郝利君，　梁　卿，　袁應(yīng)濤，　王麗清，　譚建偉，　葛蘊(yùn)珊

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081;2. 陜西柴油機(jī)重工有限公司，興平 713105)

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內(nèi)燃機(jī)排放測(cè)量CVS系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

郝利君1，梁卿1，袁應(yīng)濤2，王麗清1，譚建偉1，葛蘊(yùn)珊1

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081;2. 陜西柴油機(jī)重工有限公司，興平 713105)

以AVL-CVS定容稀釋取樣系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)對(duì)象，編寫(xiě)CVS系統(tǒng)控制程序，控制方案為集中式控制系統(tǒng)；主控計(jì)算機(jī)與CVS系統(tǒng)硬件端口間的串行通訊采用AVL公司排放設(shè)備之間的通訊協(xié)議—AK協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建；CVS控制軟件采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言Delphi語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CVS系統(tǒng)硬件設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，滿足了內(nèi)燃機(jī)氣態(tài)排放污染物及顆粒物的采樣和測(cè)量的要求.

內(nèi)燃機(jī)；排放；CVS；控制軟件；Delphi

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量也呈現(xiàn)出井噴式增長(zhǎng).2014年，全國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷量分別為2 372萬(wàn)輛和2 349萬(wàn)輛[1].汽車(chē)數(shù)量劇增帶來(lái)的汽車(chē)尾氣排放對(duì)環(huán)境造成巨大影響，為了準(zhǔn)確評(píng)估汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，采用何種排放檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)方法顯得尤為重要.目前，世界各國(guó)的排放法規(guī)中規(guī)定機(jī)動(dòng)車(chē)排放測(cè)試采用定容取樣(CVS)系統(tǒng)取樣，即將發(fā)動(dòng)機(jī)的全部排氣排入稀釋通道中，用經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)濾的環(huán)境空氣稀釋，形成恒定容積流量的稀釋排氣.測(cè)試時(shí)的情況模擬汽車(chē)排氣尾管出口處排氣在環(huán)境空氣中的擴(kuò)散情況，這時(shí)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(cè)試循環(huán)結(jié)束后，測(cè)量氣袋中各污染物的濃度，乘上CVS系統(tǒng)中流過(guò)的稀釋排氣總量，即發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)量過(guò)程中各污染物的總量[2].

國(guó)外汽車(chē)排放檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域中，具有成熟檢測(cè)設(shè)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(guó)CAI公司等.國(guó)外比較先進(jìn)的汽車(chē)排放檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，日本、歐洲、美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)擁有先進(jìn)的排放設(shè)備制造技術(shù)和現(xiàn)代化的排放實(shí)驗(yàn)室.廣泛使用計(jì)算機(jī)技術(shù)使得幾乎所有的排放測(cè)試工作、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)分析都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成[3].

國(guó)內(nèi)龐大的汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)檢測(cè)設(shè)備有著迫切需求，目前清華大學(xué)、天津大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)和華中科技大學(xué)等高等院校在尾氣檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的研究成果，國(guó)內(nèi)70研究所、江蘇啟測(cè)、杭州中成等企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)成套的發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)測(cè)試設(shè)備以及部分專用設(shè)備.但是無(wú)論是在性能、精度還是在質(zhì)量、可靠性水平相比于國(guó)外都還比較低，軟件控制技術(shù)水平也需要提高.

項(xiàng)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(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢，內(nèi)存及硬盤(pán)容量小，且由于硬件系統(tǒng)損壞，目前已無(wú)法使用，升級(jí)控制系統(tǒng)需支付高額費(fèi)用.為了恢復(fù)該CVS系統(tǒng)使用功能，為CVS系統(tǒng)重新配置了工控機(jī)，匹配了輸入輸出板卡，并基于Windows XP操作系統(tǒng)重新編寫(xiě)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(shí)增加自定義循環(huán)設(shè)計(jì)功能，擴(kuò)大了CVS系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)的功能范圍.

1　CVS系統(tǒng)測(cè)控方案的設(shè)計(jì)

1.1CVS系統(tǒng)組成及測(cè)控方案

CVS系統(tǒng)組成如圖1所示.在整套CVS采樣設(shè)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(kāi)關(guān)；②通道閥體(包括氣袋進(jìn)出口以及顆粒采樣通道處閥體)的開(kāi)關(guān)；③采樣泵和水泵流量控制.整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)采集的速度要求不高，并且在試驗(yàn)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小，同時(shí)在系統(tǒng)中只存在一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)中所有執(zhí)行器進(jìn)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(jī)，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(xiě)測(cè)試軟件，對(duì)所有傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣及標(biāo)定，并對(duì)所有的執(zhí)行元件進(jìn)行功能測(cè)試，以保證CVS系統(tǒng)實(shí)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(yǔ)言選擇

