郝利君，　梁　卿，　袁應濤，　王麗清，　譚建偉，　葛蘊珊

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081;2. 陜西柴油機重工有限公司，興平 713105)

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內(nèi)燃機排放測量CVS系統(tǒng)控制軟件設計

郝利君1，梁卿1，袁應濤2，王麗清1，譚建偉1，葛蘊珊1

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081;2. 陜西柴油機重工有限公司，興平 713105)

以AVL-CVS定容稀釋取樣系統(tǒng)作為開發(fā)對象，編寫CVS系統(tǒng)控制程序，控制方案為集中式控制系統(tǒng)；主控計算機與CVS系統(tǒng)硬件端口間的串行通訊采用AVL公司排放設備之間的通訊協(xié)議—AK協(xié)議為基礎構建；CVS控制軟件采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言Delphi語言開發(fā)，實現(xiàn)了對CVS系統(tǒng)硬件設備的調(diào)節(jié)和控制，滿足了內(nèi)燃機氣態(tài)排放污染物及顆粒物的采樣和測量的要求.

內(nèi)燃機；排放；CVS；控制軟件；Delphi

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國汽車保有量也呈現(xiàn)出井噴式增長.2014年，全國汽車產(chǎn)銷量分別為2 372萬輛和2 349萬輛[1].汽車數(shù)量劇增帶來的汽車尾氣排放對環(huán)境造成巨大影響，為了準確評估汽車發(fā)動機的排放性能，采用何種排放檢測技術和檢測方法顯得尤為重要.目前，世界各國的排放法規(guī)中規(guī)定機動車排放測試采用定容取樣(CVS)系統(tǒng)取樣，即將發(fā)動機的全部排氣排入稀釋通道中，用經(jīng)過空氣濾清器過濾的環(huán)境空氣稀釋，形成恒定容積流量的稀釋排氣.測試時的情況模擬汽車排氣尾管出口處排氣在環(huán)境空氣中的擴散情況，這時稀釋排氣取樣袋采集的氣樣中含有的污染物量與排氣污染物總量的比例保持不變.因此，測試循環(huán)結(jié)束后，測量氣袋中各污染物的濃度，乘上CVS系統(tǒng)中流過的稀釋排氣總量，即發(fā)動機在測量過程中各污染物的總量[2].

國外汽車排放檢測設備領域中，具有成熟檢測設備生產(chǎn)能力的公司主要有日本HORIBA公司，奧地利AVL公司以及美國CAI公司等.國外比較先進的汽車排放檢測系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)自動化，日本、歐洲、美國等國家已經(jīng)擁有先進的排放設備制造技術和現(xiàn)代化的排放實驗室.廣泛使用計算機技術使得幾乎所有的排放測試工作、設備控制和數(shù)據(jù)分析都可以通過計算機來完成[3].

國內(nèi)龐大的汽車市場對檢測設備有著迫切需求，目前清華大學、天津大學、長安大學和華中科技大學等高等院校在尾氣檢測設備領域已經(jīng)有了一定的研究成果，國內(nèi)70研究所、江蘇啟測、杭州中成等企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)成套的發(fā)動機常規(guī)測試設備以及部分專用設備.但是無論是在性能、精度還是在質(zhì)量、可靠性水平相比于國外都還比較低，軟件控制技術水平也需要提高.

項目中CVS系統(tǒng)由奧地利AVL公司生產(chǎn)，原操作系統(tǒng)為Windows 95系統(tǒng)，計算機運行速度慢，內(nèi)存及硬盤容量小，且由于硬件系統(tǒng)損壞，目前已無法使用，升級控制系統(tǒng)需支付高額費用.為了恢復該CVS系統(tǒng)使用功能，為CVS系統(tǒng)重新配置了工控機，匹配了輸入輸出板卡，并基于Windows XP操作系統(tǒng)重新編寫操作軟件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原有采樣、分析和控制功能，同時增加自定義循環(huán)設計功能，擴大了CVS系統(tǒng)主控計算機的功能范圍.

