一種艦艇燃油自動加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/王東陽

前艦船燃油補(bǔ)給多以人工加指令等方式進(jìn)行，艦船作戰(zhàn)保障效能普遍有待進(jìn)一步提高。本文結(jié)合燃油加注作業(yè)的實(shí)際特點(diǎn)，綜合考慮作戰(zhàn)艦艇作業(yè)的技術(shù)要求，根據(jù)作業(yè)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種艦艇燃油自動加注系統(tǒng)，應(yīng)用于某綜合油料倉庫燃油補(bǔ)給碼頭，實(shí)用結(jié)果良好。

1 裝置組成及功能

系統(tǒng)主要由主控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、防爆型集散控制裝置（下位機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，采用集散控制方式。

上位機(jī)可分別控制6 臺下位機(jī)進(jìn)行加油工作。系統(tǒng)可對容積流量、質(zhì)量流量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。測量裝置實(shí)物及端口設(shè)置如圖1所示。

系統(tǒng)中，上位機(jī)由工業(yè)級PC 機(jī)和CAN接口卡組成，主要用于與下位機(jī)的通信、動態(tài)顯示各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、重要的現(xiàn)場參數(shù)以及報警信息，對各節(jié)點(diǎn)的控制參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行整定和修改。

下位機(jī)主要由測控模塊、通訊模塊、顯示模塊、輸入模塊等組成。其中，測控模塊對現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)的溫度、流量、密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通訊模塊完成數(shù)據(jù)流的上載和下載；顯示模塊使用漢字、圖形顯示技術(shù)，顯示各種工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)；輸入模塊采用觸控鍵盤，完成數(shù)據(jù)錄入及發(fā)油系統(tǒng)基本控制動作；配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)（主要由電磁閥和流量計(jì)組成）完成實(shí)際發(fā)油操作。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線設(shè)計(jì)

CAN（Controller Area Network）總線屬現(xiàn)場總線的范疇，是由德國的BOSCH 公司為分布式系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設(shè)計(jì)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)?？偩€采用ISO—OSI 中的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。具有以下顯著特點(diǎn)：

圖1：某綜合倉庫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成框圖

（1）多主方式工作，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

（2）采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足不同的實(shí)時性要求。

（3）廣播式數(shù)據(jù)通信，采用CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，其它節(jié)點(diǎn)都同時收到，具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能。

（4）高傳輸可靠性，CAN 總線上的每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個，并有CRC 及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。

（5）傳輸方式和介質(zhì)為FSK 調(diào)頻方式和雙絞線。CAN 總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時，直接將新的節(jié)點(diǎn)接在總線上即可，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)通信硬件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的PC 機(jī)和CAN 控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，首先必須在PC 機(jī)接口卡和下位機(jī)微控制器之間建立雙向的數(shù)據(jù)交換通道。

本系統(tǒng)中，以MSM7512B 作為核心器件構(gòu)成調(diào)制解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)CAN 總線的數(shù)據(jù)通訊。MSM7512B 是1200bps 的半雙工FSK Modem 芯片?？捎糜趦?nèi)置式調(diào)制解調(diào)模塊或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。采用FSK 方式，可完成調(diào)制和解調(diào)功能。

2.3 非易失性存儲器

對于具有獨(dú)立工作功能的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，數(shù)據(jù)記錄的存儲可靠性和存儲容量至關(guān)重要。系統(tǒng)采用掉電自保護(hù)SRAM 插座結(jié)合SRAM，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。掉電自保護(hù)SRAM 插座是一種有源電子插座，內(nèi)部帶有CMOS 控制電路和鋰電池電源，可以在不增加原印制板面積、不改變原來系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下，完全解決靜態(tài)RAM 掉電數(shù)據(jù)丟失的難題。這種插座可以自動對電源電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)?shù)陀谀骋蝗菹拗禃r，自動啟用內(nèi)部鋰電池供電，同時對芯片進(jìn)行寫保護(hù)，保護(hù)其中的信息達(dá)十年以上。

掉電自保護(hù)SRAM 插座內(nèi)建CMOS 實(shí)時時鐘電路，提供系統(tǒng)時間統(tǒng)一基準(zhǔn)。在系統(tǒng)軟件編程過程中采用動態(tài)鏈接庫技術(shù)，在通訊數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)過程中調(diào)用動態(tài)鏈接文件Port.dll文件，以彌補(bǔ)開發(fā)平臺串口編程不夠靈活的難題。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模糊控制

輸油管管徑大，油路落差超過幾十米，管內(nèi)油壓達(dá)到4 個大氣壓以上。單個碼頭發(fā)油與多碼頭同時發(fā)油時，管線內(nèi)壁壓力不同，油的流速不同。由于大口徑電磁閥在關(guān)閉和開啟過程中產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象，在操作上需要進(jìn)行多級控制。但油壓的不同會造成多級控制關(guān)閥時間的不一，由此會影響發(fā)油的計(jì)量精度，很難達(dá)到發(fā)油系統(tǒng)的技術(shù)要求。

