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基于Modbus协议的空气滤清器在线检测系统的研究

空气滤清器是工程机械发动机非常重要的配套产品之一,也是家用空气洁净器的重要组件之一。车用空气滤清器能够去除空气中的杂物,同时还对吸入的空气具有除潮、除热、除油和防悸动的功能,从而保护发动机,向发动机提供清洁空气,防止灰尘造成磨损,同时可有效地降低吸入空气时的噪声,使发动机的经济指标、动力指标、可靠性和排放指标达到要求;家用空气滤清器能够去除空气中的灰尘,降低异味,捕捉细菌,为室内提供干净清洁空气。由于空气滤清器的重要作用,因此对空气滤清器的检测显得非常重要。

空气滤清器的检测包括三大性能指标,分别是流量阻力特性、原始滤清效率特性和寿命特性。其中原始滤清效率特性和寿命特性一般采用“称重法”来评定过滤能力。随着国际检测技术快速发展,检测方法不断改进,ISO颁布了新的国际标准,增加了通过测试粒子计数效率来评定滤清性能的检测方法。颗粒计数法是一种在线检测方法,引入过滤比,可以更准确地评价产品的滤清性能。随着对滤清器质量要求的提高,客户都要求生产企业提供颗粒计数法的数据结果。因此,针对原始滤清效率特性及寿命特性,采用颗粒计数法的在线测试技术成为市场发展的趋势。作者研究开发空气滤清器在线检测系统,该系统采用工控机进行自动控制,引入颗粒计数器,通过Modbus协议实现工控机与颗粒计数器的通讯,采用颗粒计数器在线评定产品的滤清效率,提高检测的速度和精度。

1 自动颗粒计数器在线检测技术

“称重法”是通过测量样品在加灰前后的质量增量和加灰总量来计算过滤效率。每次测量时需要关停设备,把样品取出进行称量,耗费时间,是一种离线检测技术。另外,这种方法只能测量出总的过滤效率,不能得出不同粒径的过滤精度。ISO19713标准已经对空气滤清器检测提出了采用粒子计数法进行滤清效率和寿命试验的检测方法。采用颗粒计数器可以实时在线地检测出不同粒径的粒子个数,从而可得特定粒径的过滤精度。自动颗粒计数在线检测技术不仅缩短了检测时间,还大大提高了检测的精度。

1.1颗粒计数器工作原理

颗粒计数器是采用激光颗粒计数法分析流体粒子数的设备,主要由进样器、颗粒传感器和计算显示系统组成。当被测流体沿垂直方向均匀地流经颗粒传感器窗口时,颗粒传感器的光源发出的平行光束通过传感器的窗口射向一光电二极管,当流体中有颗粒进入传感器窗口时,一部分光被颗粒遮挡,光电二极管接受的光量减弱,于是输出电压产生一个脉冲。由于被遮挡的光量与颗粒的投影面积成正比,因而输出电压脉冲的幅值直接反映颗粒尺寸的大小,通过累计输出电压脉冲的个数,即可得到不同尺寸颗粒的数目。此方法能迅速测出空气中各种粒子的个数,自动化程度高、重复性好。

1.2自动颗粒计数器在线检测的数据处理

“称重法”只能计算出颗粒的总的过滤效率。而自动颗粒计数器在线检测技术引入针对特定粒径的过滤比,通过过滤比计算滤清效率,反映样品的滤清性能。过滤比式中:N表示单位体积内大于的上游试验介质所含的粒子数。Ⅳ表示单位体积内大于的下游试验介质所含的粒子数。对于某一颗粒直径,其粒子的滤清效率=(1一-)×100%P。过滤比越高,表明滤清器滤清该粒径的粒子数越多,即对该粒径的粒子的滤清效率越高。过滤比能够更准确地评价产品的滤清性能。

1.3 Modbus协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。标准的Modbus是使用RS-232兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。

控制器通信使用主一从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询),其他设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应的消息也由Modbus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

Modbus协议有两种传输模式:ASCII和RTU模式。该系统采用ASCII模式。ASCII模式使用的字符
虽是RTU模式的两倍,但ASCII数据的译码和处理更容易一些,此外用ASCII可打印字符便于故障检测,而且适用于高级语言编程。

使用ASCII模式,消息以冒号(:)字符(ASCII码3AH)开始,以回车换行符结束(ASCII码0DH、
0AH)。其他域可以使用的传输字符是十六进制的0、9,A、…、F。网络上的设备不断侦测“:”字符,当有一个冒号接收到时,每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否是发给自己的‘。。

