内燃机排放测量CVS系统控制软件设计

郝利君，　梁　卿，　袁应涛，　王丽清，　谭建伟，　葛蕴珊

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081;2. 陕西柴油机重工有限公司，兴平 713105)



内燃机排放测量CVS系统控制软件设计

郝利君1，梁卿1，袁应涛2，王丽清1，谭建伟1，葛蕴珊1

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081;2. 陕西柴油机重工有限公司，兴平 713105)

以AVL-CVS定容稀释取样系统作为开发对象，编写CVS系统控制程序，控制方案为集中式控制系统；主控计算机与CVS系统硬件端口间的串行通讯采用AVL公司排放设备之间的通讯协议—AK协议为基础构建；CVS控制软件采用面向对象的可视化编程语言Delphi语言开发，实现了对CVS系统硬件设备的调节和控制，满足了内燃机气态排放污染物及颗粒物的采样和测量的要求.

内燃机；排放；CVS；控制软件；Delphi

随着经济的快速发展，我国汽车保有量也呈现出井喷式增长.2014年，全国汽车产销量分别为2 372万辆和2 349万辆[1].汽车数量剧增带来的汽车尾气排放对环境造成巨大影响，为了准确评估汽车发动机的排放性能，采用何种排放检测技术和检测方法显得尤为重要.目前，世界各国的排放法规中规定机动车排放测试采用定容取样(CVS)系统取样，即将发动机的全部排气排入稀释通道中，用经过空气滤清器过滤的环境空气稀释，形成恒定容积流量的稀释排气.测试时的情况模拟汽车排气尾管出口处排气在环境空气中的扩散情况，这时稀释排气取样袋采集的气样中含有的污染物量与排气污染物总量的比例保持不变.因此，测试循环结束后，测量气袋中各污染物的浓度，乘上CVS系统中流过的稀释排气总量，即发动机在测量过程中各污染物的总量[2].

国外汽车排放检测设备领域中，具有成熟检测设备生产能力的公司主要有日本HORIBA公司，奥地利AVL公司以及美国CAI公司等.国外比较先进的汽车排放检测系统已经实现自动化，日本、欧洲、美国等国家已经拥有先进的排放设备制造技术和现代化的排放实验室.广泛使用计算机技术使得几乎所有的排放测试工作、设备控制和数据分析都可以通过计算机来完成[3].

国内庞大的汽车市场对检测设备有着迫切需求，目前清华大学、天津大学、长安大学和华中科技大学等高等院校在尾气检测设备领域已经有了一定的研究成果，国内70研究所、江苏启测、杭州中成等企业已经能够生产成套的发动机常规测试设备以及部分专用设备.但是无论是在性能、精度还是在质量、可靠性水平相比于国外都还比较低，软件控制技术水平也需要提高.

项目中CVS系统由奥地利AVL公司生产，原操作系统为Windows 95系统，计算机运行速度慢，内存及硬盘容量小，且由于硬件系统损坏，目前已无法使用，升级控制系统需支付高额费用.为了恢复该CVS系统使用功能，为CVS系统重新配置了工控机，匹配了输入输出板卡，并基于Windows XP操作系统重新编写操作软件，不仅能够实现原有采样、分析和控制功能，同时增加自定义循环设计功能，扩大了CVS系统主控计算机的功能范围.

1　CVS系统测控方案的设计

1.1CVS系统组成及测控方案

CVS系统组成如图1所示.在整套CVS采样设备中需要采集的变量包括：①稀释通道内的温度、压力；②主文丘里管内的温度、压力；③采样文丘里管处的温度、压力；④稀释通道内流量；⑤采样流量.控制量包括：①各采样泵的开关；②通道阀体(包括气袋进出口以及颗粒采样通道处阀体)的开关；③采样泵和水泵流量控制.整个系统中对数据采集的速度要求不高，并且在试验中需要传输的数据量比较小，同时在系统中只存在一台计算机对系统中所有执行器进行控制，因此集中式控制系统(CCS)可以满足CVS系统的控制要求.

采用基于Windows XP操作系统的工控机，根据整套CVS系统的采样及控制功能要求选配输入输出板卡，编写测试软件，对所有传感器信号进行采样及标定，并对所有的执行元件进行功能测试，以保证CVS系统实现正常的采样、分析和控制功能.

图1　CVS系统组成示意图

1.2控制软件编程语言选择

在编写CVS控制系统过程中使用了Delphi作为软件开发工具.Delphi是一种面向对象的可视化编程语言，相比于C++具有更短的开发周期.同时，面向对象又使得Delphi更加适用于控制软件的开发，是工业系统类控制软件开发中主要使用的软件之一.事实证明，Delphi不仅具有强大的开发功能，同时能够设计出更加完善、人性化的控制界面，以使设备操作更加简便.

