劉學強，郭軍武，王 森

(上海海事大學 商船學院 上海 201306)

基于 CAN 總線和 LabVIEW 的船舶柴油機 NOX在線檢測研究

劉學強，郭軍武，王 森

(上海海事大學 商船學院 上海 201306)

為了保證船舶排氣污染物排放能夠達到《MARPOL 公約》附錄中 TierⅢ 氮氧化物排放限制的標準，實現準確檢測船舶廢氣中 NOX的含量。設計一種基于 CAN 總線和 LabVIEW 的船舶柴油機 NOX在線檢測系統(tǒng)。在實驗測試過程中實時檢測 NOX濃度并與其他檢測系統(tǒng)對比檢測結果。實際應用結果表明，該系統(tǒng)實時性好、可靠性高，取得良好效果。

船舶柴油機；NOX檢測；CAN 總線；labVIEW

0 引 言

船舶柴油機排放廢氣中的氮氧化物、硫氧化物等污染物對大氣的影響引起了人們廣泛的關注?！禡arpol 73/78》附則 VI-防止船舶造成空氣污染規(guī)則對船舶排放廢氣中的 SOx 和 NOx 的含量進行限制并禁止損害臭氧物質的故意排放。國際海事組織（IMO）將于 2020年實施更加嚴格的 TierⅢ排放標準。據 IMO 組織統(tǒng)計的數據表明，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放的 NOx 約為 1 000 萬噸，SOx 約為 850 萬噸[1]。船舶尾氣排放的 NOx，造成了嚴重的環(huán)境污染，危害了人們的身體健康。因此，尋找一種可靠的船舶尾氣 NOX檢測是進行船舶尾氣控制的首要環(huán)節(jié)。但目前的技術應用還未實現有效的在線檢測手段，遵守公約完全靠船員和船東的自覺性。因此，開發(fā)新型的尾氣在線檢測裝備，協(xié)助 PSC 監(jiān)督船舶航行時的情況對于保護海洋環(huán)境很有必要[2]。因此本文結合現有的尾氣檢測技術和未來趨勢情況開發(fā)基于 CAN 總線和 LabVIEW 的船舶柴油機NOX在線檢測系統(tǒng)，一方面降低了船舶尾氣在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)費用，縮短了開發(fā)周期；另一方面基于labVIEW 的船舶尾氣檢測系統(tǒng)界面直觀易于操作。

1 NOX在線檢測系統(tǒng)總體結構

NOX在線檢測系統(tǒng)主要由尾氣前處理模塊、智能NOX傳感器模塊、USB CAN 及 PC 機等組成。系統(tǒng)總體結構如圖 1 所示。

船舶柴油機排氣經過尾氣前處理系統(tǒng)后進入氣體室，經過智能 NOx 傳感器模塊進行數據采集，并將所測量 CAN 報文信息通過 CAN 總線傳送給 USB CAN。同時 USB CAN 通過 USB 連接線與 PC 機相接，并基于LabVIEW 開發(fā)上位機程序，實現對 NOX在線檢測。

1.1 尾氣前處理模塊

盡管柴油機具有效率優(yōu)勢，但其廢氣排放量卻比與之相當的汽油發(fā)動機高出許多，另外船舶柴油機一般燃燒劣質燃油，因此廢氣成分也更加復雜，柴油機尾氣中的成分主要是顆粒物（PM）、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）和一氧化碳（CO）水蒸氣（H2O）等。基于 NOX傳感器檢測原理，需對廢氣進行前處理，使檢測結果更加精確[3]。從柴油機排氣管采集的檢測氣體由被測氣體入口進入尾氣前處理模塊，先通過主過濾器濾除水分等雜質，再通過粉塵過濾器進一步濾除對檢測系統(tǒng)有污染的粉塵，雜質通過雙路氣泵中的一路排出。圖 2 為尾氣處理流程。

1.2 智能傳感器模塊

根據測量原理的不同，NOX化學傳感器主要有聲表面波 NOX化學傳感器、NOx光纖化學傳感器、半導體 NOX化學傳感器和 NOx 電化學傳感器等[4]。本系統(tǒng)采用博朗寧公司生產的智能 NOX電化學傳感器（SNS）。與其他類型傳感器相比，具有選擇專一性好、價格低廉、結構緊湊、攜帶方便、可實現現場連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點。智能 NOX傳感器（SNS）由一個感應單元通過 600～900 mm 電纜線和一個電子控制單元連接組成，其中感應單元的原材料是多層氧化鋯陶瓷感應元件，電氣化學泵調整校準在感應元件腔中氧氣的濃度。尾氣中 NOX的濃度通過泵加電流使之分解信號是通過 CAN 總線傳輸給 USB CAN 建立基礎通訊和控制智能氮氧化物傳感器（SNS）。表 1 為智能 NOX傳感器的輸出參數。

表1 智能 NOX傳感器的輸出參數Tab. 1 Smart NOXsensor parameters

1.3 USB CAN 模塊

采用 Freedesign 公司開發(fā)的 USB CAN，USB CAN調試器帶有 2 路 CAN 接口，PC 機可以通過 USB 總線連接到一個標準的 CAN 網絡中，構建現場總線的CAN 核心控制單元[5]；參考提供的 DLL 動態(tài)連接庫、例程編寫自己的應用程序，可方便的開發(fā)出 CAN 系統(tǒng)應用軟件產品；USBCAN II 調試器設備中，CAN 總線電路采用獨立的 DCDC 電源模塊，進行磁耦合隔離，使該接口適配器具有很強的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 CAN 通信協(xié)議

