汽車燃油加熱器數據自動采集系統

張鐵壁 孫士尉 夏國明 馬曉輝 張學軍

(河北工程技術高等專科學校，河北 滄州 061001)

0 引言

汽車燃油加熱器數據采集系統用于測試加熱器出廠前的各類參數。使用該系統前，員工手動抄錄不同類型加熱器的各種數據并進行分析。由于現場儀表顯示的數據存在浮動，因此，很難準確記錄各項參數[1];此外，一些員工由于責任心不強，不能檢出不合格的產品，也給企業(yè)的聲譽帶來了一定的負面影響。基于這些問題，需要設計一個自動數據采集系統。該系統用于將數據采集到上位機，對數據進行存儲、分析并判定檢測產品是否合格;最后將員工的信息存入到上位機的數據庫，使產品編碼與檢測員工的信息做到一一對應，以備日后調用、處理和分析。

1 加熱器的結構和工作原理

1.1 加熱器的結構組成

汽車燃油加熱器由供油系統、進排氣系統、燃燒器、點火系統、供熱系統及控制系統等組成[2]。其中，供油系統由燃油箱(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)等構成。進排氣系統包括助燃空氣進氣濾網、進氣量調節(jié)閥、進氣消音器、助燃風扇、風扇電機、排氣管及排氣消聲器等。點火系統用于對噴射式燃燒器，一般配用點火電極和高壓線圈等。供熱系統包括水泵、循環(huán)水管、熱交換器等。控制系統包括控制器、點火傳感器、過熱傳感器、水溫傳感器、開關等。

1.2 加熱器的工作原理

加熱器工作原理具體如下。啟動時，控制器首先對加熱器進行自檢，循環(huán)水泵運轉0.5 min后，電機低速運行，同時驅動助燃風扇和高壓燃油泵工作;接著點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，并與進入燃燒室中的助燃空氣混合燃燒;傳感器感知著火后，點火電極停止工作，此時燃燒器依靠燃燒室中部分高溫燃氣回流點燃混合氣，并持續(xù)燃燒，電機升至額定轉速運轉，加熱器進入正常工作狀態(tài);最后燃燒的高溫廢氣由燃燒室折返，經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水將熱量源源不斷地輸送給相應汽車，從而實行供熱。

2 采集系統的整體功能

采集系統由上位機和檢測臺兩大部分組成，其結構如圖1所示。該系統一共有14個工位，即有14套檢測臺。1號檢測臺的RS-485通信口經過RS-232轉換后連接到上位機的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 系統結構圖Fig.1 Stnucture diagram of system

系統首先通過上位機設定員工的編號和產品的編號，在現場觸摸屏輸入當班員工編號以及產品編號;與上位機比對無誤后，發(fā)出測試指令，員工在現場按下測試按鈕，系統就可以實現數據自動采集、數據結果分析。測試結束后，將測試數據及分析結果傳送到上位機進行存儲，并在現場顯示產品是否合格。現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，包括電壓、電流、進水口溫度、出水口溫度、排氣溫度、排氣煙度、系統壓力、水流量、耗油量等。通過現場的觸摸屏，不僅可以對各項參數進行實時顯示，而且可以查詢不合格產品的記錄。設定參數必須由管理員進行設定。

3 檢測臺設計

檢測臺的構成框圖如圖2所示。

圖2 檢測臺構成框圖Fig.2 Composition of the test bench

3.1 檢測臺硬件介紹

由于系統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點開關量輸入、10點開關量輸出、8點模擬量輸入、2點模擬量輸出，并支持3路AB相輸入和4路高速計數。

BC-6800激光條碼掃描槍是北京標識技術有限公司生產的一款設計精巧時尚、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設計，內部機芯采用日本技術生產。它能快速準確閱讀所有一維條碼，其超強的解碼系統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系統以及生產制造業(yè)。

觸摸屏選用昆侖電子科技有限公司生產的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、背光壽命可達到50 000 h、內存64 MB SDRAM。

3.2 數據采集模塊

檢測臺中的數據采集模塊主要包含電壓、電流、溫度、排氣煙度、系統壓力、水流量、耗油量等數據采集部分。檢測器的工作電壓一般為24 VDC或12 VDC，系統采用分壓器將電壓調整到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。該模塊將系統的直流電流轉換為0～5 V的直流輸出信號，發(fā)送到PLC的VI1端。

溫度檢測包括進水口、出水口和加熱器的排氣溫度檢測。進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℃。該部分選擇相應的溫度變送器將溫度信號轉換為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250 Ω電阻轉換為電壓信號送至PLC。對應的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行電平轉換后送入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，經電平轉換后直接送到PLC的輸入端X4。編制程序按照每20 ms采樣輸入的脈沖個數，并計算出每秒相應的脈沖頻率。

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，是衡量被測加熱器額定放熱量是否合格的依據。該值與進出口溫度差、水流量、水的密度等參數有關，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為進口水溫，℃或K;t2為出口水溫，℃或K。