(1)绞车由1台功率300 kW的交流变频电机驱动，减速箱设有两挡，手动换挡，可实现挡内无级调速，并通过换挡实现较大扭矩或较大转速。可以实现在高速挡时绞车输出较高转速和较大的提升力，满足快速提下钻要求，节约辅助作业时间，提高效率；在处理孔内事故或超深孔钻进时，可选择低速挡，绞车输出大扭矩和较低转速，实现以较小功率满足不同工况各种作业要求。绞车变速范围大，提升能力强。

1.3串行端口通信技术

相比于并行通讯，串行通讯的传输速度慢，其优势在于使用过程中较为灵活、简单、可靠性好，并且能够有效的减少数据线的使用，特别是在进行远距离通信的过程中，可以极大的节约通信成本.利用串口通信传递的是数字量，因此不产生附加误差.

Delphi中实现串口通信最常见有3种方法[4]：①利用API函数的方法；②利用Spcomm或者MSComm控件的方法；③直接将其他的串口通信程序调用过来的方法.使用控件的方法比另外两种方法更灵活，且操作更为简便，直接下载安装控件即可使用.因此，在程序编写时采用Spcomm控件的方法.

1.4AK通讯协议

AVL的排放测试设备都是基于AK通信协议设计的.AK通信协议是由德国汽车工业协会制定的，作为排放测试设备之间的通信规则.AK通信协议设计是基于满足最低限度低速点对点通信的要求，常用的连接方法是根据RS232接口的规格，通过串行接口调制解调数据线路进行数据通信.AK通讯协议为用户对设备进行二次开发提供了很大方便.

2　CVS采样系统实验流程

实验流程如图2所示.首先进行设备及程序的初始化，窗口创建初期系统会自检，防止出现错误；然后由操作者对实验基本参数进行设置，同时对采样模式及采样气袋进行选择.经过预热处理后选择开始采样，循环开始，气袋开始充气，同时进行颗粒采样.循环结束后，将充气后气袋中采集的样气通入分析设备进行分析，实验结束.

图2　试验流程图

3　控制软件上位机界面设计

Delphi作为更高级的编程语言，所具备的重要优点在于更方便的设计出符合操作习惯的软件界面，系统的二次开发在进行界面布局过程中可以按照操作者提出的需求来设计，同时可将类型相似的功能按钮布局在一起，便于软件使用者进行操作和观察.控制软件界面设计过程中正是遵循这一原则来设计.

图3为程序主界面.根据主界面的构成可以将整个控制界面分为3个部分：①参数设置部分；②程序控制部分；③数据监测部分.

3.1参数设置部分

对系统基本参数进行设置如图4.可以直接在对话框中对颗粒采样速率、二级稀释空气速率、采样温度点、主文丘里以及采样文丘里选择，文丘里修正系数是由计算所得.

图3　程序主界面

图4　基本参数设置对话框

气袋操作基本参数的设置通过调用气袋操作设置对话框，如图5.包括：①气袋充气时间；②气袋排气时间；③气袋吹扫时间；④气袋吹扫次数；⑤气袋容积；⑥气袋最大充满率.为保证实验过程中气袋采样的正常进行，需要对气袋基本参数进行合理设置.在气袋进行排空操作时，气袋内部达到规定的真空度或者达到最大排空时间，排空过程结束；充气过程同理，达到最大充满率或充气时间即停止充气.

图5　气袋操作设置

3.2程序控制部分

程序控制部分是控制软件的核心内容，为主界面右下角operation部分.

CVS系统的运行包括4种不同的运行模式，分别是stop、wait、standby和preconditioning. stop模式：所有的执行器都关闭，软件只采集模拟量参数，软件启动后就处于stop模式，此时系统运行处于停机状态；wait模式：软件开始与流量计通讯，向流量计发送设定流量并读取当前流量，主文丘里管将按设定流量打开，可做气袋吹扫工作；standby模式：风机起动，热交换器开始工作，可做气袋吹扫工作；preconditioning模式：进入预处理状态，采样泵和二级稀释泵起动，颗粒采样和气袋采样均处于旁通状态，系统只有进入到preconditioning模式下才可以开始进行采样工作.

