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    一、系統綜述

    整個系統由中央控制單元、底盤測功機、尾氣取樣單元、分析儀器單元以及相關輔助設備組成。首先底盤測功機模擬汽車的工況，然后尾氣取樣系統對樣氣進行精確的定量采集，最后由分析儀器單元對樣氣中的污染物濃度加以定量檢測，中央控制單元實現對整個系統的自動控制。其中中央控制單元采用嵌入式系統作為核心控制單元，系統操作站為運行bbbbbbs CE嵌入式操作系統和組態王6.0嵌入版組態軟件的工控機，負責發布命令給作為現場控制及命令執行元件的PLC。同時工控機與遠程上位PC之間采用TCP／IP協議進行通訊。

    精簡的bbbbbbs CE嵌入式操作系統使運行于該操作系統上的嵌入版組態王6.0組態軟件的執行效率很高，完全可以滿足設備現場運行的需要。

    1. 工作原理

  系統總體示意圖如圖1所示。打開引擎的汽車在底盤測功機上模擬各種行駛工況，其尾氣排放的污染物在鼓風機作用下經環境空氣濾清器后進入尾氣取樣系統采樣器，進行定容稀釋取樣（CVS）。分析儀器分別從背景氣袋中、稀釋排氣氣袋取樣氣進行分析，測量得出污染物的體積濃度。汽車尾氣中污染物的排放值由以下公式進行計算：

    m_i=1/S*V*d_i*c_i/10⁶ （i for HC、NOx、CO）

    式中：m_i一排出的污染物的質量；S一行使距離；V一溫度為273K，大氣壓力為101.33KPa的基準條件下稀釋排氣總容積，單位：m³；d_i—各種污染物在溫度273K，大氣壓力101.33 KPa時的密度；d_CO=1.25kg／m3；d_HC=0.619kg／m³；d_NO2=2.05kg／m³（排氣中NOx的濃度用NO₂當量表示）；c_i —稀釋排氣中污染物的容積濃度，10^-6。
   
    2. 控制系統的工作過程

    工控機通過CVS系統和分析單元的傳感器獲取測量數據，通過數據采集模塊轉換為符合RS-485規范的數字信號，傳送給觸摸屏，觸摸屏將測量數據通過TCP／IP協議傳送給PC機（上位機），完成數據處理工作。同時，觸摸屏根據采集信號的數值判斷目前的工作狀態，將控制指令發送給分析單元和CVS系統的PLC。分析單元的PLC主要完成對分析儀器進行一系列氣路切換、量程轉換的操作，CVS系統PLC主要對CVS進行流程控制，實現自動清洗、采樣等一系列功能。控制指令經PLC處理后，轉換為直接的繼電器開閉信號，實現打開和關閉CVS系統電磁閥、取樣泵的任務。另外，配電箱還為風機提供了380V動力電的開關，可手動控制風機的啟動與停止。控制系統結構框圖如圖2所示。

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二、系統硬件組成

    為了確保系統的準確性和可靠性，本文選用了工控領域中穩定可靠的bbbbbbs CE嵌入式操作系統作為工控機的控制核心。數據采集模塊、PLC、繼電器等元件性能穩定，采集和控制精度高，響應速度快。

    1. 工控機

    作為操作站的工控機基于嵌入式操作系統bbbbbbs CE和嵌入式組態軟件組態王6.0（128點）開發的客戶端應用程序。bbbbbbs CE嵌入式系統的優越性在于其設備管理簡單高效，支持不同類別的設備，支持即插即用的管理模式和設備節能控制；處理系統的輸入輸出具有實時響應能力。

    組態王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系統的開發平臺，由于組態王嵌入版6．0的穩定性較高，占用系統資源較小，組態軟件本身提供大量通用設備的驅動程序，開發周期短，故選用組態王嵌入版6.0作為開發工具。

    硬件選用的是ADVANTECH-研華TPC064觸摸屏（嵌入式一體化工控機），其主要系統參數如下：

    液晶顯示器尺寸：5.7"TFT；CPU主頻：ARM9266MHz；內存：64M；CF卡：64M。
   
    觸摸屏對外數據傳輸接口主要有四個RS232接口、兩個RS485接口、一個USB接口，1個10／100M網絡接口。
   
    采用工控機的方式，可多串口輸入，處理速度快、效率高，而且觸摸屏有良好的人機對話界面，操作簡便、直觀，滿足了檢測設備實時操作和實時顯示的功能。

  2. PLC
   
    本文選用SIMATIC S7-200系列PLC，主模塊與工控機通過RS-232串口通訊，用step7-Microwin實現軟件編程。PLC作為一種專門用于工業生產過程控制的現場設備，具有可靠性高、適應性強、通訊和編程方便、結構模塊化的特點。
   