消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1s,否则接收的设备将认为传输错误。

2 空气滤清器在线检测系统开发与设计

空气滤清器在线检测系统主要由控制柜和检测装置组成。控制柜主要包括各传感器的仪表和工控机。检测装置是在线检测系统的核心部分,包括了各检测仪器和传感器。

2.1检测装置

空气滤清器在线检测的三大关键测试数据为:流量、压差和粒子数,因此检测系统需要有相应的传感器进行检测。该系统的检测装置如图所示(略),颗粒计数器采用美国LightHouse公司的H3016,共有6个粒径通道,分别为0.3、0.5、l、3、5、10 m。颗粒计数系统将同时采集上下游空气进行检测,实时以Modbus协议方式将试验数据发送到工控机上。

2.2检测软件

采用高级语言c#.Net编写检测软件。检测软件的功能包括人机界面、采集数据、保存数据和输出数据,其中,采集数据是最主要的功能模块。试验数据包括压差变送器与空气流量计传感器数据和颗粒计数器数据。传感器数据通过采集卡A/D模块传送到工控机,颗粒计数器数据通过串口传送到工控机。试验开始后,为了保证软件正常运行,开启后台线程,不断采集传感器和颗粒计数器的数据,采集流程如图所示(略)。该系统中,工控机是主设备,颗粒计数器是从设备。在串口通讯模块中,检测软件不断发送读取指令,且不断接收、处理数据。颗粒计数器在接收到指令后,发送相应的数据。
处理数据工控机发送Modbus协议指令部分代码如下:
serialPort.Write(3AH);//发送Modbus数据
帧第一个字符“:”
serialPort.Write(30H);
serialPort.Wirte(31H);//发送两个字符的
地址位“0l”
serialPort.Wirte(30H);
serialPort.Wirte(33H);//发送两个字符的
功能码“03”,表示要求从设备发送数据到主设备
……
//发送相关功能的数据
serialPort.Wirte(ODH);
serialPort.Wirte(0AH);//发送数据帧结束
标志:回车、换行
工控机接收Modbus协议数据部分代码如下:
bytereceivedata:senMPoa.Readbyte();//
从串口中读取一个字符
if(receivedata==3AH)//判断是否为“:”
I
reeeivedata=seiralPort.Readbyte();
if(receivedata==myaddress)//判断是否为该机地址
{……//LRC标志位检验及相关数据处理}
3 试验分析与讨论

依据QC/T32—2006标准对两种空调用滤清器进行原始滤清效率试验,分别采用称重法和粒子计数在线检测法进行比较分析,试验温度29cC,大气压99.3kPa,大气湿度60%RH。两种滤清器的额定流量均为450ITI/h。
表2第一种滤清器(普通滤纸)原始滤清效率试验数据表(略)
表3第二种滤清器(活性碳滤纸)原始滤清效率试验数据表(略)

从表2可知,使用称重法试验,第一种滤清器对于平均粒径7 m的试验灰尘的滤清效率为98.2%;使用粒子计数在线检测法试验,该滤清器对于粒径5m的粒子的滤清效率为95%,粒径10txm的粒子的滤清效率为100%,与称重法试验结果相近;从表3可知,使用称重法试验,第二种滤清器对于平均粒径7Ixm的试验灰尘的滤清效率为96.75%;使用粒子计数在线检测法试验,该滤清器对于粒径5Ixm的粒子的滤清效率为94%,粒径10 m的粒子的滤清效率为99%,与称重法试验结果相近。

从表中可知,使用粒子计数在线检测法可测出多种粒径的过滤比和滤清效率,如果增加颗粒计数器的粒径通道数,则可获知更多粒径的过滤比和滤清效率,能更好地评价滤清器的滤清性能。而且粒子计数在线检测法可避免称量、拆卸等人工操作,从而可以避免拆卸时掉灰等情况,也可避免称量时的人工误差,提高试验效率和试验精度。试验结果也证明了通过Modbus协议,颗粒计数器与工控机可以正常通讯。
4结论

作者研究和开发了基于Modbus协议的空气滤清器在线检测系统,以工控机作为主设备,以颗粒计数器作为从设备,以Modbus协议实现两者的在线通讯。通过对比试验,验证该系统的有效性。该系统不仅可以提高试验效率,还可以检测6种粒径的过滤比和滤清效率,更准确地评价了滤清性能。

 

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