在以上4种模式下可部分或者完全进行purge、sample、analysis的具体操作，上述3种操作为采样系统最终要完成的工作内容.

purge模式中，有3种可选择操作：①evacuate气袋排空；②fill气袋充气；③auto purge自动吹扫.当气袋排空达到最大排空时间或者达到真空度要求时，排气结束，即排空动作停止；达到最大充气时间或者最大充气率时，充气过程结束；自动吹扫次数缺省时，排气3次，充气2次.其中，在进行自动吹扫时排气次数可以根据需求在气袋操作设置对话框中进行更改.

sample模式下，首先对实验循环、采样袋和采样方式进行选择.采样方式包括：①单点手动方式；②单点自动方式；③多点手动方式；④多点自动方式.只有在单点手动方式下，气袋采样和颗粒采样必须同步进行，其他3种方式均可不同步. 采样袋共3对，每对采样袋包括1个空气采样袋和1个稀释排气采样袋.颗粒采样分为3个不同的通道，在实验前需要选择试验中使用的通道，默认为通道1.

程序设定2种标准循环：ETC循环和ESC循环.除此之外还可自定义循环，可外部加载或直接输入设定，有效地扩大了控制系统的适用范围，提高了控制系统的利用率.

analysis模式下将弹出分析选项，按照试验需求进行选择，分析旁路关闭，分析通路打开，将气袋内气体通入气体分析仪内进行分析.试验过程中使用过或正在使用的气袋将被禁止操作，无法进行选择.

3.3数据监测部分

在主界面中通过不同的显示区来显示各种数据和执行器使用状态，来保证实验正常进行.

实验设置显示区：显示6个主要基本参数.其中，2个流量计的实际流量在达到设置流量之前以红色显示，达到设置流量后以蓝色显示.

测量参数及流量显示区：该显示区显示CVS中可以采集的9个模拟量参数、4个流量计流量和温度参数、1个计算参数共14个参数，还有2个分别显示热交换器水路控制阀和加热器控制状态的指示灯.

执行器控制状态显示区：用于显示风机和7个泵的控制状态.

采样结果显示区可以显示3组数据：①CVS总流量和时间；②气袋容积和时间；③颗粒采样流量和二级稀释空气流量及时间.所有显示流量为积分值.

在显示界面下方有状态条显示6项内容，用来显示正在进行的操作，以避免在试验过程中出现失误不能及时发现.

4　结　论

在AVL-CVS系统底层硬件设备基础上，配置了高性能工控机，选择匹配了输入输出板卡，并基于Windows XP操作系统重新编写了操作软件，使用面向对象的可视化编程语言Delphi，设计控制界面使其更加实用，操作更加简便.控制程序基于串行端口通讯技术以及AK协议，编写了相关控制程序模块，恢复了原系统的采样、分析及对CVS气袋充排气和颗粒采样的控制功能，同时增加自定义的试验循环设定功能，扩大了适用范围，奠定了实现与内燃机测功设备控制系统、排气分析系统通讯和集成控制的基础.

[1]2014年汽车市场运行情况及2015年汽车市场形势预测[J]. 汽车与安全,2015(6):126-127.

[2]石则强，王伟，靖苏铜，等. 全流定容取样对碳平衡试验精度的影响研究[J]. 车辆与动力技术，2011(2):14-17.

[3]赵永杰.基于Delphi的排放测试系统主控计算机系统开发[D].西安：长安大学，2006.

[4]来晓俊.探讨Delphi串口通信程序设计与实现[J].电脑知识与技术,2013,9(9):2112-2116.

Design of CVS System Control Software for Internal-combustionEngine Emissions Measurement

HAO Li-jun1，LIANG Qing1，YUAN Ying-tao2,WANG Li-qing1，TAN Jian-wei1，GE Yun-shan1

(1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of technology，Beijing100081，China;2. Shanxi Diesel Engine Heavy Industry CO., LTD, Xingping, 713105, China)

The control program of a CVS system was developed based on its dilution constant volume sampling system in AVL-CVS. The control scheme was designed by taking the AVL-CVS system as a distributed control system. The Serial communication between the host computer and CVS system hardware port was built on the AK communication protocol, the one between emissions equipments in AVL. The CVS control software was designed by using the object-oriented visual programming language, Delphi. The regulation and control of CVS system hardware are realized, and the requirement of sampling and testing is satisfied for the internal combustion engine gaseous pollutants and particulate matter emissions.

internal combustion engines；emissions；CVS；control software；Delphi

1009-4687(2016)02-0009-05

2015-9-30

国家环保公益项目(201409013)资助

郝利君(1968-)，男，副教授，研究方向为内燃机排放检测控制技术的研究.

U467.5+2

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