蘇寶平

SU Bao-ping

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001 ）

0 引言

軌道車主要用于鐵路相關(guān)設(shè)備的維護(hù)和施工，動(dòng)力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油消耗占了整個(gè)軌道車運(yùn)行的大部分成本，目前針對(duì)軌道車燃油消耗量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和計(jì)量還沒有成熟的智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要通過肉眼觀察方式獲得耗油量，無法獲得軌道車的真實(shí)耗油量，也不能對(duì)軌道車的燃油消耗量實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)異常的燃油消耗時(shí)不能記錄和報(bào)警。在已提出的電子計(jì)量方案中在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管和出油管都裝一個(gè)流量計(jì)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)出油中含有氣體，油氣不好分離，導(dǎo)致燃油計(jì)量不準(zhǔn)確，另外兩個(gè)流量計(jì)的累積誤差也較大。因此研發(fā)一套智能軌道車燃油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)顯得十分必要，主要用于軌道車燃油加油量、消耗量的計(jì)量及其記錄查詢管理，為估算和分析軌道車的燃油使用成本及使用情況提供數(shù)據(jù)參考，對(duì)軌道車發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)是否正常提供參考。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

常規(guī)燃油計(jì)量一般在進(jìn)油管和出油管同時(shí)加流量計(jì)，通過計(jì)算差值獲得耗油量。實(shí)際當(dāng)中發(fā)動(dòng)機(jī)出油管的出油含有大量氣泡，為油氣混合體，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)其氣泡的含量也不同，導(dǎo)致出油管流量傳感器計(jì)量不準(zhǔn)確，影響整個(gè)軌道車燃油消耗計(jì)算。由于流量傳感器檢測(cè)流量需要一定的流體壓力，目前還沒有很好的方法在保證油壓的情況下解決油氣分離。為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)回油含有氣體導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確的問題，這里設(shè)計(jì)了副油箱，副油箱向發(fā)動(dòng)機(jī)供油并儲(chǔ)存回油，副油箱的體積相對(duì)軌道車油箱要小得多。發(fā)動(dòng)機(jī)的回油管直接通到副油箱，這樣回油的氣泡在副油箱自然消除，而且省了一個(gè)流量傳感器減小了累計(jì)誤差。

系統(tǒng)主要由五部分組成，即副油箱、油路系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)部分和控制部分。

圖1 燃油計(jì)量系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)框圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是小功率電磁泵，電磁泵負(fù)責(zé)向副油箱輸油?？紤]到軌道車的正常行駛，使用兩個(gè)電磁油泵作為系統(tǒng)冗余，當(dāng)其中一個(gè)油泵出現(xiàn)問題的時(shí)候自動(dòng)啟動(dòng)另一個(gè)油泵泵油從保證軌道車的用油，另外考慮到更惡劣的情況，設(shè)置了手動(dòng)閥，當(dāng)整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，將計(jì)量系統(tǒng)可以從軌道車油路系統(tǒng)中切除，將軌道車油箱與副油箱直連，從而保證軌道車的正常運(yùn)行。

檢測(cè)部分包括流量傳感器、液位傳感器等信號(hào)的檢測(cè)，控制部分主要由微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構(gòu)成。

1.2 工作原理

系統(tǒng)起動(dòng)后通過液位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)附油箱中的油面高度，來判斷附油箱中的余油，當(dāng)副油箱油面高度低于設(shè)定的液位下限時(shí)啟動(dòng)電磁泵向副油箱泵油，當(dāng)油面高度達(dá)到設(shè)定的液位上限時(shí)停止泵油，從而保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常供油，通過加在電磁泵和副油箱間的流量傳感器計(jì)量從軌道車油箱的抽油量，計(jì)算軌道車總耗油量。通過副油箱油位的變化、抽油量和軌道車的行車時(shí)間可計(jì)算每小時(shí)的耗油量或某一時(shí)段的耗油量，瞬時(shí)油耗僅在電磁油泵不工作的時(shí)候計(jì)算。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括電源管理電路、ARM控制器核心電路、電磁泵驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和報(bào)警指示電路等，如圖2所示。微控制器電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行控制和調(diào)度。

