2017, Vol. 39
船舶柴油机排放废气中的氮氧化物、硫氧化物等污染物对大气的影响引起了人们广泛的关注。《Marpol 73/78》附则 VI-防止船舶造成空气污染规则对船舶排放废气中的 SOx 和 NOx 的含量进行限制并禁止损害臭氧物质的故意排放。国际海事组织（IMO）将于 2020 年实施更加严格的 TierⅢ排放标准。据 IMO 组织统计的数据表明，全球以柴油为动力的船舶每年向大气排放的 NOx 约为 1 000 万吨，SOx 约为 850 万吨[1]。船舶尾气排放的 NOx，造成了严重的环境污染，危害了人们的身体健康。因此，寻找一种可靠的船舶尾气 NO X 检测是进行船舶尾气控制的首要环节。但目前的技术应用还未实现有效的在线检测手段，遵守公约完全靠船员和船东的自觉性。因此，开发新型的尾气在线检测装备，协助 PSC 监督船舶航行时的情况对于保护海洋环境很有必要[2]。因此本文结合现有的尾气检测技术和未来趋势情况开发基于 CAN 总线和 LabVIEW 的船舶柴油机 NO X 在线检测系统，一方面降低了船舶尾气在线检测系统的开发费用，缩短了开发周期；另一方面基于 labVIEW 的船舶尾气检测系统界面直观易于操作。
1 NO X 在线检测系统总体结构NO X 在线检测系统主要由尾气前处理模块、智能 NO X 传感器模块、USB CAN 及 PC 机等组成。系统总体结构如图 1 所示。
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图 1 系统总体结构 Fig. 1 System architecture |
船舶柴油机排气经过尾气前处理系统后进入气体室，经过智能 NOx 传感器模块进行数据采集，并将所测量 CAN 报文信息通过 CAN 总线传送给 USB CAN。同时 USB CAN 通过 USB 连接线与 PC 机相接，并基于 LabVIEW 开发上位机程序，实现对 NO X 在线检测。
1.1 尾气前处理模块尽管柴油机具有效率优势，但其废气排放量却比与之相当的汽油发动机高出许多，另外船舶柴油机一般燃烧劣质燃油，因此废气成分也更加复杂，柴油机尾气中的成分主要是颗粒物（PM）、氮氧化物（NO X）、硫氧化物（SO X）和一氧化碳（CO）水蒸气（H 2O）等。基于 NO X 传感器检测原理，需对废气进行前处理，使检测结果更加精确[3]。从柴油机排气管采集的检测气体由被测气体入口进入尾气前处理模块，先通过主过滤器滤除水分等杂质，再通过粉尘过滤器进一步滤除对检测系统有污染的粉尘，杂质通过双路气泵中的一路排出。图 2 为尾气处理流程。
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图 2 尾气处理流程 Fig. 2 Exhaust treatment process |
根据测量原理的不同，NO X 化学传感器主要有声表面波 NO X 化学传感器、NO x 光纤化学传感器、半导体 NO X 化学传感器和 NOx 电化学传感器等[4]。本系统采用博朗宁公司生产的智能 NO X 电化学传感器（SNS）。与其他类型传感器相比，具有选择专一性好、价格低廉、结构紧凑、携带方便、可实现现场连续监测等优点。智能 NO X 传感器（SNS）由一个感应单元通过 600～900 mm 电缆线和一个电子控制单元连接组成，其中感应单元的原材料是多层氧化锆陶瓷感应元件，电气化学泵调整校准在感应元件腔中氧气的浓度。尾气中 NO X 的浓度通过泵加电流使之分解信号是通过 CAN 总线传输给 USB CAN 建立基础通讯和控制智能氮氧化物传感器（SNS）。表 1 为智能 NO X 传感器的输出参数。
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表 1 智能 NO X 传感器的输出参数 Tab.1 Smart NO X sensor parameters |
采用 Freedesign 公司开发的 USB CAN，USB CAN 调试器带有 2 路 CAN 接口，PC 机可以通过 USB 总线连接到一个标准的 CAN 网络中，构建现场总线的 CAN 核心控制单元[5]；参考提供的 DLL 动态连接库、例程编写自己的应用程序，可方便的开发出 CAN 系统应用软件产品；USBCAN II 调试器设备中，CAN 总线电路采用独立的 DCDC 电源模块，进行磁耦合隔离，使该接口适配器具有很强的抗干扰能力，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。
2 系统软件设计 2.1 CAN 通信协议USB CAN 向智能 NO x 传感器模块发送以下 3 种指令，
1）启动加热（NO X 传感器在温度低于露点时，无法测量 NO X 浓度，只会发出初始化值。所以需要在低温的时候，额外发送指令给 NO X 传感器启动内部加热器，以便电化学反应进行，发出浓度值）；
