基于LabVIEW的柴油機部分流等動態(tài)排氣微粒采樣系統(tǒng)設(shè)計

柴嘉鴻， 許 允， 李盛成， 黃為鈞， 馬志雙， 金文華

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

基于LabVIEW的柴油機部分流等動態(tài)排氣微粒采樣系統(tǒng)設(shè)計

柴嘉鴻， 許 允， 李盛成， 黃為鈞， 馬志雙， 金文華

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

介紹了柴油機部分流等動態(tài)排氣微粒采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。電控系統(tǒng)采用上、下位機分離的設(shè)計，為實現(xiàn)等動態(tài)采樣，基于PID算法構(gòu)建了壓差穩(wěn)定性的控制策略，完成了以飛思卡爾單片機為核心的硬件電路設(shè)計，并利用LabVIEW圖形化編程語言實現(xiàn)上位機程序編寫，該控制程序具有RS-232串口通信、監(jiān)測控制及自主存儲等功能。結(jié)果表明：由單片機采集的信號通過RS-232串口通信協(xié)議及自定義數(shù)據(jù)格式，可以實現(xiàn)上、下位機間的數(shù)據(jù)雙向傳輸；用戶通過上位機程序界面能夠方便地向下位機發(fā)送不同的設(shè)置信息和操作指令，并可以隨時監(jiān)測、存儲系統(tǒng)的工作狀態(tài)；經(jīng)通訊試驗驗證了電控系統(tǒng)功能匹配性良好，具有一定的研究前景與應(yīng)用價值。

柴油機； 微粒； LabVIEW； 等動態(tài)系統(tǒng)； 部分流稀釋取樣

0 引 言

柴油機的微粒排放嚴(yán)重污染環(huán)境并危害人類健康[1-2]。因此，必須利用微粒測量系統(tǒng)對柴油機的微粒排放水平進(jìn)行檢測[3]。目前，國際上常用的微粒測量系統(tǒng)分為全流稀釋微粒采樣系統(tǒng)和部分流稀釋微粒采樣系統(tǒng)兩種。全流稀釋微粒采樣系統(tǒng)是將柴油機的全部排氣引入稀釋風(fēng)道內(nèi)，用潔凈空氣將其稀釋到規(guī)定的程度后進(jìn)行微粒的取樣和測量[4]。部分流稀釋微粒采樣系統(tǒng)是指將柴油機的部分廢氣引入稀釋風(fēng)道中，經(jīng)干凈空氣稀釋后，將其部分或全部通過濾紙，進(jìn)行微粒排放的測量[5]。相比于全流稀釋微粒采樣系統(tǒng)，部分流稀釋微粒采樣系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、成本低廉等優(yōu)點，因此在微粒檢測和研究中被廣泛應(yīng)用[6]。

目前國內(nèi)對部分流稀釋采樣系統(tǒng)研究較少，尚無此類產(chǎn)品推廣[7]，而從國外引進(jìn)存在價格昂貴且難以滿足需求等問題。為此，提出了一套部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)，整個系統(tǒng)無需附加質(zhì)量流量計和排氣分析儀，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、測量及維護(hù)成本低等顯著優(yōu)勢；不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下的微粒排放測量，同時具備測量瞬態(tài)工況下微粒排放的潛力；此設(shè)計有效可行，可供國內(nèi)廣大企業(yè)、院校及科研院所等選擇使用。

本文基于部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，搭建以飛思卡爾MC9S12X128單片機為基礎(chǔ)的硬件電路，并制定流量控制閥和電磁閥的控制策略以滿足等動態(tài)采樣的壓差穩(wěn)定性需求。此外，采用圖形化編程語言對上位機LabVIEW程序進(jìn)行編寫[8-10]，使用戶能夠直接在前面板上完成各種信息設(shè)置和操作指令，并對上、下位機間的功能匹配性及控制算法正確性進(jìn)行驗證。