圖2 控制部分硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 控制器選型

控制器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，目前微控制器的發(fā)展已經(jīng)從8位機(jī)到和16位機(jī)逐步發(fā)展為32位機(jī)，且價(jià)格越來越低，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，選擇意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6作為主控制器，基于Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)部外設(shè)資源及其豐富，抗干擾能力強(qiáng)，具有靈活的電源管理機(jī)制，所有外設(shè)在不需要時(shí)都可以將其時(shí)鐘停掉，降低了功耗，其工作頻率最高可達(dá)72MHz，且內(nèi)部包含2個(gè)獨(dú)立的12位ADC，轉(zhuǎn)換精度滿足本系統(tǒng)使用，且價(jià)格低廉。

2.3 電源管理電路

系統(tǒng)中需要的電壓等級(jí)較多，電磁泵工作電壓為24V，功率較大，工作瞬間電流大，流量計(jì)和液位傳感器的工作電壓也為24V，工作電流相對(duì)較小，運(yùn)放工作電壓為5V，單片機(jī)及LCD驅(qū)動(dòng)器采用3.3V供電，且高壓大電流和低壓小電流系統(tǒng)并存，因此電源管理模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性，顯得十分關(guān)鍵。電源采用軌道車蓄電池供電，電磁泵電源選用金升陽公司的40w的24v輸出 DC/DC模塊VRB2424D-40W，流量傳感器和液位傳感器24V，電源采選用金升陽公司10w的DC/DC模塊VRB2424D-10WR2，控制器及其運(yùn)放等電源采用5V DC/DC模塊PWB2403ZP-3WR2，5V電源經(jīng)過LM1117提供3.3V電源給ARM及其外設(shè)使用。三組電源之間相互隔離，確保系統(tǒng)的正常工作。

圖3 電源管理電路

2.4 流量和液位信號(hào)采集與處理

傳感器按輸出信號(hào)的性質(zhì)主要分為：電壓型傳感器和電流型傳感器，在需要遠(yuǎn)距離傳輸和容易受到干擾的場(chǎng)合，電壓型傳感器存在線路損耗和易受干擾的缺點(diǎn)，本項(xiàng)目中流量傳感器和液位傳感器安裝在副油箱上，而主控制器放置在軌道車駕駛室，傳感器距離主控制器距離較遠(yuǎn)，并且信號(hào)傳輸過程中容易受到干擾，因此兩種傳感器均選擇抗干擾能力強(qiáng)的電流型傳感器。

流量傳感器是整個(gè)系統(tǒng)計(jì)量精度的保證，它的性能對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)有極大的影響，根據(jù)軌道車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油管的管徑、計(jì)量精度要求、工作可靠性、電磁泵的平均流量、性價(jià)比以及供電方式等多方面因素，選用天津訊爾儀表的LWGY-4A型流量傳感器，工作電源為+24VDC±15%，精度等級(jí)0.5%，輸出信號(hào)為4mA～20mA電流信號(hào)。

液位傳感器類型眾多，主要有差壓式液位檢測(cè)、激光式液位檢測(cè)、超聲波式液位檢測(cè)等，考慮本系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合和液體性質(zhì)，選用MC20A小巧型壓力變送器，在結(jié)構(gòu)上采用了防水導(dǎo)線與不銹鋼外殼密封連接，通氣管在電纜內(nèi)與外界相通，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有防結(jié)露設(shè)計(jì)；帶有激光調(diào)阻溫度補(bǔ)償；抗振動(dòng)、抗沖擊、防射頻電磁干擾；過載及抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用穩(wěn)定。工作電源為+24VDC±15%，精度等級(jí)0.25%，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA電流信號(hào)。

圖4 流量和液位信號(hào)調(diào)理電路

流量傳感器和液位傳感器輸出信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA電流信號(hào)，由于采用ARM內(nèi)的部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，而ARM內(nèi)部ADC的模擬輸入要求0～3V的電壓信號(hào)，需要對(duì)傳感器輸出電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過調(diào)理電路將電流轉(zhuǎn)換為0～3V電壓信號(hào)，送ARM內(nèi)的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。4mA～20mA電流信號(hào)通過取樣電阻，轉(zhuǎn)換為0.6V～3V的電壓信號(hào)，當(dāng)輸入為4mA時(shí)輸出并不為零，因此采用5V電源經(jīng)過R3和可調(diào)電阻R4分壓后抵消4mA在取樣電阻上的壓降，R5,R6和 R7可調(diào)整信號(hào)放大倍數(shù)。