系統(tǒng)采用步進(jìn)控制方式，解決電磁閥在關(guān)閉和開啟過程中產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象。下位機(jī)接到開啟命令后，首先執(zhí)行開啟動作1 秒鐘，然后待機(jī)2 秒鐘，隨后再次執(zhí)行開啟動作1 秒鐘，待機(jī)2 秒鐘，最后執(zhí)行開啟動作直至閥門完全打開。下位機(jī)執(zhí)行關(guān)閉命令后，首先執(zhí)行關(guān)閉動作1 秒鐘，然后待機(jī)2 秒鐘，隨后再次執(zhí)行關(guān)閉動作1 秒鐘，待機(jī)2 秒鐘，最后執(zhí)行關(guān)閉動作直至閥門完全關(guān)閉。

系統(tǒng)采用模式信息處理解決精度控制問題。首先建立線性神經(jīng)元函數(shù)，在發(fā)油過程中，連續(xù)采樣P（i）點(diǎn)發(fā)油瞬時量，在同一種發(fā)油狀態(tài)下，流速保持不變，可認(rèn)為瞬時量為線性。連續(xù)采樣10 個點(diǎn)數(shù)據(jù)，代入輸入線性函數(shù)，解算出瞬時流量預(yù)測值。通過流量預(yù)測值算出關(guān)閉電磁閥的關(guān)閥時間，結(jié)合系統(tǒng)預(yù)設(shè)的提前量，決定關(guān)閉電磁閥動作時機(jī)，以保證發(fā)油量計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

裝置軟件主要包括通信軟件和上位機(jī)管理軟件。

3.1 通信軟件設(shè)計(jì)

CAN 總線控制中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，幾個下位機(jī)組成的節(jié)點(diǎn)在通訊過程中處于同級，通過同一條CAN 總線接收上位機(jī)命令和回傳數(shù)據(jù)。通訊時，上位機(jī)隨機(jī)向各碼頭發(fā)送命令。為了區(qū)分命令與信息的去向以及識別接收到的數(shù)據(jù)來源，系統(tǒng)通訊采用分時復(fù)用方式，尋址通訊的方法，解決通訊節(jié)點(diǎn)地址識別問題。在通信幀格式制定中，每個命令幀和數(shù)據(jù)幀均單獨(dú)使用一個地址標(biāo)志字節(jié)代表不同碼頭，用以區(qū)分不同通訊接點(diǎn)。當(dāng)通信時，上位機(jī)發(fā)送命令、數(shù)據(jù)前或接收到數(shù)據(jù)后，即可通過判斷地址標(biāo)志來進(jìn)行地址識別。下位機(jī)亦通過判斷地址標(biāo)志字節(jié)來識別是否為本地址命令，繼而判斷將要進(jìn)行的動作。

3.2 管理軟件設(shè)計(jì)

管理軟件安裝于上位機(jī)，用于完成數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程發(fā)油控制。在與通信軟件結(jié)合使用中，采用中斷的方式，并引入了定時器以確定查詢響應(yīng)超時與否。首先，上位機(jī)發(fā)出查詢信號并等待現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)（1 ～6#碼頭）的應(yīng)答以確定連接是否正常。若設(shè)備正常，現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)在接收到查詢信號后應(yīng)該在—個足夠短的時間內(nèi)發(fā)出應(yīng)答信號，從而表明連接正確，握手成功。若上位機(jī)在一個規(guī)定的時間內(nèi)（如100ms）沒有接收到應(yīng)答信號，則返回超時信息，這時計(jì)算機(jī)會重新發(fā)送查詢信號。如果連續(xù)超時3 次，則證明系統(tǒng)連接失誤或硬件有問題，返回出錯信息。

4 結(jié)論

國內(nèi)所用發(fā)油系統(tǒng)大多面向使用對象受油量小，油路管線細(xì)，且管線內(nèi)部壓力電泵可控的用戶，一般采用485 總線控制，易于實(shí)現(xiàn)，且控制距離短，所用系統(tǒng)配套控制電路、上位機(jī)和下位機(jī)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)均有成型產(chǎn)品。與目前國內(nèi)其他船用加油系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有控制距離遠(yuǎn)，發(fā)油管徑大，管壁壓力高，一次加油量大（最大可達(dá)幾千噸），計(jì)量精度高等特點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，在電磁環(huán)境及氣象環(huán)境惡劣情況下能保證正常、可靠工作。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于其他油庫及油料發(fā)放，具有明顯的軍事經(jīng)濟(jì)效益。