的溫度最大誤差遠(yuǎn)小于系統(tǒng)要求的0.1 K。

表1 實(shí)際溫度值與修正值比較Tab.1 Comparison of the actual temperature and corrected value

6 結(jié)束語

系統(tǒng)通過RS-485總線將每臺(tái)加熱器的各種信息傳送到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了加熱器數(shù)據(jù)采集的無紙化，大大減少了員工的工作量;其自動(dòng)測(cè)試功能，也減少了由于人為因素帶來的影響，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠;此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了員工與產(chǎn)品的一一對(duì)應(yīng)，增強(qiáng)了員工的責(zé)任心。運(yùn)行一年來，員工普遍反映系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單、易于操作、顯示界面直觀、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)具有較高的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

[1]付偉，于培亮，馬思樂.基于S7-200 PLC的汽車加熱器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化(PLC＆FA)，2011(11)：94－97.

[2]趙書明.客車采暖系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].城市車輛，2009(6)：56－59.

[3]張?zhí)炝?，姚慶梅，許夫明，等.基于分段線性插值法的高精度測(cè)溫研究[J].信息技術(shù)與信息化，2012(1)：70 －72.

[4]張雷杰，章潔平.寬量程高精度鉑電阻溫度變送器設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2010(4)：55 －57.

[5]張華強(qiáng)，李玉峰.基于最小二乘法的熱量表溫度采集模塊設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器2011(2)：16－18.

[6]王福順，劉永福，孫小華，等.高精度土壤溫度原位測(cè)量系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(11)：102 －106.

[7]呂同富，康兆敏.數(shù)值計(jì)算方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：220－222.