自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)的研究

廖 威

(上海神開(kāi)石油儀器有限公司,上海 201114)

0 引言

辛烷值是評(píng)定汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)抗爆震燃燒能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1-2]。傳統(tǒng)手動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)存在以下不足：在尋找最大爆震液面、判斷油品穩(wěn)定性方面對(duì)操作員的熟練程度要求較高，人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大；手動(dòng)儀器油品評(píng)定過(guò)程中需操作員全程參與，工作效率低；甲苯等燃料在評(píng)定過(guò)程中散發(fā)的有害氣體對(duì)操作員的身體傷害較大；更換方法需至少兩個(gè)人配合更換皮帶或飛輪，勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在一定的危險(xiǎn)性。鑒于手動(dòng)儀器存在的缺陷，本文對(duì)自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 儀器設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)基本設(shè)計(jì)原理如下。

油杯的升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲桿、限位等組成。系統(tǒng)通過(guò)控制升降機(jī)構(gòu)控制油杯內(nèi)燃油液面的高度，并結(jié)合特定的算法準(zhǔn)確捕捉最佳燃空比液面。六通旋閥的切換由步進(jìn)電機(jī)+編碼器的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位控制[3]。激光位移傳感器用于檢測(cè)缸頭位移進(jìn)而換算成壓縮比。交流電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)來(lái)控制缸頭上下移動(dòng)，并結(jié)合激光位移傳感器數(shù)值閉環(huán)控制壓縮比。辛烷值評(píng)定試驗(yàn)方法分為研究法和馬達(dá)法。兩者的主要區(qū)別在于：研究法轉(zhuǎn)速為(600±10)r/min；馬達(dá)法轉(zhuǎn)速為(900±10)r/min。

本文應(yīng)用變頻裝置控制動(dòng)力電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速切換。試驗(yàn)進(jìn)程控制包括對(duì)各模塊的自動(dòng)銜接控制、單個(gè)樣品油穩(wěn)定性判斷的控制，以及對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中報(bào)警裝置的控制。

儀器設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 儀器設(shè)計(jì)原理圖

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框圖

電氣系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)總體框圖

工況傳檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)。

其中，溫度采用Pt100檢測(cè)。微控制器(microcontroller unit,MCU)控制進(jìn)氣加熱管輸出功率，應(yīng)用比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法，根據(jù)設(shè)定溫度進(jìn)行控制。凸輪軸位置檢測(cè)與點(diǎn)火模塊配合實(shí)現(xiàn)精確位置的點(diǎn)火控制。報(bào)警模塊分為系統(tǒng)故障提醒和試驗(yàn)結(jié)束提醒，用燈光和蜂鳴器工作方式進(jìn)行區(qū)分。旋閥切換模塊用于切換油杯進(jìn)油通道。變頻調(diào)速模塊用于切換油品評(píng)定試驗(yàn)方法。MCU與工業(yè)平板電腦通過(guò)RS-232串口通信交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2.2 最大爆震液面捕獲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

①峰值谷值雙檢測(cè)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)采用峰值谷值雙檢測(cè)原理，確保峰值檢測(cè)的準(zhǔn)確度。峰值谷值雙檢測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 峰值谷值雙檢測(cè)示意圖

峰值谷值雙檢測(cè)設(shè)計(jì)工作原理如下。油杯升降模塊帶動(dòng)油杯從底部以恒定速度上升，使燃油液面高度逐漸上升、爆震數(shù)據(jù)逐漸變大，記錄爆震數(shù)據(jù)最大值ymax。當(dāng)爆震數(shù)據(jù)下降至ymax-Δy(Δy為爆震數(shù)據(jù)從最大值下降的幅度)時(shí)，液面高度位置為峰值過(guò)沖位置。該液面高度為最高位置?？刂葡到y(tǒng)控制油杯下降，尋找谷值，記錄爆震數(shù)據(jù)最小值ymin。當(dāng)爆震數(shù)據(jù)達(dá)到y(tǒng)min+Δy，記錄此時(shí)的液面高度為谷值過(guò)沖位置。谷值尋找完畢后，即可判定峰值尋找的準(zhǔn)確性。

②液面高度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

由于數(shù)字濾波的延遲性、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門開(kāi)啟的時(shí)間、燃油霧化管路的長(zhǎng)度都會(huì)導(dǎo)致液面高度對(duì)應(yīng)的爆震強(qiáng)度與采集的爆震強(qiáng)度存在偏差，即系統(tǒng)存在爆震滯后[4]。該滯后時(shí)間為τ。為保證最大爆震液面尋找的準(zhǔn)確性，自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定系統(tǒng)需要對(duì)液面高度進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償后的最大爆震液面高度xm=xt-vτ。其中：xt為峰值對(duì)應(yīng)的液面高度；v為油杯上升的速度。油杯上升速度越快，最大爆震液面高度與峰值對(duì)應(yīng)的液面高度偏差越大；油杯上升速度越慢，最大爆震液面高度與峰值對(duì)應(yīng)的液面高度偏差越小，但耗時(shí)長(zhǎng)。因此，τ值對(duì)自動(dòng)尋找液面至關(guān)重要。為尋找合適的τ值，需進(jìn)行以下試驗(yàn)。