    PLC執行操作站發出的指令并進行報警處理等簡單的運算。整個系統中PLC控制的硬件開關量共有24個，其中分析儀器單元有5個三通電磁閥和一個取樣泵，CVS單元有7個兩通電磁閥、8個三通電磁閥和三個泵。

    3. 傳感器與數據采集模塊
   
    系統中分析儀器單元測量濃度值經后面板的輸出端子以模擬量輸出，CVS單元的流量計量單元測量數據由傳感器以模擬量輸出，具體的傳感器包括：

• 標準長徑噴嘴流量計：BYW-S-80，4 m³／min～8 m³／min，噴管直徑80mm，用于主流道恒定流量測量；
• 數字壓力變送器：BYD-8，標準長徑噴嘴流量計前端壓力測量，輸出信號4 mA～20mA DC，24V；
• 電容式壓差變送器：1151DP3E22M183，標準長徑噴嘴流量計前端、后端壓力差測量，輸出信號4-20mA DC，24V；
• 防爆型數字溫度變送器：BWD-8，標準長徑噴嘴流量計后端溫度測量，輸出信號4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；
• 壓力變送器：CS20FUCIIIERC₃L_m（3）A，用于控制樣氣取樣袋壓力并保護之，輸出信號4 mA ～20mA DC，供電范圍15 V ～28VDC。
• 數據采集模塊：研華16通道A／D PCL-818數據采集卡。

    4. 通訊模塊
   
    系統通訊方式分為兩種：串口通訊和TCP／IP協議通訊。PLC和數據采集模塊與工控機之間為串口通訊；工控機與PC機之間采用TCP／IP協議進行通訊。硬件參數如下：工控機網卡：1個10／100M網絡接口；PC機網卡-TP-bbbb，100M。
   
    三、系統軟件設計
   
    本嵌入式控制系統的編程分為兩部分，一是PLC軟件編程，實現對工作單元的現場控制；二是操作站觸摸屏的編程，觸摸屏根據傳感器獲取的測量數據判斷目前的工作狀態，然后將控制指令發送給各單元的PLC，同時生成交互式的人機對話界面。
   
    1. PLC編程
   
    （1） 控制流程描述
   
    分析儀器單元的PLC負責氣路和量程切換的操作，CVS單元的PLC主要對CVS系統進行流程控制，實現自動清洗、自動采樣等一系列功能控制。以CVS系統為例，PLC首先控制CVS單元排氣過程，將氣囊中的廢氣排空；然后控制清洗過程，進行管路清洗；最后控制自動采樣，將背景氣體和稀釋氣體分別抽到兩個氣囊，為分析儀器的氣體分析做好準備。上述過程主要包含對泵、閥開關和定時延時的控制。控制過程如圖3所示。

   （2）控制程序

    整個控制程序我們采用程序代碼編程，它較之梯形圖、功能模塊靈活、方便，結構緊湊。主程序模塊為：

    LD  SM0.1    ／／初始化，調用子程序0
    CALL  SBR_0
    S    M2.0，4  ／／設置程序執行標志位
    LD    M0.1  ／／啟用等待程序
    A    M2.0  ／／M2．0設為1
    LPS
    LD    M8.1  ／／有復位請求
    ALD
    CALL  SBR_I／／調用子程序1
    ／／SBR_0：
    LD    SM0.0
     …．．    ／／初始化泵閥狀態
    CRET
    ，，SBR_I：
    LD    SM0.0
    LD    M3.0
     …．．    ／／控制CVS工作流程
    CRET
   
    2. 觸摸屏控制程序設計
   
    系統中操作站我們采用觸摸屏實現交互式人機對話。包括5個主要界面：系統主界面、CVS界面、分析儀器界面、報表和歷史數據查詢打印界面、手動界面。設計以按鈕形式簡便、直觀地來控制PLC運行，有顯示操作狀態和數據、故障報警以及報表查詢等功能。

    四、結束語

    整個系統完全滿足汽車生產廠家現場監測汽車尾氣污染物含量的要求。通過簡單直觀的人機對話界面實現復雜的操作，克服以往監測系統可靠性低、故障率高、操作復效率低等缺點，從而有效地提高了我國汽車生產廠家生產管理水平。