1　CVS系統(tǒng)測控方案的設計

1.1CVS系統(tǒng)組成及測控方案

CVS系統(tǒng)組成如圖1所示.在整套CVS采樣設備中需要采集的變量包括：①稀釋通道內(nèi)的溫度、壓力；②主文丘里管內(nèi)的溫度、壓力；③采樣文丘里管處的溫度、壓力；④稀釋通道內(nèi)流量；⑤采樣流量.控制量包括：①各采樣泵的開關；②通道閥體(包括氣袋進出口以及顆粒采樣通道處閥體)的開關；③采樣泵和水泵流量控制.整個系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)采集的速度要求不高，并且在試驗中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小，同時在系統(tǒng)中只存在一臺計算機對系統(tǒng)中所有執(zhí)行器進行控制，因此集中式控制系統(tǒng)(CCS)可以滿足CVS系統(tǒng)的控制要求.

采用基于Windows XP操作系統(tǒng)的工控機，根據(jù)整套CVS系統(tǒng)的采樣及控制功能要求選配輸入輸出板卡，編寫測試軟件，對所有傳感器信號進行采樣及標定，并對所有的執(zhí)行元件進行功能測試，以保證CVS系統(tǒng)實現(xiàn)正常的采樣、分析和控制功能.

圖1　CVS系統(tǒng)組成示意圖

1.2控制軟件編程語言選擇

在編寫CVS控制系統(tǒng)過程中使用了Delphi作為軟件開發(fā)工具.Delphi是一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，相比于C++具有更短的開發(fā)周期.同時，面向?qū)ο笥质沟肈elphi更加適用于控制軟件的開發(fā)，是工業(yè)系統(tǒng)類控制軟件開發(fā)中主要使用的軟件之一.事實證明，Delphi不僅具有強大的開發(fā)功能，同時能夠設計出更加完善、人性化的控制界面，以使設備操作更加簡便.

(1)絞車由1臺功率300 kW的交流變頻電機驅(qū)動，減速箱設有兩擋，手動換擋，可實現(xiàn)擋內(nèi)無級調(diào)速，并通過換擋實現(xiàn)較大扭矩或較大轉(zhuǎn)速。可以實現(xiàn)在高速擋時絞車輸出較高轉(zhuǎn)速和較大的提升力，滿足快速提下鉆要求，節(jié)約輔助作業(yè)時間，提高效率；在處理孔內(nèi)事故或超深孔鉆進時，可選擇低速擋，絞車輸出大扭矩和較低轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)以較小功率滿足不同工況各種作業(yè)要求。絞車變速范圍大，提升能力強。

1.3串行端口通信技術

相比于并行通訊，串行通訊的傳輸速度慢，其優(yōu)勢在于使用過程中較為靈活、簡單、可靠性好，并且能夠有效的減少數(shù)據(jù)線的使用，特別是在進行遠距離通信的過程中，可以極大的節(jié)約通信成本.利用串口通信傳遞的是數(shù)字量，因此不產(chǎn)生附加誤差.

Delphi中實現(xiàn)串口通信最常見有3種方法[4]：①利用API函數(shù)的方法；②利用Spcomm或者MSComm控件的方法；③直接將其他的串口通信程序調(diào)用過來的方法.使用控件的方法比另外兩種方法更靈活，且操作更為簡便，直接下載安裝控件即可使用.因此，在程序編寫時采用Spcomm控件的方法.

1.4AK通訊協(xié)議

AVL的排放測試設備都是基于AK通信協(xié)議設計的.AK通信協(xié)議是由德國汽車工業(yè)協(xié)會制定的，作為排放測試設備之間的通信規(guī)則.AK通信協(xié)議設計是基于滿足最低限度低速點對點通信的要求，常用的連接方法是根據(jù)RS232接口的規(guī)格，通過串行接口調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)線路進行數(shù)據(jù)通信.AK通訊協(xié)議為用戶對設備進行二次開發(fā)提供了很大方便.

2　CVS采樣系統(tǒng)實驗流程

實驗流程如圖2所示.首先進行設備及程序的初始化，窗口創(chuàng)建初期系統(tǒng)會自檢，防止出現(xiàn)錯誤；然后由操作者對實驗基本參數(shù)進行設置，同時對采樣模式及采樣氣袋進行選擇.經(jīng)過預熱處理后選擇開始采樣，循環(huán)開始，氣袋開始充氣，同時進行顆粒采樣.循環(huán)結(jié)束后，將充氣后氣袋中采集的樣氣通入分析設備進行分析，實驗結(jié)束.

