軌道車智能燃油計量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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，動力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動機(jī)，燃油消耗占了整個軌道車運行的大部分成本，目前針對軌道車燃油消耗量的實時檢測和計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耗油量，也不能對軌道車的燃油消耗量實時監(jiān)控，當(dāng)運行中出現(xiàn)異常的燃油消耗時不能記錄和報警。在已提出的電子計量方案中在發(fā)動機(jī)進(jìn)油管和出油管都裝一個流量計，由于發(fā)動機(jī)出油中含有氣體，油氣不好分離，導(dǎo)致燃油計量不準(zhǔn)確，另外兩個流量計的累積誤差也較大。因此研發(fā)一套智能軌道車燃油計量監(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，對軌道車發(fā)動機(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)燃油計量一般在進(jìn)油管和出油管同時加流量計，通過計算差值獲得耗油量。實際當(dāng)中發(fā)動機(jī)出油管的出油含有大量氣泡，為油氣混合體，且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不同時其氣泡的含量也不同，導(dǎo)致出油管流量傳感器計量不準(zhǔn)確，影響整個軌道車燃油消耗計算。由于流量傳感器檢測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)動機(jī)回油含有氣體導(dǎo)致計量不準(zhǔn)確的問題，這里設(shè)計了副油箱，副油箱向發(fā)動機(jī)供油并儲存回油，副油箱的體積相對軌道車油箱要小得多。發(fā)動機(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，而且省了一個流量傳感器減小了累計誤差。

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)、檢測部分和控制部分。

圖1 燃油計量系統(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，使用兩個電磁油泵作為系統(tǒng)冗余，當(dāng)其中一個油泵出現(xiàn)問題的時候自動啟動另一個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)置了手動閥，當(dāng)整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候，將計量系統(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行。

檢測部分包括流量傳感器、液位傳感器等信號的檢測，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)起動后通過液位傳感器實時檢測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)定的液位下限時啟動電磁泵向副油箱泵油，當(dāng)油面高度達(dá)到設(shè)定的液位上限時停止泵油，從而保障發(fā)動機(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量從軌道車油箱的抽油量，計算軌道車總耗油量。通過副油箱油位的變化、抽油量和軌道車的行車時間可計算每小時的耗油量或某一時段的耗油量，瞬時油耗僅在電磁油泵不工作的時候計算。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

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)動電路、LCD顯示電路、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)存儲電路、實時時鐘和報警指示電路等，如圖2所示。微控制器電路是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行控制和調(diào)度。

圖2 控制部分硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 控制器選型

控制器是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，決定了整個系統(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)，且價格越來越低，根據(jù)本系統(tǒng)的特點和要求，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，具有靈活的電源管理機(jī)制，所有外設(shè)在不需要時都可以將其時鐘停掉，降低了功耗，其工作頻率最高可達(dá)72MHz，且內(nèi)部包含2個獨立的12位ADC，轉(zhuǎn)換精度滿足本系統(tǒng)使用，且價格低廉。

2.3 電源管理電路

系統(tǒng)中需要的電壓等級較多，電磁泵工作電壓為24V，功率較大，工作瞬間電流大，流量計和液位傳感器的工作電壓也為24V，工作電流相對較小，運放工作電壓為5V，單片機(jī)及LCD驅(qū)動器采用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)計的好壞直接影響到整個系統(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 流量和液位信號采集與處理

傳感器按輸出信號的性質(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合，電壓型傳感器存在線路損耗和易受干擾的缺點，本項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的電流型傳感器。

流量傳感器是整個系統(tǒng)計量精度的保證，它的性能對整個計量系統(tǒng)有極大的影響，根據(jù)軌道車發(fā)動機(jī)進(jìn)油管的管徑、計量精度要求、工作可靠性、電磁泵的平均流量、性價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0.5%，輸出信號為4mA～20mA電流信號。

液位傳感器類型眾多，主要有差壓式液位檢測、激光式液位檢測、超聲波式液位檢測等，考慮本系統(tǒng)的應(yīng)用場合和液體性質(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；帶有激光調(diào)阻溫度補償；抗振動、抗沖擊、防射頻電磁干擾；過載及抗干擾能力強，經(jīng)濟(jì)實用穩(wěn)定。工作電源為+24VDC±15%，精度等級0.25%，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA電流信號。

圖4 流量和液位信號調(diào)理電路

流量傳感器和液位傳感器輸出信號均為標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA電流信號，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，需要對傳感器輸出電流信號進(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，送ARM內(nèi)的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，信號調(diào)理電路如圖4所示。4mA～20mA電流信號通過取樣電阻，轉(zhuǎn)換為0.6V～3V的電壓信號，當(dāng)輸入為4mA時輸出并不為零，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)整信號放大倍數(shù)。

2.5 電磁油泵及驅(qū)動電路

電磁泵的選型主要考慮到以下因素：電磁泵流量應(yīng)該在流量計可計量范圍內(nèi)，并且能短時間內(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。實際使用后，上海廣垠交通電器實業(yè)有限公司的MEPH型電磁油泵，具有體積小，價格低，工作時噪聲低，流量合適等優(yōu)點，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)動電路

2.6 存儲器和液晶屏

系統(tǒng)需要頻繁的存儲燃油消耗的實時數(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)的鐵電存儲器，F(xiàn)M24V10為1M位的鐵電儲存器，能滿足實際需要。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系列的點陣?yán)L圖型液晶屏，內(nèi)建中文簡體字庫，采用并口通信。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是本系統(tǒng)運行可靠性的一個關(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，主要包括主程序，系統(tǒng)初始化程序、燃油計量處理子程序，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)整個系統(tǒng)各程序模塊的調(diào)用，保證各種功能的實現(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)定時計算加油量和油耗信息并進(jìn)行存儲，流程圖如圖5所示。

圖6 主程序流程圖

4 現(xiàn)場測試結(jié)果與分析

將樣機(jī)裝在軌道車上，經(jīng)過長時間的實際使用測試，表1給出了測試情況。

從實驗結(jié)果可知，燃油計量精度相對誤差小于1%，基本滿足燃油計量要求。誤差的引起主要與流量計的精度有關(guān)，另外當(dāng)軌道車運行時，車身的振動也會導(dǎo)致流量計計量不準(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 耗油量測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

軌道車的燃油消耗占了整個運行的大部分成本，針對軌道車燃油消耗計量技術(shù)存在的問題，提出采用副油箱的方案，設(shè)計了基于ARM的智能燃油計量控制系統(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相配合來計量加油量，通過實時檢測液位變化計算油耗和瞬時油耗，將加油數(shù)據(jù)和油耗數(shù)據(jù)定時存儲在鐵電存儲器，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)過長時間測試，實踐證明，該方案設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，計量精確度較高，操作方便，滿足了軌道車燃油計量的要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目的。

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