2）取实时数据（检测尾气 NO X 和 O 2 浓度）；
2.23）停止。USB CAN 向智能传感器模块发送数据时，采用 CAN 通信的扩展帧格式，其标识符为 8 位。USB CAN 基于相应设置，通过验证标识符接收传感器模块发送的数据。当传感器反馈信号为 DD = 00，表示温度未达到露点，无法采集数据，需对传感器发送启动加热指令。USB CAN 在收到“启动加热”指令后便能及时向智能传感器模块发送加热指令。当反馈信号为 DD = 11，温度达到露点温度，可实现实时采集数据。智能传感器模块将整个温度反馈的地址传送给 USB CAN。USB CAN 根据反馈的情况控制传感器，当温度达到露点温度时 USB CAN 发出指令后延时 1 s 向传感器发送“取回复”指令，传感器收到“取回复”指令后，立即向 USB CAN 发送采集的数据。USB CAN 基于上述 CAN 通信协议，能够实现对智能 NO X 传感器的控制，控制其启动加热、停止并实时检测 NOx 和 O 2 的浓度。
本系统在 PC 机上基于 LabVIEW 开发了人机界面。LabVIEW 由于能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，由程序框图中节点之间的数据流向决定程序的执行顺序，能够将繁琐复杂的文本编程简化成图形编程，用线条将各种功能模块连接起来，简便高效，深受用户青睐[6]。
2.2.1 串口通讯与发送指令设置LabVIEW 的串口通讯 VI 位于 Instrument/Oplatteserial 中，此部分程序用到了 LabVIEW 中串口操作的配置节点设置串口通讯的波特率、传输类型、帧格式等参数[7]。下位机传送的数据格式为十六进制 ASCII 形式，因此需要将发送的 ASCII 命令转成 can 协议的格式。程序图如图 3 如示。
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图 3 串口通讯与发送指令程序 Fig. 3 Serial communication transmission instruction program |
智能 NO X 传感器模块传送的数据格式为 CAN 总线报文数据模式，需要将其解析后才能保存并显示。数据解析程序如图 4 所示。
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图 4 数据解析程序 Fig. 4 Data analysis program |
程序串口中的数据可以直观的显示在前面板上，但为了对 NO X 排放的实时监控，需要将数据保存到数据库里，这一模块的程序图如图 5所示。
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图 5 数据保存路径程序 Fig. 5 Data save path program |
对基于 LabVIEW 开发的船舶柴油机排气 NO X 在线检测系统进行了多台柴油机的尾气检测实验。在实验过程中，选择了不同的柴油机类型，得到了大量的实验数据。图 6 为常柴 CZ2102 柴油机的排放检测结果，图中显示的是 NO X 的原始数据曲线，也可显示 O 2 的百分比。
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图 6 NO X 检测实验数据 Fig. 6 NO X detection experimental data |
将本文设计的 NO X 在线检测系统与 DAS200-NO X 检测仪进行检测结果对比，选用常柴 CZ2102 柴油机稳定在额定转速 2 300 r/min 不同负荷下 NO X 排放得到的结果如图 7 所示。从图 7 中可看出，利用本文设计的 NO X 在线检测系统得到的 NO X 的排放浓度要比 DAS200-NO x 检测仪得到的浓度略高一点。NO X 在线检测系统得到的 NO X 浓度与 DAS200-NO X 检测仪的相对误差较小，因此该系统具有良好的精度。
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图 7 检测结果对比 Fig. 7 Comparison of detection results |
本系统以 LabVIEW 为开发平台，可以方便地对船舶柴油机排气 NO X 浓度进行在线检测，实测结果表明该系统有较高的稳定性和测量精度。另外，通过在工控计算机上配置网卡[8]，可实现船舶污染物排放的联网检测，协助 PSC 监督船舶航行时的排放情况，应用前景十分广阔。
| [1] | 时应贝, 周明华. 船舶柴油机尾气减排技术, 2014 (3): 144–146. |
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