對(duì)同種油品在同一臺(tái)機(jī)器，以0.02 mm/s、0.06 mm/s、0.1 mm/s速度進(jìn)行最大爆震液面尋找與手動(dòng)液面尋找進(jìn)行對(duì)比。

不同移動(dòng)速度下的液面高度與爆震強(qiáng)度波形如圖4所示。

圖4 不同移動(dòng)速度下的液面高度與爆震強(qiáng)度的波形圖

由圖4可知：油杯以0.02 mm/s速度上升峰值對(duì)應(yīng)的液面高度與手動(dòng)比較接近；以0.1 mm/s速度上升峰值對(duì)應(yīng)的液面高度與手動(dòng)相差較大。 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：0.02 mm/s對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)滯后時(shí)間約為25 s；0.06 mm/s對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)滯后時(shí)間約為28 s；0.1 mm/s對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)滯后時(shí)間約為30 s。通過(guò)對(duì)3種不同速度的液面高度與爆震強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以確定最大爆震液面之后時(shí)間約為25～30 s。將τ值應(yīng)用到自動(dòng)尋找最大爆震液面中，進(jìn)行不同油品試驗(yàn)，并與手動(dòng)操作進(jìn)行對(duì)比。油樣最大爆震液面高度對(duì)比如表1所示。

表1 油樣最大爆震液面高度對(duì)比

由表1可知，對(duì)92#標(biāo)油和93.4甲苯，自動(dòng)手動(dòng)各3次試驗(yàn)對(duì)比，重復(fù)性與再現(xiàn)性均與手動(dòng)一致。

2.3 關(guān)鍵模塊的研究與設(shè)計(jì)

①爆震強(qiáng)度采集模塊設(shè)計(jì)。

爆震信號(hào)是指發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)油氣混合在點(diǎn)燃后爆炸產(chǎn)生的圧力信號(hào)，由爆震傳感器檢測(cè)。該信號(hào)為脈沖信號(hào)，脈沖峰值即為爆震強(qiáng)度。鑒于傳統(tǒng)儀器常用的峰值采樣保持芯片PKD01已停產(chǎn)，設(shè)計(jì)采用AD585芯片重新設(shè)計(jì)峰值捕獲電路。AD585與PKD01相比，擁有更快的響應(yīng)速度和更高的準(zhǔn)確度。峰值捕獲電路設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 峰值捕獲電路設(shè)計(jì)框圖

爆震信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器和數(shù)字電位器以及若干電容電阻組成的放大電路處理后，進(jìn)入采樣保持電路。其中，數(shù)字電位器由MCU控制，用于在人機(jī)交互界面調(diào)節(jié)爆震信號(hào)零位及放大倍數(shù)(展寬)。采樣保持電路對(duì)爆震信號(hào)進(jìn)行采樣并保持。保持信號(hào)與實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行比較，從而控制采樣保持電路復(fù)位重新采樣保持。

爆震信號(hào)與采樣保持信號(hào)波形對(duì)比如圖6所示。

圖6 爆震信號(hào)與采樣保持信號(hào)波形對(duì)比

由圖6可知，爆震信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后峰值與采樣保持電路輸出的信號(hào)基本一致。

②油杯升降模塊自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)快速樣品評(píng)定，在傳統(tǒng)手動(dòng)儀器四油杯基礎(chǔ)上增加至六油杯。單個(gè)試驗(yàn)可評(píng)定4個(gè)油樣。油杯升降模塊采用步進(jìn)電機(jī)+絲桿工作方式控制油杯升降操作。絲桿上安裝上下限位開(kāi)關(guān)。在設(shè)計(jì)中，采用歐姆龍U形光電開(kāi)關(guān)作為限位開(kāi)關(guān)。上、下限位開(kāi)關(guān)用于限制油杯位置。同時(shí)，下限位為自動(dòng)尋找最大爆震液面的起始位置。在油杯控制電路設(shè)計(jì)中，需要控制6個(gè)油杯電機(jī)和12個(gè)限位傳感器?？紤]到辛烷值油品評(píng)定中同一時(shí)間只能評(píng)定1種油品，為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并節(jié)省CPU資源，本設(shè)計(jì)選用多路數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)CD4052實(shí)現(xiàn)雙路進(jìn)多路出和多路進(jìn)雙路出，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)的控制端實(shí)現(xiàn)油杯升降通道的自動(dòng)切換。

③旋閥自動(dòng)切換控制設(shè)計(jì)。

旋閥的自動(dòng)切換是自動(dòng)辛烷值測(cè)定機(jī)必須實(shí)現(xiàn)的功能。切換定位的準(zhǔn)確度將直接影響試驗(yàn)結(jié)果。在設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)+ABZO絕對(duì)編碼器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，以達(dá)到精確定位的目的。

