談油庫加油控制系統(tǒng)設計
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摘要：油料的加注、發(fā)運是油庫保障作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。針對目前用油裝備加油、運加油裝備發(fā)油過程信息化程度不足、信息兼容性低等問題，設計了通用型加油控制器，并構建了基于加油控制器的自助式油料加注和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了飛機等裝備加油、油車補油、汽車零發(fā)油等油料保障作業(yè)的加油過程自動控制、加油量自動計量和加油記錄自動生成。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、功能全面、性能優(yōu)異、操作維護方便，解決了油料加注自動化和加油管理信息化程度不高的問題，提高了油料加注保障和管控能力。
關鍵詞：油庫；加油控制器；自助式；信息管理
加油控制及管理通過加油控制器實現(xiàn)，可以通過通信網(wǎng)絡，將加油記錄、系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)準確傳輸至上位計算機，利用管理軟件進行數(shù)據(jù)存儲、處理、分析、統(tǒng)計和報表打印［1］。國外油料保障中使用自動油料加注控制設備較為廣泛，自動化信息化程度較高，技術更成熟［2］，基本實現(xiàn)了加油卡一卡通行。我國部分單位也裝配有加油控制裝置，但型號各異，未經(jīng)過全面嚴格的試驗檢驗，工作不夠穩(wěn)定可靠，通信和信息管理接口不規(guī)范，加油卡無法通用，且部分控制裝置及其配件已停產(chǎn)，維修維護困難，造成了油料保障單位不愿使用、不敢使用的狀況，且加油過程中對流量、壓力等流量特性指標的要求越來越高［3］，有必要針對油庫研制加油控制系統(tǒng)，提升油庫加油監(jiān)控管理能力。本文針對油料保障中常見的油料加注場所業(yè)務需求，研制出規(guī)范、通用、安全、先進的加油控制器，設計出基于該加油控制器的自助式油料加注和管理信息系統(tǒng)，滿足了油料加注和管理需求，并能為物資油料綜合信息系統(tǒng)提供準確實時的信息來源，促進物資油料信息化工作的開展。
1系統(tǒng)主要功能
根據(jù)加油系統(tǒng)主要目標應用場所需求，設計的自助式油料加注和管理信息系統(tǒng)應具備如下功能：（1）身份識別判斷前來刷卡加油的受油裝備的編號和類型、所需油品種類、所屬單位等信息，裝備與加油卡一一對應。對外來裝備可通過上位機管理軟件增發(fā)新加油卡，對掛失等非法加油卡可進行屏蔽。（2）自動計量自動實時采集加油口流量計輸出信號，實現(xiàn)受油裝備加油過程的自動計量。（3）自動控制通過適當算法對加油口電動閥門進行控制，實時調(diào)節(jié)電動閥開度，在每次加油結束時完全關閉電動閥，可控制加油精度在±1L范圍內(nèi)。（4）壓力監(jiān)測實時監(jiān)測加油口壓力和過濾器壓差，當壓力值出現(xiàn)異常時及時發(fā)出報警信號。（5）安全監(jiān)測實時監(jiān)測加油過程中的靜電接地、溢油信號，出現(xiàn)異常時立即停止加油并發(fā)出報警信息。（6）信息管理加油控制器與配套的上位機管理軟件組成分散集中式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對受油裝備加油和油庫零發(fā)油作業(yè)過程的控制、加油信息管理、加油卡收發(fā)和信息管理等基于自動化設施的油料保障信息化功能。
2加油控制器設計
2．1輸入輸出信號
加油控制器以主控單片機為核心，主控單片機的輸入信號項有：RF射頻卡讀卡數(shù)據(jù)；流量檢測：脈沖信號、累計量；上位機RS－485通訊信號；鍵盤輸入；靜電接地檢測信號；防溢檢測信號等。輸出信號項有：RS－485數(shù)據(jù)上傳；電液閥控制信號；LCD顯示等。
2．2加油控制器組成
