轨道车智能燃油计量监控系统设计

1、轨道车智能燃油计量监控系统设计 苏宝平 , 周刚（河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001 ）摘要： 通过分析轨道车燃油消耗计量技术存在的问题，提出了基于ARM的智能燃油计量监控系统，采用意法半导体的STM32F103RCT6作为主控制器，电磁泵和流量计相配合来计量加油量，通过液位传感器和实时时钟计算油耗和瞬时油耗，并将加油数据和油耗数据定时存储在铁电存储器中，通过大屏幕触摸屏查询相关数据；实验结果证明，该方案设计合理，性能稳定，计量精度较高，操作方便，满足了轨道车燃油计量的要求。关键字：ARM；燃油计量；流量传感器；液位传感器Design of Intelligent Monito

2、ring System of Rail Vehicle Fuel MeteringSu Baoping , Zhou Gang(School of Electrical Engineering ,Henan University of Technology ,Zhengzhou 450001,china )Abstract: Through the analysis of the problem in measurement technology of the rail vehicle fuel consumption, an intelligent fuel metering control

3、 system based on ARM, using the STM STM32F103RCT6 as the main controller, was proposed, and electromagnetic pump and flow meter was combined to measure the amount of oil, fuel consumption and instantaneous fuel consumption was obtained by the liquid level sensor and the real-time clock. The fuel con

4、sumption and refueling data were stored in a ferroelectric memory at fixed time step. The concerned data can be easily queried and visible through a large touch screen. The experimental results show that the scheme is reasonable and its performance is stable with high measuring precision and conveni

5、ent operation. It can meet the requirements of fuel metering on current rail vehicle.Key words: ARM; fuel metering; flow sensor; liquid level sensor1、 引言 轨道车主要用于铁路相关设备的维护和施工，动力系统采用柴油发动机，燃油消耗占了整个轨道车运行的大部分成本，目前针对轨道车燃油消耗量的实时检测和计量还没有成熟的智能监控系统，主要通过肉眼观察方式获得耗油量，无法获得轨道车的真实耗油量，也不能对轨道车的燃油消耗量实时监控，当运行中出现异常的燃油消耗

6、时不能记录和报警。在已提出的电子计量方案中在发动机进油管和出油管都装一个流量计，由于发动机出油中含有气体，油气不好分离，导致燃油计量不准确，另外两个流量计的累积误差也较大。因此研发一套智能轨道车燃油计量监控系统显得十分必要，主要用于轨道车燃油加油量、消耗量的计量及其记录查询管理，为估算和分析轨道车的燃油使用成本及使用情况提供数据参考，对轨道车发动机工作状态是否正常提供参考。2、 系统工作原理 2.1系统组成常规燃油计量一般在进油管和出油管同时加流量计，通过计算差值获得耗油量。实际当中发动机出油管的出油含有大量气泡，为油气混合体，且发动机转速不同时其气泡的含量也不同，导致出油管流量传感器计量不准

7、确，影响整个轨道车燃油消耗计算。由于流量传感器检测流量需要一定的流体压力，目前还没有很好的方法在保证油压的情况下解决油气分离。为了解决发动机回油含有气体导致计量不准确的问题，这里设计了副油箱，副油箱向发动机供油并储存回油，副油箱的体积相对轨道车油箱要小得多。发动机的回油管直接通到副油箱，这样回油的气泡在副油箱自然消除，而且省了一个流量传感器减小了累计误差。系统主要由五部分组成，即副油箱、油路系统、执行机构、检测部分和控制部分。图1. 燃油计量系统部分结构框图 执行机构主要是小功率电磁泵，电磁泵负责向副油箱输油。考虑到轨道车的正常行驶，使用两个电磁油泵作为系统冗余，当其中一个油泵出现问题的时候自

