汽车燃油加热器数据自动采集系统

张铁壁 孙士尉 夏国明 马晓辉 张学军

(河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061001)

0 引言

汽车燃油加热器数据采集系统用于测试加热器出厂前的各类参数。使用该系统前，员工手动抄录不同类型加热器的各种数据并进行分析。由于现场仪表显示的数据存在浮动，因此，很难准确记录各项参数[1];此外，一些员工由于责任心不强，不能检出不合格的产品，也给企业的声誉带来了一定的负面影响。基于这些问题，需要设计一个自动数据采集系统。该系统用于将数据采集到上位机，对数据进行存储、分析并判定检测产品是否合格;最后将员工的信息存入到上位机的数据库，使产品编码与检测员工的信息做到一一对应，以备日后调用、处理和分析。

1 加热器的结构和工作原理

1.1 加热器的结构组成

汽车燃油加热器由供油系统、进排气系统、燃烧器、点火系统、供热系统及控制系统等组成[2]。其中，供油系统由燃油箱(即车用油箱)、燃油滤清器、燃油管、低压油泵(离心或蒸发式燃烧器)、高压油泵、喷油嘴以及回油管(喷射式燃烧器)等构成。进排气系统包括助燃空气进气滤网、进气量调节阀、进气消音器、助燃风扇、风扇电机、排气管及排气消声器等。点火系统用于对喷射式燃烧器，一般配用点火电极和高压线圈等。供热系统包括水泵、循环水管、热交换器等。控制系统包括控制器、点火传感器、过热传感器、水温传感器、开关等。

1.2 加热器的工作原理

加热器工作原理具体如下。启动时，控制器首先对加热器进行自检，循环水泵运转0.5 min后，电机低速运行，同时驱动助燃风扇和高压燃油泵工作;接着点火电极以一定的频率连续跳火;随后电磁阀打开，呈雾状的高压燃油以圆锥状由喷嘴喷出，并与进入燃烧室中的助燃空气混合燃烧;传感器感知着火后，点火电极停止工作，此时燃烧器依靠燃烧室中部分高温燃气回流点燃混合气，并持续燃烧，电机升至额定转速运转，加热器进入正常工作状态;最后燃烧的高温废气由燃烧室折返，经换热器散热后从排气管排入大气，热交换器水腔中的载热介质水将热量源源不断地输送给相应汽车，从而实行供热。

2 采集系统的整体功能

采集系统由上位机和检测台两大部分组成，其结构如图1所示。该系统一共有14个工位，即有14套检测台。1号检测台的RS-485通信口经过RS-232转换后连接到上位机的COM1口;1～14号检测台之间通过RS-485通信口以菊花链的形式连接。

图1 系统结构图Fig.1 Stnucture diagram of system

系统首先通过上位机设定员工的编号和产品的编号，在现场触摸屏输入当班员工编号以及产品编号;与上位机比对无误后，发出测试指令，员工在现场按下测试按钮，系统就可以实现数据自动采集、数据结果分析。测试结束后，将测试数据及分析结果传送到上位机进行存储，并在现场显示产品是否合格。现场配置了多个传感器和测量仪表，用于测量加热器的各项参数，包括电压、电流、进水口温度、出水口温度、排气温度、排气烟度、系统压力、水流量、耗油量等。通过现场的触摸屏，不仅可以对各项参数进行实时显示，而且可以查询不合格产品的记录。设定参数必须由管理员进行设定。

3 检测台设计

检测台的构成框图如图2所示。

图2 检测台构成框图Fig.2 Composition of the test bench

3.1 检测台硬件介绍

由于系统需要测量的模拟量较多，所以选择了性价比较高的信捷PLC XC3-19AR-E。它集逻辑控制、模拟量输入输出于一体，具有9点开关量输入、10点开关量输出、8点模拟量输入、2点模拟量输出，并支持3路AB相输入和4路高速计数。