加油控制器的功能模塊組成如圖1所示，以主控單片機為核心，包括射頻卡讀寫模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、隔離接口；流量計輸出脈沖信號、靜電接地檢測信號、防溢檢測信號通過隔離接口傳輸至MCU，單片機依據(jù)鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，通過隔離接口控制電液閥等現(xiàn)場執(zhí)行機構；與上位機的RS－485數(shù)據(jù)傳輸也須經(jīng)過隔離接口?，F(xiàn)場零發(fā)油的多路加油控制器連接至一臺工控機的某一COM口，構成RS－485總線網(wǎng)絡。加油控制器由主機顯示器和防爆隔離接線箱（如圖2）組成。主機與接線箱通過RS－485通訊，控制模塊組裝在專用防爆接線箱內(nèi)，接線箱根據(jù)需要放置在合適的位置，主機與接線箱之間的最遠距離不超過1000米?，F(xiàn)場主機顯示器安裝，可固定在飛機加油單元或墻體上，也可以做一個支架，將顯示器固定在支架上。主機顯示器面板包括如下功能區(qū)：1）顯示區(qū)：加油控制器采用雙顯示模塊進行顯示，左側(cè)段碼顯示器用于顯示實時加油量，右側(cè)方形點陣顯示器用于顯示加油狀態(tài)、控制器工作狀態(tài)、操作提示等信息。2）觸摸鍵盤輸入?yún)^(qū)：該觸摸鍵盤采用遮光式紅外觸摸鍵盤，分為公用的數(shù)字區(qū)和對應每路的功能區(qū)。數(shù)字區(qū)是各路輸入的共用部分，功能區(qū)提供每路的獨立功能的輸入和控制功能。主機可以完成所帶控制器的各種功能的設置，通過觸摸鍵盤可以完成加油信息的輸入。運用紅外線探測觸摸式技術設計出裝置的鍵盤，以橫向和縱向各4對紅外發(fā)射接收器件組成遮光式矩陣按鍵，分布于鋼化玻璃操作面板上，由紅外光路是否被遮擋觸發(fā)相應按鍵，解決了傳統(tǒng)按壓式按鍵依靠機械動作觸發(fā)導致的防爆、防塵防水、壽命短等問題，增強了裝置在惡劣環(huán)境下的安全性、可靠性和適應性。3）刷卡區(qū)：主機還有一塊刷卡區(qū)，用于射頻卡信息的輸入，實現(xiàn)刷RFID卡加油功能。4）工作狀態(tài)指示區(qū)：主機還提供接線箱工作狀態(tài)指示燈，用于顯示各種設備工作情況。
2．3主要硬件電路設計
加油控制器的主控CPU為AtmelMEGA16系列，外圍電路采用模塊化設計，主要模塊的電路設計如下：（1）RF讀寫模塊加油控制器采用MiFareoneICS50射頻卡，讀寫卡模塊為M104，電路連接如圖3所示。圖3中RXD／SCL與CPU相連，采用UART協(xié)議時為RXD端，采用IIC協(xié)議時為SCL端；TXD／SDA也為數(shù)據(jù)傳輸接口，采用UART協(xié)議時為TXD端，采用IIC協(xié)議時為SDA端；RF＿RST用于CPU對RF模塊進行復位控制。（2）LCD顯示模塊考慮到實際應用情況，加油控制器采用雙顯示模塊進行顯示，如圖4所示。點陣采用LCD512液晶顯示模塊，分辨率512*512，為方便使用編譯器CodeVisionAVRCCompiler內(nèi)部提供的LCD函數(shù)，硬件電路連接按圖4實現(xiàn)。典型的LCD采用4位數(shù)據(jù)總線并行傳輸方式，數(shù)據(jù)線使用DB4－DB7，分別與MEGA16的PC4－PC7連接，PC0－PC2為3位控制總線。（3）鍵盤模塊加油控制器采用紅外觸摸式按鍵，按鍵區(qū)橫向和縱向分別裝有四對和五對紅外線發(fā)射和接收裝置，每對裝置均實時監(jiān)測其間的紅外線路有沒有被遮擋，若有遮擋，則相當于有按鍵被按下。其等效電路如圖5所示，共20個按鍵（部分功能相同，可作為擴展功能鍵），通過MEGA16的PA口和PC口的PC7引腳，利用行掃描法掃描鍵盤模塊。其中PA0－PA3為行線，PA4～PA7、PC7為列線，均通過1kΩ的限流保護電阻與按鍵相連，循環(huán)輪流改變I／O口的高低電平和輸入輸出狀態(tài)，即可掃描出具體被按下的按鍵及其編號。圖5中S1～S10代表1～9、0數(shù)字鍵；S＿觹和S＿＃保留；S＿DE為“預設”，可恢復加油控制器的默認設置；S＿ESC1－S＿ESC3為“取消”，用于撤銷本次操作；S＿PAUSE1－S＿PAUSE3為“暫?！?，用于暫停發(fā)油過程；S＿ENTER為“確定”，用于確定輸入的信息，如發(fā)油量、密碼等；S＿START為“開始”，用于開始一次發(fā)油。（4）RS485通訊及隔離模塊加油控制器與上位機的通訊采用RS485總線完成。原理電路如圖6所示。圖6中U5為DC－DC器件，可以產(chǎn)生1組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，向RS485收發(fā)器電路提供＋5V電源。