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

(1)絞車(chē)由1臺(tái)功率300 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減速箱設(shè)有兩擋，手動(dòng)換擋，可實(shí)現(xiàn)擋內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速，并通過(guò)換擋實(shí)現(xiàn)較大扭矩或較大轉(zhuǎn)速?？梢詫?shí)現(xiàn)在高速擋時(shí)絞車(chē)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(shí)間，提高效率；在處理孔內(nèi)事故或超深孔鉆進(jìn)時(shí)，可選擇低速擋，絞車(chē)輸出大扭矩和較低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)以較小功率滿足不同工況各種作業(yè)要求。絞車(chē)變速范圍大，提升能力強(qiáng)。

1.3串行端口通信技術(shù)

相比于并行通訊，串行通訊的傳輸速度慢，其優(yōu)勢(shì)在于使用過(guò)程中較為靈活、簡(jiǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的過(guò)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(shí)現(xiàn)串口通信最常見(jiàn)有3種方法[4]：①利用API函數(shù)的方法；②利用Spcomm或者M(jìn)SComm控件的方法；③直接將其他的串口通信程序調(diào)用過(guò)來(lái)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(jiǎn)便，直接下載安裝控件即可使用.因此，在程序編寫(xiě)時(shí)采用Spcomm控件的方法.

1.4AK通訊協(xié)議

AVL的排放測(cè)試設(shè)備都是基于AK通信協(xié)議設(shè)計(jì)的.AK通信協(xié)議是由德國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)制定的，作為排放測(cè)試設(shè)備之間的通信規(guī)則.AK通信協(xié)議設(shè)計(jì)是基于滿足最低限度低速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(guò)串行接口調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.AK通訊協(xié)議為用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供了很大方便.

2　CVS采樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示.首先進(jìn)行設(shè)備及程序的初始化，窗口創(chuàng)建初期系統(tǒng)會(huì)自檢，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤；然后由操作者對(duì)實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)采樣模式及采樣氣袋進(jìn)行選擇.經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理后選擇開(kāi)始采樣，循環(huán)開(kāi)始，氣袋開(kāi)始充氣，同時(shí)進(jìn)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(shè)備進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

圖2　試驗(yàn)流程圖

3　控制軟件上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

Delphi作為更高級(jí)的編程語(yǔ)言，所具備的重要優(yōu)點(diǎn)在于更方便的設(shè)計(jì)出符合操作習(xí)慣的軟件界面，系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)在進(jìn)行界面布局過(guò)程中可以按照操作者提出的需求來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)可將類型相似的功能按鈕布局在一起，便于軟件使用者進(jìn)行操作和觀察.控制軟件界面設(shè)計(jì)過(guò)程中正是遵循這一原則來(lái)設(shè)計(jì).

圖3為程序主界面.根據(jù)主界面的構(gòu)成可以將整個(gè)控制界面分為3個(gè)部分：①參數(shù)設(shè)置部分；②程序控制部分；③數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部分.

3.1參數(shù)設(shè)置部分

對(duì)系統(tǒng)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如圖4.可以直接在對(duì)話框中對(duì)顆粒采樣速率、二級(jí)稀釋空氣速率、采樣溫度點(diǎn)、主文丘里以及采樣文丘里選擇，文丘里修正系數(shù)是由計(jì)算所得.

圖3　程序主界面

圖4　基本參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

氣袋操作基本參數(shù)的設(shè)置通過(guò)調(diào)用氣袋操作設(shè)置對(duì)話框，如圖5.包括：①氣袋充氣時(shí)間；②氣袋排氣時(shí)間；③氣袋吹掃時(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣袋采樣的正常進(jìn)行，需要對(duì)氣袋基本參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置.在氣袋進(jìn)行排空操作時(shí)，氣袋內(nèi)部達(dá)到規(guī)定的真空度或者達(dá)到最大排空時(shí)間，排空過(guò)程結(jié)束；充氣過(guò)程同理，達(dá)到最大充滿率或充氣時(shí)間即停止充氣.

圖5　氣袋操作設(shè)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(yùn)行包括4種不同的運(yùn)行模式，分別是stop、wait、standby和preconditioning. stop模式：所有的執(zhí)行器都關(guān)閉，軟件只采集模擬量參數(shù)，軟件啟動(dòng)后就處于stop模式，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行處于停機(jī)狀態(tài)；wait模式：軟件開(kāi)始與流量計(jì)通訊，向流量計(jì)發(fā)送設(shè)定流量并讀取當(dāng)前流量，主文丘里管將按設(shè)定流量打開(kāi)，可做氣袋吹掃工作；standby模式：風(fēng)機(jī)起動(dòng)，熱交換器開(kāi)始工作，可做氣袋吹掃工作；preconditioning模式：進(jìn)入預(yù)處理狀態(tài)，采樣泵和二級(jí)稀釋泵起動(dòng)，顆粒采樣和氣袋采樣均處于旁通狀態(tài)，系統(tǒng)只有進(jìn)入到preconditioning模式下才可以開(kāi)始進(jìn)行采樣工作.