圖2　試驗流程圖

3　控制軟件上位機界面設計

Delphi作為更高級的編程語言，所具備的重要優(yōu)點在于更方便的設計出符合操作習慣的軟件界面，系統(tǒng)的二次開發(fā)在進行界面布局過程中可以按照操作者提出的需求來設計，同時可將類型相似的功能按鈕布局在一起，便于軟件使用者進行操作和觀察.控制軟件界面設計過程中正是遵循這一原則來設計.

圖3為程序主界面.根據(jù)主界面的構成可以將整個控制界面分為3個部分：①參數(shù)設置部分；②程序控制部分；③數(shù)據(jù)監(jiān)測部分.

3.1參數(shù)設置部分

對系統(tǒng)基本參數(shù)進行設置如圖4.可以直接在對話框中對顆粒采樣速率、二級稀釋空氣速率、采樣溫度點、主文丘里以及采樣文丘里選擇，文丘里修正系數(shù)是由計算所得.

圖3　程序主界面

圖4　基本參數(shù)設置對話框

氣袋操作基本參數(shù)的設置通過調(diào)用氣袋操作設置對話框，如圖5.包括：①氣袋充氣時間；②氣袋排氣時間；③氣袋吹掃時間；④氣袋吹掃次數(shù)；⑤氣袋容積；⑥氣袋最大充滿率.為保證實驗過程中氣袋采樣的正常進行，需要對氣袋基本參數(shù)進行合理設置.在氣袋進行排空操作時，氣袋內(nèi)部達到規(guī)定的真空度或者達到最大排空時間，排空過程結(jié)束；充氣過程同理，達到最大充滿率或充氣時間即停止充氣.

圖5　氣袋操作設置

3.2程序控制部分

程序控制部分是控制軟件的核心內(nèi)容，為主界面右下角operation部分.

CVS系統(tǒng)的運行包括4種不同的運行模式，分別是stop、wait、standby和preconditioning. stop模式：所有的執(zhí)行器都關閉，軟件只采集模擬量參數(shù)，軟件啟動后就處于stop模式，此時系統(tǒng)運行處于停機狀態(tài)；wait模式：軟件開始與流量計通訊，向流量計發(fā)送設定流量并讀取當前流量，主文丘里管將按設定流量打開，可做氣袋吹掃工作；standby模式：風機起動，熱交換器開始工作，可做氣袋吹掃工作；preconditioning模式：進入預處理狀態(tài)，采樣泵和二級稀釋泵起動，顆粒采樣和氣袋采樣均處于旁通狀態(tài)，系統(tǒng)只有進入到preconditioning模式下才可以開始進行采樣工作.

在以上4種模式下可部分或者完全進行purge、sample、analysis的具體操作，上述3種操作為采樣系統(tǒng)最終要完成的工作內(nèi)容.

purge模式中，有3種可選擇操作：①evacuate氣袋排空；②fill氣袋充氣；③auto purge自動吹掃.當氣袋排空達到最大排空時間或者達到真空度要求時，排氣結(jié)束，即排空動作停止；達到最大充氣時間或者最大充氣率時，充氣過程結(jié)束；自動吹掃次數(shù)缺省時，排氣3次，充氣2次.其中，在進行自動吹掃時排氣次數(shù)可以根據(jù)需求在氣袋操作設置對話框中進行更改.

sample模式下，首先對實驗循環(huán)、采樣袋和采樣方式進行選擇.采樣方式包括：①單點手動方式；②單點自動方式；③多點手動方式；④多點自動方式.只有在單點手動方式下，氣袋采樣和顆粒采樣必須同步進行，其他3種方式均可不同步. 采樣袋共3對，每對采樣袋包括1個空氣采樣袋和1個稀釋排氣采樣袋.顆粒采樣分為3個不同的通道，在實驗前需要選擇試驗中使用的通道，默認為通道1.