④試驗(yàn)方法自動(dòng)切換設(shè)計(jì)。

辛烷值試驗(yàn)方法分為研究法和馬達(dá)法。2種方法的主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)速不同：研究法為600 r/min；馬達(dá)法為900 r/min。傳統(tǒng)儀器最初是通過(guò)更換飛輪和皮帶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速切換的。改為雙飛輪后，只需更換皮帶即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速切換。上述2種方法均需2個(gè)人配合完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)存在一定的危險(xiǎn)性。為實(shí)現(xiàn)辛烷值測(cè)定自動(dòng)化，本文設(shè)計(jì)中采用變頻控速原理，通過(guò)控制三相同步交流電機(jī)的頻率控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；記錄并保存研究法和馬達(dá)法對(duì)應(yīng)的工作頻率，方法切換時(shí)直接調(diào)用對(duì)應(yīng)頻率即可。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，儀器端軟件分為上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件。上、下位機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信，應(yīng)用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)儀器智能化管理，本文設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于Visual Studio平臺(tái)編寫，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示、試驗(yàn)過(guò)程控制、試驗(yàn)結(jié)果的存儲(chǔ)等。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

試驗(yàn)過(guò)程控制負(fù)責(zé)確保試驗(yàn)過(guò)程有序進(jìn)行。其中，爆震數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)判斷是試驗(yàn)過(guò)程的核心。不同油品的爆震穩(wěn)定時(shí)間、幅度不一致，因此如何快速、準(zhǔn)確地判斷爆震是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)是關(guān)鍵。在本文設(shè)計(jì)中，采用動(dòng)態(tài)方差法對(duì)一固定寬度的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移，計(jì)算該寬度數(shù)據(jù)的方差，以判斷爆震穩(wěn)定性。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與中石化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)(laboratory information managemeat system,LIMS)對(duì)接。LIMS可有效地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、管理以及分析[5]。外置控制設(shè)備是指試驗(yàn)所需的外置設(shè)備，如外置冷卻系統(tǒng)、外置空氣干燥系統(tǒng)。傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，外置設(shè)備室獨(dú)立于主機(jī)進(jìn)行工作。在自動(dòng)儀器設(shè)計(jì)中，將這些設(shè)備控制集成在主機(jī)中，通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行集成化控制并顯示，更易于管理。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)汽油辛烷值機(jī)遠(yuǎn)程管理。儀器全程自動(dòng)樣品評(píng)定，無(wú)需人為干預(yù)。用戶通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程傳輸分為內(nèi)網(wǎng)傳輸和外網(wǎng)傳輸。其中：內(nèi)網(wǎng)傳輸是指儀器與用戶計(jì)算機(jī)端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，授權(quán)用戶可遠(yuǎn)程操控儀器；外網(wǎng)傳輸應(yīng)用客戶端/服務(wù)端(client/server,C/S)架構(gòu)設(shè)計(jì)。C/S架構(gòu)分為客戶端和服務(wù)端。客戶端和服務(wù)端采用不同的編程語(yǔ)言編寫，通過(guò)消息傳遞實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能[6-7]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)框圖

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖9所示。

圖9 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

儀器端打開(kāi)后自動(dòng)連接服務(wù)端，向服務(wù)端發(fā)送儀器編碼、試驗(yàn)工況信息、試驗(yàn)過(guò)程信息、試驗(yàn)結(jié)束提醒、報(bào)警信息。上述信息加上開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志，組成一幀數(shù)據(jù)。其中，儀器編碼，為客戶端唯一識(shí)別標(biāo)志。試驗(yàn)工況和試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向服務(wù)端上傳，由客戶端登陸之后獲取。儀器端結(jié)束試驗(yàn)之后，向客戶端發(fā)送試驗(yàn)結(jié)束提醒，計(jì)算機(jī)客戶端給出彈框提示；移動(dòng)客戶端彈框+震動(dòng)提示，提示客戶試驗(yàn)結(jié)束，是否停機(jī)或繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，如儀器出現(xiàn)故障，客戶端會(huì)獲取報(bào)警信息并提示用戶。

3.3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序基于MPLAB環(huán)境編寫，負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采樣、與上位機(jī)通信、溫度控制、最大爆震液面捕獲、油杯升降模塊驅(qū)動(dòng)、六通旋閥驅(qū)動(dòng)以及主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等。程序在主循環(huán)及各個(gè)中斷中運(yùn)行。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)研發(fā)完成后進(jìn)行研究法樣品評(píng)定，并與手動(dòng)儀器試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。油樣評(píng)定對(duì)比如表2所示。

表2 油樣評(píng)定對(duì)比

由表2可知，手動(dòng)儀器與自動(dòng)儀器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差值滿足滿足GB/T 5487標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的再現(xiàn)性要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化油品評(píng)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與手動(dòng)儀器吻合。同時(shí)，試驗(yàn)全過(guò)程無(wú)需人為干預(yù)，很大程度地減少了油品燃料在燃燒過(guò)程中釋放的CO、NO等有害氣體對(duì)人體的傷害。所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端向用戶開(kāi)放，包括計(jì)算機(jī)端和移動(dòng)端。用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)全程做樣，并可在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)及時(shí)收到提醒。目前，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)汽油辛烷值測(cè)定機(jī)已投產(chǎn)，經(jīng)中石化、中石油以及質(zhì)檢所等多家單位應(yīng)用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，獲得用戶好評(píng)。