張鐵壁 孫士尉 夏國明 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)
汽車燃油加熱器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測試加熱器出廠前的各類參數(shù)。使用該系統(tǒng)前,員工手動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)場儀表顯示的數(shù)據(jù)存在浮動,因此,很難準(zhǔn)確記錄各項參數(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?;谶@些問題,需要設(shè)計一個自動數(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),對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析并判定檢測產(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,使產(chǎn)品編碼與檢測員工的信息做到一一對應(yīng),以備日后調(diào)用、處理和分析。
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??刂葡到y(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。
加熱器工作原理具體如下。啟動時,控制器首先對加熱器進(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,同時驅(qū)動助燃風(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。
采集系統(tǒng)由上位機(jī)和檢測臺兩大部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)一共有14個工位,即有14套檢測臺。1號檢測臺的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號檢測臺之間通過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)定員工的編號和產(chǎn)品的編號,在現(xiàn)場觸摸屏輸入當(dāng)班員工編號以及產(chǎn)品編號;與上位機(jī)比對無誤后,發(fā)出測試指令,員工在現(xiàn)場按下測試按鈕,系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)結(jié)果分析。測試結(jié)束后,將測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳送到上位機(jī)進(jìn)行存儲,并在現(xiàn)場顯示產(chǎn)品是否合格?,F(xiàn)場配置了多個傳感器和測量儀表,用于測量加熱器的各項參數(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)場的觸摸屏,不僅可以對各項參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示,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。
檢測臺的構(gòu)成框圖如圖2所示。
圖2 檢測臺構(gòu)成框圖Fig.2 Composition of the test bench
由于系統(tǒng)需要測量的模擬量較多,所以選擇了性價比較高的信捷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路高速計數(shù)。
BC-6800激光條碼掃描槍是北京標(biāo)識技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一款設(shè)計精巧時尚、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,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、倉儲物流、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。
檢測臺中的數(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,被測直流電流與輸出信號之間采用電氣隔離。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,發(fā)送到PLC的VI1端。
溫度檢測包括進(jìn)水口、出水口和加熱器的排氣溫度檢測。進(jìn)出水口溫度檢測采用的是熱電阻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轉(zhuǎn)換為1~5 V的電壓信號。循環(huán)水管壓力范圍為0~0.6 MPa,輸出信號為0~20 mA電流,經(jīng)250 Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號送至PLC。對應(yīng)的PLC模擬輸入端分別為VI3~VI6。
水流量檢測模塊將脈沖信號通過光耦進(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采樣輸入的脈沖個數(shù),并計算出每秒相應(yīng)的脈沖頻率。
排氣煙度由排氣煙度計直接輸出電壓信號,并輸入到PLC的VI2端。經(jīng)計算得到煙度的波許值計算公式為:
式中:x為煙度計輸出的電壓;y為煙度的波許值。
額定放熱量是加熱器的一個重要參數(shù),是衡量被測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。
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。
上位機(jī)采用VC編寫,主要完成以下幾項工作。
①進(jìn)行員工以及產(chǎn)品型號確認(rèn)。工作時首先根據(jù)現(xiàn)場員工輸入的個人編號確認(rèn)是否正確,若不正確,返回輸入錯誤的信息;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)行型號驗證,如果正確,則進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試;否則員工不能進(jìn)行檢測,返回信息提示型號錯誤,需要重新掃描。
②根據(jù)加熱器編號自動生成額定放熱量、油耗相應(yīng)的上下限,并發(fā)送給PLC。
③數(shù)據(jù)存儲功能。所有被檢測的加熱器信息,都以Excel的格式自動存儲在上位機(jī)中,包括各項參數(shù)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否合格、哪項參數(shù)不合格等信息,以備查詢。
觸摸屏主要完成以下3項功能:①用來輸入個人信息和產(chǎn)品編號,并查詢不合格產(chǎn)品的記錄;②進(jìn)行加熱器各項檢測參數(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)員工可以隨時查看各項參數(shù)的實(shí)時顯示畫面。
PLC程序設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心部分,主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、放熱量計算以及波許值計算等。由于加熱器各項參數(shù)的檢測是在加熱器工作達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行的,采集的時間也不是全過程。因此,可以進(jìn)行時間設(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)時就可以進(jìn)行采集。采集時間一般設(shè)定為120 s,檢測溫度值和設(shè)定時間通過觸摸屏來完成。為保證各項參數(shù)的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)每隔10 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并計算各項參數(shù)在設(shè)定時間內(nèi)的平均值。當(dāng)設(shè)定時間到達(dá)后,向上位機(jī)發(fā)出測試結(jié)束命令,上位機(jī)讀取各項參數(shù),并為下一次測試做好準(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、測試時間設(shè)定、標(biāo)志位初始化等內(nèi)容。當(dāng)測試時間到達(dá)后,置上位機(jī)讀取標(biāo)志位,并結(jié)束該次測試,等待輸入下一個產(chǎn)品的編號,從而為下一次測試做好準(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
由于系統(tǒng)模擬量較多,涉及電壓、電流、溫度、壓力、煙度、流量等多個模擬量的采集,所以對于所采集的數(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)只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定即可。由于額定放熱量的計算與進(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。為提高擬合多項式的精度,選用三次多項式作為目標(biāo)函數(shù),其表達(dá)式為:
式中:y為實(shí)際溫度值,℃;x為測量溫度值,℃;a0、a1、a2、a3為待定系數(shù)。
加熱器測試的水溫范圍為0~100℃,而額定放熱量的測試溫度一般都為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℃選取一個點(diǎn);其余每隔5℃選取一個點(diǎn),一共選取了28個點(diǎn)作為yi。對這28個點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量,測量得到的28個數(shù)據(jù)作為多項式擬合的數(shù)據(jù)源xi。根據(jù)最小項擬合多項式的原理[7],可得:
把數(shù)據(jù)源參數(shù)代入式(4),計算出 a0、a1、a2、a3的值,即得到擬合的多項式表達(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)編制成一個插值子程序,PLC把采樣的測量平均值Tr代入即可求得對應(yīng)的溫度值T。在0~100℃范圍內(nèi),采用式(5)計算得到的溫度誤差很小,最大值誤差為0.110 9 K。當(dāng)4號檢測臺的功率分別為19.8 kW、6.8 kW時,加熱器測試數(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
系統(tǒng)通過RS-485總線將每臺加熱器的各種信息傳送到上位機(jī)進(jìn)行存儲,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;其自動測試功能,也減少了由于人為因素帶來的影響,測量得到的數(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)具有較高的社會與經(jīng)濟(jì)效益。
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