在以上4種模式下可部分或者完全進(jìn)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(dòng)吹掃.當(dāng)氣袋排空達(dá)到最大排空時(shí)間或者達(dá)到真空度要求時(shí)，排氣結(jié)束，即排空動(dòng)作停止；達(dá)到最大充氣時(shí)間或者最大充氣率時(shí)，充氣過(guò)程結(jié)束；自動(dòng)吹掃次數(shù)缺省時(shí)，排氣3次，充氣2次.其中，在進(jìn)行自動(dòng)吹掃時(shí)排氣次數(shù)可以根據(jù)需求在氣袋操作設(shè)置對(duì)話框中進(jìn)行更改.

sample模式下，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)循環(huán)、采樣袋和采樣方式進(jìn)行選擇.采樣方式包括：①單點(diǎn)手動(dòng)方式；②單點(diǎn)自動(dòng)方式；③多點(diǎn)手動(dòng)方式；④多點(diǎn)自動(dòng)方式.只有在單點(diǎn)手動(dòng)方式下，氣袋采樣和顆粒采樣必須同步進(jìn)行，其他3種方式均可不同步. 采樣袋共3對(duì)，每對(duì)采樣袋包括1個(gè)空氣采樣袋和1個(gè)稀釋排氣采樣袋.顆粒采樣分為3個(gè)不同的通道，在實(shí)驗(yàn)前需要選擇試驗(yàn)中使用的通道，默認(rèn)為通道1.

程序設(shè)定2種標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定，有效地?cái)U(kuò)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(xiàng)，按照試驗(yàn)需求進(jìn)行選擇，分析旁路關(guān)閉，分析通路打開(kāi)，將氣袋內(nèi)氣體通入氣體分析儀內(nèi)進(jìn)行分析.試驗(yàn)過(guò)程中使用過(guò)或正在使用的氣袋將被禁止操作，無(wú)法進(jìn)行選擇.

3.3數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部分

在主界面中通過(guò)不同的顯示區(qū)來(lái)顯示各種數(shù)據(jù)和執(zhí)行器使用狀態(tài)，來(lái)保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行.

實(shí)驗(yàn)設(shè)置顯示區(qū)：顯示6個(gè)主要基本參數(shù).其中，2個(gè)流量計(jì)的實(shí)際流量在達(dá)到設(shè)置流量之前以紅色顯示，達(dá)到設(shè)置流量后以藍(lán)色顯示.

測(cè)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(gè)模擬量參數(shù)、4個(gè)流量計(jì)流量和溫度參數(shù)、1個(gè)計(jì)算參數(shù)共14個(gè)參數(shù)，還有2個(gè)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(fēng)機(jī)和7個(gè)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(shí)間；②氣袋容積和時(shí)間；③顆粒采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量及時(shí)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(xiàng)內(nèi)容，用來(lái)顯示正在進(jìn)行的操作，以避免在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)失誤不能及時(shí)發(fā)現(xiàn).

4　結(jié)　論

在AVL-CVS系統(tǒng)底層硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，配置了高性能工控機(jī)，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(xiě)了操作軟件，使用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言Delphi，設(shè)計(jì)控制界面使其更加實(shí)用，操作更加簡(jiǎn)便.控制程序基于串行端口通訊技術(shù)以及AK協(xié)議，編寫(xiě)了相關(guān)控制程序模塊，恢復(fù)了原系統(tǒng)的采樣、分析及對(duì)CVS氣袋充排氣和顆粒采樣的控制功能，同時(shí)增加自定義的試驗(yàn)循環(huán)設(shè)定功能，擴(kuò)大了適用范圍，奠定了實(shí)現(xiàn)與內(nèi)燃機(jī)測(cè)功設(shè)備控制系統(tǒng)、排氣分析系統(tǒng)通訊和集成控制的基礎(chǔ).

[1]2014年汽車(chē)市場(chǎng)運(yùn)行情況及2015年汽車(chē)市場(chǎng)形勢(shì)預(yù)測(cè)[J]. 汽車(chē)與安全,2015(6):126-127.

[2]石則強(qiáng)，王偉，靖蘇銅，等. 全流定容取樣對(duì)碳平衡試驗(yàn)精度的影響研究[J]. 車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2011(2):14-17.

[3]趙永杰.基于Delphi的排放測(cè)試系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[4]來(lái)曉俊.探討Delphi串口通信程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),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(guó)家環(huán)保公益項(xiàng)目(201409013)資助

郝利君(1968-)，男，副教授，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排放檢測(cè)控制技術(shù)的研究.

U467.5+2

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