8、动启动另一个油泵泵油从保证轨道车的用油，另外考虑到更恶劣的情况，设置了手动阀，当整个控制系统出现问题的时候，将计量系统可以从轨道车油路系统中切除，将轨道车油箱与副油箱直连，从而保证轨道车的正常运行。检测部分包括流量传感器、液位传感器等信号的检测，控制部分主要由微处理器组成的控制系统及一些外围电路构成。 2.2工作原理系统起动后通过液位传感器实时检测附油箱中的油面高度，来判断附油箱中的余油，当副油箱油面高度低于设定的液位下限时启动电磁泵向副油箱泵油，当油面高度达到设定的液位上限时停止泵油，从而保障发动机的正常供油，通过加在电磁泵和副油箱间的流量传感器计量从轨道车油箱的抽油量，计算轨道车总耗油量。

9、通过副油箱油位的变化、抽油量和轨道车的行车时间可计算每小时的耗油量或某一时段的耗油量，瞬时油耗仅在电磁油泵不工作的时候计算。3、 硬件电路设计3.1系统硬件总体设计 系统硬件主要包括电源管理电路、ARM控制器核心电路、电磁泵驱动电路、LCD显示电路、信号调理电路、数据存储电路、实时时钟和报警指示电路等，如图2所示。微控制器电路是整个系统的核心，负责整个监控系统的运行控制和调度。图2控制部分硬件结构框图3.2控制器选型控制器是整个监控系统的核心，决定了整个系统的性能，目前微控制器的发展已经从8位机到和16位机逐步发展为32位机，且价格越来越低，根据本系统的特点和要求，选择意法半导体的STM32F

10、103RCT6作为主控制器，基于Cortex-M3内核，内部外设资源及其丰富，抗干扰能力强，具有灵活的电源管理机制，所有外设在不需要时都可以将其时钟停掉，降低了功耗，其工作频率最高可达72Mhz，且内部包含2个独立的12位ADC，转换精度满足本系统使用，且价格低廉。3.3电源管理电路系统中需要的电压等级较多，电磁泵工作电压为24V，功率较大，工作瞬间电流大，流量计和液位传感器的工作电压也为24V，工作电流相对较小，运放工作电压为5V，单片机及LCD驱动器采用3.3V供电，且高压大电流和低压小电流系统并存，因此电源管理模块设计的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性，显得十分关键。电源采用轨道车蓄电

11、池供电，电磁泵电源选用金升阳公司的40w的24v输出 DC/DC模块VRB2424D-40W，流量传感器和液位传感器24V，电源采选用金升阳公司10w的DC/DC模块VRB2424D-10WR2，控制器及其运放等电源采用5V DC/DC模块PWB2403ZP-3WR2，5V电源经过LM1117提供3.3V电源给ARM及其外设使用。三组电源之间相互隔离，确保系统的正常工作。图3 电源管理电路3.4 流量和液位信号采集与处理传感器按输出信号的性质主要分为：电压型传感器和电流型传感器，在需要远距离传输和容易受到干扰的场合，电压型传感器存在线路损耗和易受干扰的缺点，本项目中流量传感器和液位传感器安装在

12、副油箱上，而主控制器放置在轨道车驾驶室，传感器距离主控制器距离较远，并且信号传输过程中容易受到干扰，因此两种传感器均选择抗干扰能力强的电流型传感器。流量传感器是整个系统计量精度的保证，它的性能对整个计量系统有极大的影响，根据轨道车发动机进油管的管径、计量精度要求、工作可靠性、电磁泵的平均流量、性价比以及供电方式等多方面因素，选用天津讯尔仪表的LWGY-4A型流量传感器，工作电源为+24VDC±15%，精度等级0.5%，输出信号为420mA电流信号。液位传感器类型众多，主要有差压式液位检测、激光式液位检测、超声波式液位检测等，考虑本系统的应用场合和液体性质，选用MC20A小巧型压力变送

