談油庫加油控制系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：油料的加注、發(fā)運(yùn)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(yùn)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(shè)計了通用型加油控制器，并構(gòu)建了基于加油控制器的自助式油料加注和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)等裝備加油、油車補(bǔ)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(hù)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(guān)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(shí)現(xiàn)，可以通過通信網(wǎng)絡(luò)，將加油記錄、系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸至上位計算機(jī)，利用管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理、分析、統(tǒng)計和報表打?。?］。國外油料保障中使用自動油料加注控制設(shè)備較為廣泛，自動化信息化程度較高，技術(shù)更成熟［2］，基本實(shí)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(yán)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(hù)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(biāo)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(wù)需求，研制出規(guī)范、通用、安全、先進(jìn)的加油控制器，設(shè)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(zhǔn)確實(shí)時的信息來源，促進(jìn)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(biāo)應(yīng)用場所需求，設(shè)計的自助式油料加注和管理信息系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)。對外來裝備可通過上位機(jī)管理軟件增發(fā)新加油卡，對掛失等非法加油卡可進(jìn)行屏蔽。（2）自動計量自動實(shí)時采集加油口流量計輸出信號，實(shí)現(xiàn)受油裝備加油過程的自動計量。（3）自動控制通過適當(dāng)算法對加油口電動閥門進(jìn)行控制，實(shí)時調(diào)節(jié)電動閥開度，在每次加油結(jié)束時完全關(guān)閉電動閥，可控制加油精度在±1L范圍內(nèi)。（4）壓力監(jiān)測實(shí)時監(jiān)測加油口壓力和過濾器壓差，當(dāng)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(shí)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(jī)管理軟件組成分散集中式控制系統(tǒng)，實(shí)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(shè)施的油料保障信息化功能。
2加油控制器設(shè)計
2．1輸入輸出信號
加油控制器以主控單片機(jī)為核心，主控單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)；與上位機(jī)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(jī)的某一COM口，構(gòu)成RS－485總線網(wǎng)絡(luò)。加油控制器由主機(jī)顯示器和防爆隔離接線箱（如圖2）組成。主機(jī)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(jī)與接線箱之間的最遠(yuǎn)距離不超過1000米。現(xiàn)場主機(jī)顯示器安裝，可固定在飛機(jī)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(jī)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(jìn)行顯示，左側(cè)段碼顯示器用于顯示實(shí)時加油量，右側(cè)方形點(diǎn)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(yīng)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(dú)立功能的輸入和控制功能。主機(jī)可以完成所帶控制器的各種功能的設(shè)置，通過觸摸鍵盤可以完成加油信息的輸入。運(yùn)用紅外線探測觸摸式技術(shù)設(shè)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(yīng)按鍵，解決了傳統(tǒng)按壓式按鍵依靠機(jī)械動作觸發(fā)導(dǎo)致的防爆、防塵防水、壽命短等問題，增強(qiáng)了裝置在惡劣環(huán)境下的安全性、可靠性和適應(yīng)性。3）刷卡區(qū)：主機(jī)還有一塊刷卡區(qū)，用于射頻卡信息的輸入，實(shí)現(xiàn)刷RFID卡加油功能。4）工作狀態(tài)指示區(qū)：主機(jī)還提供接線箱工作狀態(tài)指示燈，用于顯示各種設(shè)備工作情況。
2．3主要硬件電路設(shè)計
加油控制器的主控CPU為AtmelMEGA16系列，外圍電路采用模塊化設(shè)計，主要模塊的電路設(shè)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(jìn)行復(fù)位控制。（2）LCD顯示模塊考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，加油控制器采用雙顯示模塊進(jìn)行顯示，如圖4所示。點(diǎn)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(shí)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(shí)時監(jiān)測其間的紅外線路有沒有被遮擋，若有遮擋，則相當(dāng)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(kuò)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(hù)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(yù)設(shè)”，可恢復(fù)加油控制器的默認(rèn)設(shè)置；S＿ESC1－S＿ESC3為“取消”，用于撤銷本次操作；S＿PAUSE1－S＿PAUSE3為“暫停”，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(jī)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(luò)時的MAX485芯片處于空閑狀態(tài)，以提高這一個RS485節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。
為了更加可靠地保護(hù)RS485網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)安全，在電路中設(shè)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(qiáng)電路的抗干擾性能和穩(wěn)定性，MAX485芯片和微處理器之間進(jìn)行了光電隔離。微處理器的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(guān)，用于控制電機(jī)與閥門的開啟和關(guān)閉。繼電器和電磁開關(guān)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(jī)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(shè)計控制電路如圖7所示，當(dāng)I／O口引腳輸出“1”時，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電機(jī)開始工作；當(dāng)I／O口引腳輸出“0”時，三極管截止，繼電器釋放，電機(jī)停止工作。圖7中的三極管可采用中功率管，導(dǎo)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(hù)I／O口，稱為限流電阻。三極管集電極的負(fù)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(yīng)并接一個二極管D，其用途是釋放反峰電壓，保護(hù)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(jìn)行有效過濾，其作用也是為了提高系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計PCB時，二極管D和電容C應(yīng)該緊靠在繼電器的附近。另外，設(shè)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(jī)控制系統(tǒng)上電時不會誤操作。
3加油自控系統(tǒng)設(shè)計
應(yīng)用中必須構(gòu)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(hù)系統(tǒng)，可為整個系統(tǒng)提供備用電源；上位機(jī)負(fù)責(zé)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(fù)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(jié)束語
該加油控制器及加油自控系統(tǒng)的設(shè)計研制應(yīng)用，實(shí)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(jié)果表明：該裝置及系統(tǒng)使用方便，安全可靠，貼近實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)可視化和高效精細(xì)保障具有重要意義。
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作者：羅耿 高明 楊藝 單位：北京航空工程技術(shù)研究中心