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触摸屏选用昆仑电子科技有限公司生产的TPC1062K电阻式触摸屏。该触摸屏是10.2英寸(1英寸=25.4 mm)TFT液晶显示、真彩LED背光、分辨率为800×480、显示颜色为65 535色、背光寿命可达到50 000 h、内存64 MB SDRAM。

3.2 数据采集模块

检测台中的数据采集模块主要包含电压、电流、温度、排气烟度、系统压力、水流量、耗油量等数据采集部分。检测器的工作电压一般为24 VDC或12 VDC，系统采用分压器将电压调整到0～10 V的范围后输入到PLC的模拟量输入端VI0。电流模块采用霍尔式直流电流变送器，被测直流电流与输出信号之间采用电气隔离。该模块将系统的直流电流转换为0～5 V的直流输出信号，发送到PLC的VI1端。

温度检测包括进水口、出水口和加热器的排气温度检测。进出水口温度检测采用的是热电阻Pt100，工作温度范围为0～98℃;排气温度选择的是K型热电偶，工作温度范围为200～300℃。该部分选择相应的温度变送器将温度信号转换为1～5 V的电压信号。循环水管压力范围为0～0.6 MPa，输出信号为0～20 mA电流，经250 Ω电阻转换为电压信号送至PLC。对应的PLC模拟输入端分别为VI3～VI6。

水流量检测模块将脉冲信号通过光耦进行电平转换后送入PLC的高速脉冲输入端X1。耗油量模块输出的也是脉冲，但是脉冲频率较低，经电平转换后直接送到PLC的输入端X4。编制程序按照每20 ms采样输入的脉冲个数，并计算出每秒相应的脉冲频率。

排气烟度由排气烟度计直接输出电压信号，并输入到PLC的VI2端。经计算得到烟度的波许值计算公式为：

式中：x为烟度计输出的电压;y为烟度的波许值。

额定放热量是加热器的一个重要参数，是衡量被测加热器额定放热量是否合格的依据。该值与进出口温度差、水流量、水的密度等参数有关，具体计算公式为：

式中：P为额定放热量，kW;c为水的比热，kJ/kg·K;Q为水流量，m3/s;ρ为水的密度，kg/m3;t1为进口水温，℃或K;t2为出口水温，℃或K。

4 软件设计

系统软件包括上位机软件、触摸屏软件和PLC程序等3部分。

4.1 上位机软件设计

上位机采用VC编写，主要完成以下几项工作。

①进行员工以及产品型号确认。工作时首先根据现场员工输入的个人编号确认是否正确，若不正确，返回输入错误的信息;如果正确，触摸屏直接进入下一屏。按照触摸屏的提示，用扫描枪扫描被检测的加热器的条形码，条形码信息通过PLC传送到上位机进行型号验证，如果正确，则进行相关参数测试;否则员工不能进行检测，返回信息提示型号错误，需要重新扫描。

②根据加热器编号自动生成额定放热量、油耗相应的上下限，并发送给PLC。

③数据存储功能。所有被检测的加热器信息，都以Excel的格式自动存储在上位机中，包括各项参数的数据、数据是否合格、哪项参数不合格等信息，以备查询。

4.2 触摸屏软件设计

触摸屏主要完成以下3项功能：①用来输入个人信息和产品编号，并查询不合格产品的记录;②进行加热器各项检测参数的上下限以及其他参数的设定，该参数设定设置了密码，只有管理人员才可以进行相关设定;③企业员工可以随时查看各项参数的实时显示画面。

4.3 PLC 程序设计

PLC程序设计是整个系统的核心部分，主要完成数据采集、数据处理、放热量计算以及波许值计算等。由于加热器各项参数的检测是在加热器工作达到稳定后进行的，采集的时间也不是全过程。因此，可以进行时间设定。一般地，当温度大于50℃(该温度可以通过触摸屏进行设定)时就可以进行采集。采集时间一般设定为120 s，检测温度值和设定时间通过触摸屏来完成。为保证各项参数的准确性，系统每隔10 s进行数据采集，并计算各项参数在设定时间内的平均值。当设定时间到达后，向上位机发出测试结束命令，上位机读取各项参数，并为下一次测试做好准备。