1 采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)從功能上分為三部分，分別為排氣稀釋模塊(包括1～5及17)、微粒采集模塊(包括6～12)及控制模塊(包括13～19)。在排氣測量管和排氣動態(tài)取樣探頭頂端安裝壓差傳感器I用以測量兩者間壓差，在稀釋風(fēng)道和顆粒物動態(tài)取樣探頭頂端安裝壓差傳感器II用以測量兩者間壓差。根據(jù)微粒的定義，利用(25±5)℃的潔凈空氣稀釋發(fā)動機排氣至低于52 ℃，將該混合氣通過鍍有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙后，被過濾后的除水以外所有物質(zhì)[11]。因此在稀釋風(fēng)道末端靠近顆粒物取樣探頭處安裝溫度傳感器，以監(jiān)測稀釋風(fēng)道中該混合氣溫度。具體的測量原理是來自排氣測量管中的發(fā)動機原始排氣，通過排氣動態(tài)取樣探頭經(jīng)傳遞管輸送到稀釋風(fēng)道中；空氣在風(fēng)機的作用下經(jīng)空氣濾清器流入稀釋風(fēng)道，對稀釋風(fēng)道中的排氣進(jìn)行充分混合并稀釋；稀釋后的混合氣經(jīng)顆粒物動態(tài)取樣探頭及其傳遞管，流經(jīng)濾紙從而實現(xiàn)對微粒進(jìn)行的采樣測量。

1-排氣測量管；2-排氣動態(tài)取樣探頭及傳遞管；3-稀釋風(fēng)道；4-稀釋空氣過濾器；5-風(fēng)機；6-顆粒物動態(tài)取樣探頭及輸送管；7-三通接頭；8-取樣通路電磁閥；9-旁通通路電磁閥；10-取樣通路濾紙保持架；11-旁通通路濾紙保持架；12-變頻真空泵；13-流量控制閥I；14-流量控制閥II；15-壓差傳感器I；16-壓差傳感器II；17-溫度傳感器；18-電控單元(下位機)；19-LABVIEW 上位機

圖1 部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)原理圖

當(dāng)壓差傳感器I測量值為0時，可根據(jù)排氣動態(tài)取樣探頭與排氣測量管橫截面積之比計算出流經(jīng)稀釋風(fēng)道中的排氣質(zhì)量流量。同理，當(dāng)壓差傳感器II測量值為0時，可根據(jù)顆粒物動態(tài)取樣探頭與稀釋風(fēng)道橫截面積之比計算出流經(jīng)濾紙保持架的排氣質(zhì)量流量，從而能夠準(zhǔn)確地計算出流經(jīng)濾紙保持架的柴油機排氣中所含微粒排放量。測得的發(fā)動機在各工況下的排氣流量及已知各工況功率就可計算出該發(fā)動機微粒物比排放。

2 電控系統(tǒng)開發(fā)

電控系統(tǒng)是部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)采集到的壓差值通過PID實時調(diào)節(jié)流量控制閥的開度以實現(xiàn)等動態(tài)取樣，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW上位機中以方便用戶進(jìn)行操作。

2.1單片機系統(tǒng)開發(fā)

本文選用飛思卡爾MC9S12X128單片機為控制核心，配以各種驅(qū)動芯片完成對該系統(tǒng)電器件的控制，其硬件連接如圖2所示。實現(xiàn)對溫度傳感器信號、壓差傳感器信號及流量控制閥開度反饋信號的采集，并制定了流量控制閥和電磁閥的控制策略，即流量控制閥通過直流電機驅(qū)動板與單片機PWM通道相連，單片機輸出不同占空比的電壓信號來實現(xiàn)流量控制閥的開度的控制。電磁閥通過繼電器與單片機普通I/O口相連，通過設(shè)置I/O的高低電平實現(xiàn)電磁閥的開閉控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接示意圖

為了實現(xiàn)等動態(tài)取樣，根據(jù)采集到的壓差值通過PID運算進(jìn)行閉環(huán)控制實時調(diào)節(jié)流量控制閥的開度。具體為當(dāng)電控單元采集到的壓差傳感器I的壓差值不為0時，通過PID程序自動調(diào)節(jié)流量控制閥I的開度，改變通入排氣取樣探頭頂端空氣量以調(diào)節(jié)排氣取樣探頭頂部的壓力，進(jìn)而使發(fā)動機測量管和排氣取樣探頭內(nèi)排氣的壓差達(dá)到0。當(dāng)采集到壓差傳感器II的值不為0時，根據(jù)PID 程序自動調(diào)節(jié)流量控制閥II的開度，改變通入顆粒物取樣探頭及傳遞管的末端的空氣量，調(diào)節(jié)顆粒物取樣探頭頂部的壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)稀釋通道內(nèi)混合氣和顆粒物取樣探頭頂端內(nèi)混合氣的壓差直至為0。