程序設定2種標準循環(huán)：ETC循環(huán)和ESC循環(huán).除此之外還可自定義循環(huán)，可外部加載或直接輸入設定，有效地擴大了控制系統(tǒng)的適用范圍，提高了控制系統(tǒng)的利用率.

analysis模式下將彈出分析選項，按照試驗需求進行選擇，分析旁路關閉，分析通路打開，將氣袋內(nèi)氣體通入氣體分析儀內(nèi)進行分析.試驗過程中使用過或正在使用的氣袋將被禁止操作，無法進行選擇.

3.3數(shù)據(jù)監(jiān)測部分

在主界面中通過不同的顯示區(qū)來顯示各種數(shù)據(jù)和執(zhí)行器使用狀態(tài)，來保證實驗正常進行.

實驗設置顯示區(qū)：顯示6個主要基本參數(shù).其中，2個流量計的實際流量在達到設置流量之前以紅色顯示，達到設置流量后以藍色顯示.

測量參數(shù)及流量顯示區(qū)：該顯示區(qū)顯示CVS中可以采集的9個模擬量參數(shù)、4個流量計流量和溫度參數(shù)、1個計算參數(shù)共14個參數(shù)，還有2個分別顯示熱交換器水路控制閥和加熱器控制狀態(tài)的指示燈.

執(zhí)行器控制狀態(tài)顯示區(qū)：用于顯示風機和7個泵的控制狀態(tài).

采樣結(jié)果顯示區(qū)可以顯示3組數(shù)據(jù)：①CVS總流量和時間；②氣袋容積和時間；③顆粒采樣流量和二級稀釋空氣流量及時間.所有顯示流量為積分值.

在顯示界面下方有狀態(tài)條顯示6項內(nèi)容，用來顯示正在進行的操作，以避免在試驗過程中出現(xiàn)失誤不能及時發(fā)現(xiàn).

4　結(jié)　論

在AVL-CVS系統(tǒng)底層硬件設備基礎上，配置了高性能工控機，選擇匹配了輸入輸出板卡，并基于Windows XP操作系統(tǒng)重新編寫了操作軟件，使用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言Delphi，設計控制界面使其更加實用，操作更加簡便.控制程序基于串行端口通訊技術以及AK協(xié)議，編寫了相關控制程序模塊，恢復了原系統(tǒng)的采樣、分析及對CVS氣袋充排氣和顆粒采樣的控制功能，同時增加自定義的試驗循環(huán)設定功能，擴大了適用范圍，奠定了實現(xiàn)與內(nèi)燃機測功設備控制系統(tǒng)、排氣分析系統(tǒng)通訊和集成控制的基礎.

[1]2014年汽車市場運行情況及2015年汽車市場形勢預測[J]. 汽車與安全,2015(6):126-127.

[2]石則強，王偉，靖蘇銅，等. 全流定容取樣對碳平衡試驗精度的影響研究[J]. 車輛與動力技術，2011(2):14-17.

[3]趙永杰.基于Delphi的排放測試系統(tǒng)主控計算機系統(tǒng)開發(fā)[D].西安：長安大學，2006.

[4]來曉俊.探討Delphi串口通信程序設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術,2013,9(9):2112-2116.

Design of CVS System Control Software for Internal-combustionEngine Emissions Measurement

HAO Li-jun1，LIANG Qing1，YUAN Ying-tao2,WANG Li-qing1，TAN Jian-wei1，GE Yun-shan1

(1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of technology，Beijing100081，China;2. Shanxi Diesel Engine Heavy Industry CO., LTD, Xingping, 713105, China)

The control program of a CVS system was developed based on its dilution constant volume sampling system in AVL-CVS. The control scheme was designed by taking the AVL-CVS system as a distributed control system. The Serial communication between the host computer and CVS system hardware port was built on the AK communication protocol, the one between emissions equipments in AVL. The CVS control software was designed by using the object-oriented visual programming language, Delphi. The regulation and control of CVS system hardware are realized, and the requirement of sampling and testing is satisfied for the internal combustion engine gaseous pollutants and particulate matter emissions.

internal combustion engines；emissions；CVS；control software；Delphi

1009-4687(2016)02-0009-05

2015-9-30

國家環(huán)保公益項目(201409013)資助

郝利君(1968-)，男，副教授，研究方向為內(nèi)燃機排放檢測控制技術的研究.

U467.5+2

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