4 軟件設計

系統軟件包括上位機軟件、觸摸屏軟件和PLC程序等3部分。

4.1 上位機軟件設計

上位機采用VC編寫，主要完成以下幾項工作。

①進行員工以及產品型號確認。工作時首先根據現場員工輸入的個人編號確認是否正確，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傳送到上位機進行型號驗證，如果正確，則進行相關參數測試;否則員工不能進行檢測，返回信息提示型號錯誤，需要重新掃描。

②根據加熱器編號自動生成額定放熱量、油耗相應的上下限，并發(fā)送給PLC。

③數據存儲功能。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中，包括各項參數的數據、數據是否合格、哪項參數不合格等信息，以備查詢。

4.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏主要完成以下3項功能：①用來輸入個人信息和產品編號，并查詢不合格產品的記錄;②進行加熱器各項檢測參數的上下限以及其他參數的設定，該參數設定設置了密碼，只有管理人員才可以進行相關設定;③企業(yè)員工可以隨時查看各項參數的實時顯示畫面。

4.3 PLC 程序設計

PLC程序設計是整個系統的核心部分，主要完成數據采集、數據處理、放熱量計算以及波許值計算等。由于加熱器各項參數的檢測是在加熱器工作達到穩(wěn)定后進行的，采集的時間也不是全過程。因此，可以進行時間設定。一般地，當溫度大于50℃(該溫度可以通過觸摸屏進行設定)時就可以進行采集。采集時間一般設定為120 s，檢測溫度值和設定時間通過觸摸屏來完成。為保證各項參數的準確性，系統每隔10 s進行數據采集，并計算各項參數在設定時間內的平均值。當設定時間到達后，向上位機發(fā)出測試結束命令，上位機讀取各項參數，并為下一次測試做好準備。

程序的初始化包括建立與觸摸屏/上位機的通信連接、參數上下限設定、測試時間設定、標志位初始化等內容。當測試時間到達后，置上位機讀取標志位，并結束該次測試，等待輸入下一個產品的編號，從而為下一次測試做好準備。具體程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 The flowchart of program

5 數據處理

由于系統模擬量較多，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據進行線性化處理尤為重要。除進出水口溫度外，其余數據均輸入到PLC的模擬量輸入端，得到的數字量基本達到了系統要求的精度，后續(xù)只需對數據進行標定即可。由于額定放熱量的計算與進出口水溫差有直接的關系，而額定放熱量又是衡量加熱器是否合格的一個重要參數，因此進出水口溫度的準確性至關重要。實際過程中，溫度變送器的輸出已經近似為線性，但是仍不能滿足精度要求，所以需要用軟件進行測量誤差補償[3]。

溫度的軟件補償方法有很多，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出水口的溫度進行線性化補償處理。由于進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函數，其表達式為：

式中：y為實際溫度值，℃;x為測量溫度值，℃;a0、a1、a2、a3為待定系數。

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℃內側重選取了一系列的溫度參考點，而在50～70℃范圍內每隔2℃選取一個點;其余每隔5℃選取一個點，一共選取了28個點作為yi。對這28個點進行實時測量，測量得到的28個數據作為多項式擬合的數據源xi。根據最小項擬合多項式的原理[7]，可得：

把數據源參數代入式(4)，計算出 a0、a1、a2、a3的值，即得到擬合的多項式表達式為：

式中：T為擬合后的溫度值;Tr為經過變送器輸出以后的標定值。

將式(5)編制成一個插值子程序，PLC把采樣的測量平均值Tr代入即可求得對應的溫度值T。在0～100℃范圍內，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4號檢測臺的功率分別為19.8 kW、6.8 kW時，加熱器測試數據與利用最小二乘法修正后的比較結果如表1所示。由表1可以看出，修正后的溫度最大誤差遠小于系統要求的0.1 K。

表1 實際溫度值與修正值比較Tab.1 Comparison of the actual temperature and corrected value

6 結束語

系統通過RS-485總線將每臺加熱器的各種信息傳送到上位機進行存儲，實現了加熱器數據采集的無紙化，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，測量得到的數據更加準確可靠;此外，系統實現了員工與產品的一一對應，增強了員工的責任心。運行一年來，員工普遍反映系統具有使用簡單、易于操作、顯示界面直觀、數據準確等特點。實踐表明，系統具有較高的社會與經濟效益。

[1]付偉，于培亮，馬思樂.基于S7-200 PLC的汽車加熱器數據采集系統[J].可編程控制器與工廠自動化(PLC＆FA)，2011(11)：94－97.

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[3]張?zhí)炝粒c梅，許夫明，等.基于分段線性插值法的高精度測溫研究[J].信息技術與信息化，2012(1)：70 －72.

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[5]張華強，李玉峰.基于最小二乘法的熱量表溫度采集模塊設計[J].儀表技術與傳感器2011(2)：16－18.

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[7]呂同富，康兆敏.數值計算方法[M].北京：清華大學出版社，2008：220－222.