由微處理器輸出的R／D信號直接控制MAX485芯片的發(fā)送器／接收器使能：R／D信號為“1”，則MAX485芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R／D信號為“0”，則MAX485芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以接收來自RS485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。連接至MAX485芯片A引腳的上拉電阻R8、連接至B引腳的下拉電阻R9用于保證未連接網(wǎng)絡時的MAX485芯片處于空閑狀態(tài)，以提高這一個RS485節(jié)點的工作可靠性。
為了更加可靠地保護RS485網(wǎng)絡，確保系統(tǒng)安全，在電路中設置鉗位于6．8V的TVS管D2、D3、D4，用于避免RS485總線在受外界干擾時（雷擊、浪涌）產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。此外，電路中的L1、L2、C2、C3用于提高電路的EMI性能。同時，為了增強電路的抗干擾性能和穩(wěn)定性，MAX485芯片和微處理器之間進行了光電隔離。微處理器的標準串行口RXD、TXD通過光電耦合器連接MAX485芯片的RO、DI引腳，控制信號R／D同樣經(jīng)光電隔離電路去控制MAX485芯片的DE和／RE引腳。電路中的光耦器件的速率會影響RS485電路的通訊速率。本課題擬選用NEC公司的光耦器件PS2501芯片，可以使該RS485電路的通訊速率達到19200kps。（5）繼電器控制模塊嵌入式系統(tǒng)要驅(qū)動一些繼電器和電磁開關，用于控制電機與閥門的開啟和關閉。繼電器和電磁開關需要功率驅(qū)動，驅(qū)動電流往往需要幾百毫安，超出了多數(shù)單片機本身I／O口的驅(qū)動能力，因此在外圍硬件電路中要考慮使用功率驅(qū)動電路。設計控制電路如圖7所示，當I／O口引腳輸出“1”時，三極管導通，繼電器吸合，電機開始工作；當I／O口引腳輸出“0”時，三極管截止，繼電器釋放，電機停止工作。圖7中的三極管可采用中功率管，導通電流大于300mA。電阻R1的作用是限制從I／O口流出的電流不能太大，以保護I／O口，稱為限流電阻。三極管集電極的負載繼電器吸合線圈在三極管截止時會產(chǎn)生一個很高的反峰電壓，因此，在吸合線圈兩端應并接一個二極管D，其用途是釋放反峰電壓，保護三極管和I／O口不會被反峰電壓擊穿，提高系統(tǒng)的可靠性。吸合線圈兩端并接的電容C，能對繼電器動作時產(chǎn)生的尖峰電壓變化進行有效過濾，其作用也是為了提高系統(tǒng)的可靠性。在設計PCB時，二極管D和電容C應該緊靠在繼電器的附近。另外，設計中還要考慮系統(tǒng)在上電時的狀態(tài)，MCU在上電時，I／O引腳通常呈高阻輸入方式，因此電阻R2的作用是確保三極管的基極電位在上電時為“0”電平，三極管截止，保證了電機控制系統(tǒng)上電時不會誤操作。
3加油自控系統(tǒng)設計
應用中必須構建出完善的油料加注和管理信息系統(tǒng)，才能真正形成自助式的加油管理。本系統(tǒng)組成如圖8所示。系統(tǒng)通過RS－485總線組網(wǎng)，滿足了主要場所的通訊距離和速度要求；配備了UPS斷電保護系統(tǒng)，可為整個系統(tǒng)提供備用電源；上位機負責信息管理和打印等功能，出現(xiàn)故障時不影響加油作業(yè)，系統(tǒng)故障恢復后加油控制器會自動上傳未成功上傳的數(shù)據(jù)，確保了加油記錄不會丟失。
4結束語
該加油控制器及加油自控系統(tǒng)的設計研制應用，實現(xiàn)了主要油料加注場所的自助式油料保障和信息化管理，也可適用于其他主油加注場合使用。經(jīng)過部分單位的裝配使用，結果表明：該裝置及系統(tǒng)使用方便，安全可靠，貼近實際需求，滿足了現(xiàn)階段油料加注及管理自動化的要求，是使用自動控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進行控制管理的重要手段，提高了油料加注、使用管理效率和綜合保障能力，對實現(xiàn)可視化和高效精細保障具有重要意義。
參考文獻
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作者：羅耿 高明 楊藝 單位：北京航空工程技術研究中心