程序的初始化包括建立与触摸屏/上位机的通信连接、参数上下限设定、测试时间设定、标志位初始化等内容。当测试时间到达后，置上位机读取标志位，并结束该次测试，等待输入下一个产品的编号，从而为下一次测试做好准备。具体程序流程如图3所示。

图3 程序流程图Fig.3 The flowchart of program

5 数据处理

由于系统模拟量较多，涉及电压、电流、温度、压力、烟度、流量等多个模拟量的采集，所以对于所采集的数据进行线性化处理尤为重要。除进出水口温度外，其余数据均输入到PLC的模拟量输入端，得到的数字量基本达到了系统要求的精度，后续只需对数据进行标定即可。由于额定放热量的计算与进出口水温差有直接的关系，而额定放热量又是衡量加热器是否合格的一个重要参数，因此进出水口温度的准确性至关重要。实际过程中，温度变送器的输出已经近似为线性，但是仍不能满足精度要求，所以需要用软件进行测量误差补偿[3]。

温度的软件补偿方法有很多，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对进出水口的温度进行线性化补偿处理。由于进出水口温度采用的是同一种热电阻，因此处理方法相同。为提高拟合多项式的精度，选用三次多项式作为目标函数，其表达式为：

式中：y为实际温度值，℃;x为测量温度值，℃;a0、a1、a2、a3为待定系数。

加热器测试的水温范围为0～100℃，而额定放热量的测试温度一般都为50～70℃，所以在0～100℃内侧重选取了一系列的温度参考点，而在50～70℃范围内每隔2℃选取一个点;其余每隔5℃选取一个点，一共选取了28个点作为yi。对这28个点进行实时测量，测量得到的28个数据作为多项式拟合的数据源xi。根据最小项拟合多项式的原理[7]，可得：

把数据源参数代入式(4)，计算出 a0、a1、a2、a3的值，即得到拟合的多项式表达式为：

式中：T为拟合后的温度值;Tr为经过变送器输出以后的标定值。

将式(5)编制成一个插值子程序，PLC把采样的测量平均值Tr代入即可求得对应的温度值T。在0～100℃范围内，采用式(5)计算得到的温度误差很小，最大值误差为0.110 9 K。当4号检测台的功率分别为19.8 kW、6.8 kW时，加热器测试数据与利用最小二乘法修正后的比较结果如表1所示。由表1可以看出，修正后的温度最大误差远小于系统要求的0.1 K。

表1 实际温度值与修正值比较Tab.1 Comparison of the actual temperature and corrected value

6 结束语

系统通过RS-485总线将每台加热器的各种信息传送到上位机进行存储，实现了加热器数据采集的无纸化，大大减少了员工的工作量;其自动测试功能，也减少了由于人为因素带来的影响，测量得到的数据更加准确可靠;此外，系统实现了员工与产品的一一对应，增强了员工的责任心。运行一年来，员工普遍反映系统具有使用简单、易于操作、显示界面直观、数据准确等特点。实践表明，系统具有较高的社会与经济效益。

[1]付伟，于培亮，马思乐.基于S7-200 PLC的汽车加热器数据采集系统[J].可编程控制器与工厂自动化(PLC＆FA)，2011(11)：94－97.

[2]赵书明.客车采暖系统现状及发展分析[J].城市车辆，2009(6)：56－59.

[3]张天亮，姚庆梅，许夫明，等.基于分段线性插值法的高精度测温研究[J].信息技术与信息化，2012(1)：70 －72.

[4]张雷杰，章洁平.宽量程高精度铂电阻温度变送器设计[J].导弹与航天运载技术，2010(4)：55 －57.

[5]张华强，李玉峰.基于最小二乘法的热量表温度采集模块设计[J].仪表技术与传感器2011(2)：16－18.

[6]王福顺，刘永福，孙小华，等.高精度土壤温度原位测量系统[J].农业机械学报，2012，43(11)：102 －106.

[7]吕同富，康兆敏.数值计算方法[M].北京：清华大学出版社，2008：220－222.