因此，本系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)兩個流量控制閥開度，保證兩個壓差傳感器的測量值為0。圖3為以其中一個流量控制閥的實時調(diào)節(jié)為例，說明PID算法在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。圖中pset表示設(shè)定的壓差目標(biāo)值，pmeasure為壓差測量值。

圖3 流量控制閥PID控制原理圖

單片機采集到的壓差傳感器的壓差信號測量值與設(shè)定好的目標(biāo)值進(jìn)行比較，將兩者的差值送到PID控制器進(jìn)行計算操作后輸出不同占空比PWM信號到驅(qū)動板的控制端。驅(qū)動板將PWM信號轉(zhuǎn)化為直流電壓輸出并進(jìn)行功率放大，經(jīng)放大后的信號能夠驅(qū)動并實時調(diào)節(jié)流量閥的開度，進(jìn)而實現(xiàn)壓差傳感器的測量值與目標(biāo)值跟隨。

2.2LabVIEW上位機控制程序開發(fā)

單片機采集到的溫度、壓力及流量控制閥的開度信號需要在上位機中實時顯示。此外，電磁閥的開閉需要由上位機給下位機明確的控制信號。因此，本文自主編寫了LabVIEW圖形化控制程序用于實時監(jiān)測及控制下位機電控單元的工作狀態(tài)。該上位機按功能可分為與下位機的串口通信模塊、監(jiān)測模塊及控制模塊。上、下位機間使用RS-232串口[12-14]實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。將帶有RS-232接口的單片機與計算機連接在一起，組成本系統(tǒng)的電控系統(tǒng)，最終通過計算機進(jìn)行統(tǒng)一的操作與管理。

2.2.1上、下位機RS-232串口通信模塊

圖4為該上位機與下位機采用RS-232串口通訊的連接線路。在硬件上數(shù)據(jù)通信采用3線制，上位機與單片機間發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)線RXD交叉連接，且兩者共地線GND，無需其他信號，這樣既能達(dá)到預(yù)定任務(wù)又能簡化設(shè)計電路。

圖4 PC與單片機串口通信線路

在LabVIEW程序面板中，需要利用串口初始化、串口讀、串口寫及串口關(guān)閉等功能。圖5為串口讀寫程序框圖，圖6所示為RS-232異步通信協(xié)議一幀數(shù)據(jù)的定義[15-17]。在串口通信模塊中必須滿足LabVIEW上位機控制程序中設(shè)置的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位與單片機C程序中設(shè)置的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位一致，否則會導(dǎo)致通信錯誤。

圖5 串口讀寫程序框圖

圖6 異步通信數(shù)據(jù)幀格式

2.2.2LabVIEW上位機監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要用于實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如監(jiān)測溫度信號是否超過52 ℃、流量控制閥開度是否按照既定的PID算法運行、壓差信號是否跟隨目標(biāo)值變化等。為了更直觀的展現(xiàn)壓差信號的實時變化，在上位機中運用波形圖表控件用于顯示壓差值的波動。圖7所示為實際工作過程中上位機軟件的運行情況，從上位機面板中可以直觀的顯示出壓差值的變化。

圖7 運行過程中上位機示意圖

2.2.3LabVIEW上位機控制模塊

控制模塊主要是控制該系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括控制電磁閥開閉及選擇單濾紙或多濾紙實驗等。若選擇多濾紙實驗，則上位機會向下位機下傳7幀數(shù)據(jù)，包括開始多濾紙實驗的特征碼、旁通時間、取樣時間、以及壓差傳感器 I、II的目標(biāo)值。若選擇單濾紙實驗，則上位機會向下位機下傳8幀數(shù)據(jù)，包括開始單濾紙實驗的特征碼、旁通時間、取樣時間、壓差傳感器 I、II 的目標(biāo)值以及循環(huán)次數(shù)。若選擇通道清理，將會同時打開取樣和旁通通路的電磁閥進(jìn)行通道清理。試驗過程中，首先根據(jù)需要的工況參數(shù)，打開旁通通路電磁閥使排氣通過，待旁通時間溢出后，關(guān)閉旁通通路電磁閥并打開取樣通路電磁閥進(jìn)行取樣，待取樣時間溢出后，再關(guān)閉取樣通路電磁閥，打開旁通通路電磁閥，讓廢氣從旁通通路流出。若在試驗過程中選擇暫停按鈕，則旁通時間、取樣時間暫時停止計時，待重新開始試驗后再接著原來的計數(shù)器計時。