13、器，在结构上采用了防水导线与不锈钢外壳密封连接，通气管在电缆内与外界相通，内部结构有防结露设计；带有激光调阻温度补偿；抗振动、抗冲击、防射频电磁干扰；过载及抗干扰能力强，经济实用稳定。工作电源为+24VDC±15%，精度等级0.25%，输出信号为标准的420mA电流信号。图4 流量和液位信号调理电路流量传感器和液位传感器输出信号均为标准的420mA电流信号，由于采用ARM内的部ADC进行模数转化，而ARM内部ADC的模拟输入要求0-3v的电压信号，需要对传感器输出电流信号进行调理，通过调理电路将电流转换为0-3v电压信号，送ARM内的ADC进行模数转化，信号调理电路如图4所示。420

14、mA电流信号通过取样电阻，转换为0.6-3v的电压信号，当输入为4mA时输出并不为零，因此采用 5v电源经过R3和可调电阻R4分压后抵消4mA在取样电阻上的压降，R5, R6和 R7可调整信号放大倍数。3.5 电磁油泵及驱动电路电磁泵的选型主要考虑到以下因素：电磁泵流量应该在流量计可计量范围内，并且能短时间内向副油箱泵入所需体积的燃油；考虑到系统安装的方便性，电磁泵的体积应尽量小巧。实际使用后，上海广垠交通电器实业有限公司的MEPH型电磁油泵，具有体积小，价格低，工作时噪声低，流量合适等优点，工作电压24V，功率为25W，流量>120L/h，所以比较适合本系统。图5 电磁泵驱动电路 3.

15、6 存储器和液晶屏系统需要频繁的存储燃油消耗的实时数据，包括本日、本月、本年的用油量，且掉电需要保持数据，考虑到EEPROM和FLASH等芯片擦除次数有限，选择能无限次擦除且能掉电保持数据的铁电存储器，FM24V10为1M位的铁电储存器，能满足实际需要。为了便于操作提高人机交互能力和显示效果，显示屏选择川航电子的带触摸屏的CH240128系列的点阵绘图型液晶屏，内建中文简体字库，采用并口通信。 4、 软件设计软件设计是本系统运行可靠性的一个关键，考虑到易读性和可移植性，采用c语言模块化程序设计，主要包括主程序，系统初始化程序、燃油计量处理子程序，触摸屏子程序、液晶屏显示子程序，数据查询子程序、

16、菜单处理子程序等。图5 主程序流程图主程序负责整个系统各程序模块的调用，保证各种功能的实现，首先进行初始化设置，主要完成变量初始化、端口配置初始化、定时器初始化、ADC初始化、中断初始化、液晶屏初始化等。接着判断触摸屏有无有效点击，如有菜单按下则执行菜单相关程序，执行完毕后，读取液位信息和电磁泵状态，根据两者的状态逻辑执行相关操作，系统定时计算加油量和油耗信息并进行存储，流程图如图5所示。5、 现场测试结果与分析将样机装在轨道车上，经过长时间的实际使用测试，表1给出了测试情况。表1 耗油量测试数据测量耗油量（L）实际耗油量（L）误差（%）199.11000.9284.2850.94369.37

17、01.0454.5550.91549.6500.8 从实验结果可知，燃油计量精度相对误差小于1%，基本满足燃油计量要求。误差的引起主要与流量计的精度有关，另外当轨道车运行时，车身的振动也会导致流量计计量不准确，虽然采用软件进行滤波算法处理，但误差依然不能避免。6、 结论轨道车的燃油消耗占了整个运行的大部分成本，针对轨道车燃油消耗计量技术存在的问题，提出采用副油箱的方案，设计了基于ARM的智能燃油计量控制系统，采用意法半导体的ARM 系列的STM32F103RCT6作为主控制器，通过电磁泵和流量计相配合来计量加油量，通过实时检测液位变化计算油耗和瞬时油耗，将加油数据和油耗数据定时存储在铁电存储器，通过大屏幕触摸屏进行相关数据查询和参数设置；目前已经安装在轨道车上试用，经过长时间测试，实践证明，该方案设计合理，性能稳定，计量精确度