USB CAN 向智能 NOx傳感器模塊發(fā)送以下 3 種指令，

1）啟動加熱（NOX傳感器在溫度低于露點時，無法測量 NOX濃度，只會發(fā)出初始化值。所以需要在低溫的時候，額外發(fā)送指令給 NOX傳感器啟動內部加熱器，以便電化學反應進行，發(fā)出濃度值）；

2）取實時數據（檢測尾氣 NOX和 O2濃度）；

3）停止。USB CAN 向智能傳感器模塊發(fā)送數據時，采用 CAN 通信的擴展幀格式，其標識符為 8 位。USB CAN 基于相應設置，通過驗證標識符接收傳感器模塊發(fā)送的數據。當傳感器反饋信號為 DD = 00，表示溫度未達到露點，無法采集數據，需對傳感器發(fā)送啟動加熱指令。USB CAN 在收到“啟動加熱”指令后便能及時向智能傳感器模塊發(fā)送加熱指令。當反饋信號為DD = 11，溫度達到露點溫度，可實現實時采集數據。智能傳感器模塊將整個溫度反饋的地址傳送給 USB CAN。USB CAN 根據反饋的情況控制傳感器，當溫度達到露點溫度時 USB CAN 發(fā)出指令后延時 1 s 向傳感器發(fā)送“取回復”指令，傳感器收到“取回復”指令后，立即向 USB CAN 發(fā)送采集的數據。USB CAN 基于上述 CAN 通信協(xié)議，能夠實現對智能 NOX傳感器的控制，控制其啟動加熱、停止并實時檢測 NOx 和 O2的濃度。

2.2 上位機軟件

本系統(tǒng)在 PC 機上基于 LabVIEW 開發(fā)了人機界面。LabVIEW 由于能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，由程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定程序的執(zhí)行順序，能夠將繁瑣復雜的文本編程簡化成圖形編程，用線條將各種功能模塊連接起來，簡便高效，深受用戶青睞[6]。

2.2.1 串口通訊與發(fā)送指令設置

LabVIEW 的串口通訊 VI 位于 Instrument/Oplatteserial中，此部分程序用到了 LabVIEW 中串口操作的配置節(jié)點設置串口通訊的波特率、傳輸類型、幀格式等參數[7]。下位機傳送的數據格式為十六進制 ASCII 形式，因此需要將發(fā)送的 ASCII 命令轉成 can 協(xié)議的格式。程序圖如圖 3 如示。

2.2.2 數據解析

智能 NOX傳感器模塊傳送的數據格式為 CAN 總線報文數據模式，需要將其解析后才能保存并顯示。數據解析程序如圖 4 所示。

2.2.3 數據保存

程序串口中的數據可以直觀的顯示在前面板上，但為了對 NOX排放的實時監(jiān)控，需要將數據保存到數據庫里，這一模塊的程序圖如圖 5所示。

3 實 驗

對基于 LabVIEW 開發(fā)的船舶柴油機排氣 NOX在線檢測系統(tǒng)進行了多臺柴油機的尾氣檢測實驗。在實驗過程中，選擇了不同的柴油機類型，得到了大量的實驗數據。圖 6 為常柴 CZ2102 柴油機的排放檢測結果，圖中顯示的是 NOX的原始數據曲線，也可顯示 O2的百分比。

4 與其他檢測系統(tǒng)對比結果

將本文設計的 NOX在線檢測系統(tǒng)與 DAS200-NOX檢測儀進行檢測結果對比，選用常柴 CZ2102 柴油機穩(wěn)定在額定轉速 2 300 r/min 不同負荷下 NOX排放得到的結果如圖 7 所示。從圖 7 中可看出，利用本文設計的 NOX在線檢測系統(tǒng)得到的 NOX的排放濃度要比DAS200-NOx檢測儀得到的濃度略高一點。NOX在線檢測系統(tǒng)得到的 NOX濃度與 DAS200-NOX檢測儀的相對誤差較小，因此該系統(tǒng)具有良好的精度。

5 結 語

本系統(tǒng)以 LabVIEW 為開發(fā)平臺，可以方便地對船舶柴油機排氣 NOX濃度進行在線檢測，實測結果表明該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測量精度。另外，通過在工控計算機上配置網卡[8]，可實現船舶污染物排放的聯(lián)網檢測，協(xié)助 PSC 監(jiān)督船舶航行時的排放情況，應用前景十分廣闊。

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The research of on line detection of marine diesel engine NOXbased on CAN busand LabVIEW

LIU Xue-qiang, GUO Jun-wu, WANG Sen
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to ensure that the discharge of pollutants discharged from ships can reach the standard of Tier III NoXemission limits in the appendix of the MARPOL convention. To realize the accurate detection of the content of NoXin the ship's exhaust gas. An online detection system of exhaust NoXof marine diesel engine is designed based on CAN bus and LabVIEW the process of the experiment test, Detecting the NoXconcentration in real time and compared with other detection system test results. The practical application results show that the system has good real-time performance and high reliability, and has achieved good results.

marine diesel engine；detection of NOX；CAN bus；LabVIEW

U664.121

A

1672–7619(2017)05–0114–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.022

2016–08–29；

2016–10–18

上海海事大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(2016ycx027)

劉學強(1992–)，男，碩士研究生，主要從事船舶柴油機減排技術研究。