2.5 電磁油泵及驅(qū)動(dòng)電路

電磁泵的選型主要考慮到以下因素：電磁泵流量應(yīng)該在流量計(jì)可計(jì)量范圍內(nèi)，并且能短時(shí)間內(nèi)向副油箱泵入所需體積的燃油；考慮到系統(tǒng)安裝的方便性，電磁泵的體積應(yīng)盡量小巧。實(shí)際使用后，上海廣垠交通電器實(shí)業(yè)有限公司的MEPH型電磁油泵，具有體積小，價(jià)格低，工作時(shí)噪聲低，流量合適等優(yōu)點(diǎn)，工作電壓24V，功率為25W，流量>120L/h，所以比較適合本系統(tǒng)。

圖5 電磁泵驅(qū)動(dòng)電路

2.6 存儲(chǔ)器和液晶屏

系統(tǒng)需要頻繁的存儲(chǔ)燃油消耗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括本日、本月、本年的用油量，且掉電需要保持?jǐn)?shù)據(jù)，考慮到EEPROM和FLASH等芯片擦除次數(shù)有限，選擇能無限次擦除且能掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的鐵電存儲(chǔ)器，F(xiàn)M24V10為1M位的鐵電儲(chǔ)存器，能滿足實(shí)際需要。為了便于操作提高人機(jī)交互能力和顯示效果，顯示屏選擇川航電子的帶觸摸屏的CH240128系列的點(diǎn)陣?yán)L圖型液晶屏，內(nèi)建中文簡(jiǎn)體字庫(kù)，采用并口通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的一個(gè)關(guān)鍵，考慮到易讀性和可移植性，采用c語言模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括主程序，系統(tǒng)初始化程序、燃油計(jì)量處理子程序，觸摸屏子程序、液晶屏顯示子程序，數(shù)據(jù)查詢子程序、菜單處理子程序等。

主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各程序模塊的調(diào)用，保證各種功能的實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，主要完成變量初始化、端口配置初始化、定時(shí)器初始化、ADC初始化、中斷初始化、液晶屏初始化等。接著判斷觸摸屏有無有效點(diǎn)擊，如有菜單按下則執(zhí)行菜單相關(guān)程序，執(zhí)行完畢后，讀取液位信息和電磁泵狀態(tài)，根據(jù)兩者的狀態(tài)邏輯執(zhí)行相關(guān)操作，系統(tǒng)定時(shí)計(jì)算加油量和油耗信息并進(jìn)行存儲(chǔ)，流程圖如圖5所示。

圖6 主程序流程圖

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與分析

將樣機(jī)裝在軌道車上，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際使用測(cè)試，表1給出了測(cè)試情況。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，燃油計(jì)量精度相對(duì)誤差小于1%，基本滿足燃油計(jì)量要求。誤差的引起主要與流量計(jì)的精度有關(guān)，另外當(dāng)軌道車運(yùn)行時(shí)，車身的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)確，雖然采用軟件進(jìn)行濾波算法處理，但誤差依然不能避免。

表1 耗油量測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

軌道車的燃油消耗占了整個(gè)運(yùn)行的大部分成本，針對(duì)軌道車燃油消耗計(jì)量技術(shù)存在的問題，提出采用副油箱的方案，設(shè)計(jì)了基于ARM的智能燃油計(jì)量控制系統(tǒng)，采用意法半導(dǎo)體的ARM 系列的STM32F103RCT6作為主控制器，通過電磁泵和流量計(jì)相配合來計(jì)量加油量，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)液位變化計(jì)算油耗和瞬時(shí)油耗，將加油數(shù)據(jù)和油耗數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)在鐵電存儲(chǔ)器，通過大屏幕觸摸屏進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)查詢和參數(shù)設(shè)置；目前已經(jīng)安裝在軌道車上試用，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，實(shí)踐證明，該方案設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定，計(jì)量精確度較高，操作方便，滿足了軌道車燃油計(jì)量的要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

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