2.2.4上、下位機功能匹配性驗證

在完成上、下位機程序編寫后，搭建部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)臺架前，需要對上、下位機的功能匹配性進(jìn)行驗證。下位機通過ECT定時模塊，單片機每20 ms進(jìn)入一次中斷，對溫度、壓差及流量控制閥開度信號進(jìn)行濾波中值采集。將PID的采樣周期設(shè)置500 ms，即每500 ms根據(jù)壓差實測值和目標(biāo)值進(jìn)行一次PID運算并輸出PWM信號，用于調(diào)節(jié)流量控制閥的開度。每1 s下位機將采集到的溫度、壓差及流量控制閥開度信號上傳到LabVIEW上位機軟件中。表1所示為該通信試驗驗證過程中采集到的數(shù)據(jù)，在試驗過程中給定壓差傳感器I、II不同的壓差值，來驗證流量控制閥的響應(yīng)性及流量控制閥的開度是否按照既定的PID程序運行。圖8所示為以流量控制閥I開度隨壓差傳感器I采集的壓差信號增大而減小，符合設(shè)置的PID控制算法，驗證了PID算法的正確性。從表1及圖8可知，上、下位機可以實現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)自動存儲功能。通過上、下位機的通訊試驗驗證了該上、下位機功能的匹配性以及控制算法的正確性。

表1 上、下位機通訊實驗驗證過程中采集到的數(shù)據(jù)

注：濾紙前溫度28 ℃,壓差傳感器Ⅰ、Ⅱ目標(biāo)值為0 Pa

圖8 流量控制閥開度隨壓差信號的變化

3 結(jié) 語

本文介紹了部分流等動態(tài)微粒采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及電控系統(tǒng)開發(fā)，包括下位機電控單元及上位機控制軟件開發(fā)。在下位機電控單元開發(fā)中，根據(jù)飛思卡爾MC9S12XS128開發(fā)板資源和驅(qū)動芯片的功能合理布置各個電器件與單片機的連接，完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計；基于LabVIEW編寫了上位機程序，按功能分為RS-232串口通信模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊3個部分。通過上、下位機通信試驗驗證上、下位機間功能匹配性良好，同時根據(jù)壓差信號與流量控制閥的開度關(guān)系驗證了該系統(tǒng)PID控制策略的正確性及流量控制閥的響應(yīng)性。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，性能可靠等優(yōu)點。

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·名人名言·

成功的科學(xué)家往往是興趣廣泛的人。他們的獨創(chuàng)精神可能來自他們的博學(xué)。多樣化會使人觀點新鮮，而過于長時間鉆研一個狹窄的領(lǐng)域，則易使人愚蠢。

——貝弗里奇

DesignofaDieselParticulatePartial-Flow&DynamicSamplingSystemBasedonLabVIEW

CHAIJiahong，XUYun，LIShengcheng，HUANGWeijun，MAZhishuang，JINWenhua

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China)

The structure and working principle of particulate partial-flow and dynamic dilution sampling system of the diesel were introduced. The electronic control system used separated design of upper and lower computers. In order to achieve dynamic dilution sampling, pressure stability control strategy was built based on PID algorithm, and the hardware circuit design was completed as the core of Freescale microcontroller. By using LabVIEW graphical programming language, the upper computer program was written. The LabVIEW control program has RS-232 serial communication, monitoring and independent storage functions. The results show that analog signals collected by microcontroller through RS-232 serial communication protocol and the user-defined data formats can achieve two-way data transmission between the upper and lower computers. The user can send different setting information and operation instructions to lower computer through the upper computer program interface, and can monitor and storage the working state of system at any time. After communication test verification, the electronic system function matches requirement well. It has some prospects for the study and application value．

diesel； particulate； LabVIEW； dynamic system； partial-flow dilution

TK 421

A

1006-7167(2017)09-0046-05

2016-11-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51576089)；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(No.2016026)

柴嘉鴻(1992-)，女，滿族，吉林長春人，碩士生，研究方向：內(nèi)燃機公害與控制。Tel.:13578935356；E-mail：424307294@qq.com

許 允(1964-)，男，吉林長春人，高級工程師，研究方向：內(nèi)燃機公害與控制。Tel.：13514406340；E-mail：xuyun@jlu.edu.cn