（控制理论与控制工程专业论文）新型铁路机车油水发放系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 科学技术的飞速发展使计算机技术、自动控制技术以及网络技术的综合应用 深入到各行各业，成为各企事业单位设备自动化，管理信息化的强大动力。随着 我国铁路系统体制改革的推进，提高设备自动化水平和管理信息化的呼声越来越 高。作为机务段财务支出的重要组成部分，机车油水发放和管理的自动化、信息 化已经越来越紧迫。 当前，我国机车油水发放及管理系统自动化程度不高，造成油品从进到出的 全程管理工作效率低下，人力浪费严重，统计数据存在着漏洞和误差。针对以上 这些问题，立足于改变传统的机车加油模式及油水管理方式，提高机车油水发放 效率和管理效能，适应铁路高效运营的要求，本文研制开发了新型内燃机车油水 自动发放系统。它是运用现代先进的计算机控制技术而开发的新一代机务油料综 合发放系统。系统由油水综合发放柱、通信网络、管理计算机三部分组成。论文 的主要涉及油水综合发放柱控制器、c a n 总线通信网络的软硬件设计。重点研究： ( 1 ) 利用指纹识别进行操作人员的身份认证。 ( 2 ) 大容量指纹库的存储及快速检索。 ( 3 ) 利用智能控制算法实现恒压供油，研究油水发放量的精确控制方法。 ( 4 ) 发放记录的保存及管理。 ( 5 ) 应用c a n 总线提高通信的可靠性。 ( 6 ) 研究保证通信数据的可靠性软硬件措施。探索无线通信方式的应用，解 决机务段现场布线施工难的实际问题， 本系统是利用现代先进的计算机技术和测控技术对传统应用项目的技术改 造，利用计算机测控系统的强大的数据处理能力，联网通信能力，灵活的数据管 理方式，友好的人机界面使铁路机车油水发放工作实现自动化，具有现实的科学 意义。汽车加油站、电瓶车换能站等应用场所的控制管理也有相似之处，系统稍 加改造也可应用到类似场合。该系统具有非常广阔的应用前景。 关键词：机车，恒压供油，计算机控制，指纹识别，c a n 总线 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , t h es y n t h e t i c a l l y a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y h a v eb e e nu s e di ne v e r yw a l ko fl i f e ，w h i c ha c c e l e r a t e st h ea u t o m a t i s mo fe q u i p m e n t a n dm a n a g e m e n tb a s e do ni n f o r m a t i o ni nm a n yc o m p a n i e s t h ev o i c eo fi m p r o v i n g e q u i p m e n ta u t o m a t i z a t i o n a n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o na r e l a r g e r a n dl a r g e r c o m p a n y i n gw i t ht h er a i l w a ys y s t e mr e v o l u t i o ni nc h i n a a st h ei m p o r t a n tf i n a n c i a l d i s b u r s a l ，t h ea u t o m a t i z a t i o na n di n f o r m a t i o no ft h er e f u e l i n ga n dm a n a g e m e n to f l o c o m o t i v ea r ei nd i r en e e d a tp f e s 蛐t ，t h ea u t o m a t i o no fr e f u e l i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mi ss od e f i c i e n tt h a t t h ew h o l em a n a g e m e n tf r o ms t o c kt or e f u e l i n gi si n e f f i c i e n ta n dm a n p o w e ri sw a s t e d s e v e r e l y , a n dt h e r ea r em a n yl e a k sa n de r r o r si ns t a t i s t i cd a t a t oc h a n g ec o n v e n t i o n a l l o c o m o t i v er e f u e l i n gm o d ea n dm a n a g e m e n tm o d e ，i m p r o v et i l ee f f i c i e n c y , a d a p tt h e r e q u e s to ft h eh i g he f f i c i e n c y 姗o fr a i l w a y , t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n san e wi n t e g r a t e d s y s t e mw h i c hr e f u e lt ol o c o m o t i v ea u t o m a t i c a l l yb yu s i n ga d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y t h es y s t e mi sc o m p o s e do fr e f u e l i n gs t a t i o n ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n d m a n a g i n gc o m p u t e r t h i sd i s s e r t a t i o nt r e a t s o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no n r e f u e l i n gs t a t i o na n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o nb ym a i nf o r c e i tp r i m a r i l ys t u d i e st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) i d e n t i f y i n gt h eo p e r a t o ru s i n gf i n g e r p r i n t ( 2 ) t h es t o r a g ea n dr a p i d l o o k i n g u p f o r l a r g ec a p a c i t y f i n g e r p r i n t l i b r a r y ( 3 ) r e f u e l i n gw i t hc o n s t a n tp r e s su s i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h e a c c u r a t ec o n t r o lm e t h o d ( 4 ) t h ec o n s e r v a t i o na n dm a n a g e m e n to fr e f u e l i n gr e c o r d s ( 5 ) i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nu s i n gc a n b u s ( 6 ) r e s e a r c h i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e t h o dt or e s o l v et h ed i f f i c u l t yi n c a b l eh y i n ga n ds t u d y i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e st og u a r a n t e et h ed a t a s e c u r i t yi nc o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mi sar e f o r mo nc o n v e n t i o n a la p p l i e su s i n ga d v a n c e dc o m p u t e r t e c h n o l o g y a n dm e a s l l f ec o n t r o lt e c h n o l o g y i tm a k e st h er e f u e l i n gt ol o c o m o t i v e a u t o m a t i c a l l yw i t hp o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo fc o m p u t e r , o n l i n ec o m m u n i c a t i o n a b i l i t y , f l e x i b l ed a t am a n a g e m e n ta n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h es y s t e mh a v es c i e n t i f i c 山东大学硕士学位论文 s e l l s ei nr e a l i 哆t h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to no t h e rs i t e sa l es i m i l a rs u c ha s a u t o m o b i l es e r v i c es t a t i o na n de l e c t r i cv e h i c l ee n e r g ye x c h a n g es t a t i o n i tc a na l s ob e u s e di nt h e s ep l a c e sw i t hal i t t l ec h a n g e t h es y s t e mh a v ew i d ea p p l i e df o r e g r o u n d k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e ，r e f u e l i n g w i t hc o n s t a n t p r e s s ，c o m p u t e rc o n t r o l ， f i n g e r p r i n t i d e n t i f y ，c a nb u s h i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 翟厌一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇堑翩虢拇日黔乞 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 近半个世纪以来，随着科学技术的飞速发展和新的技术革命，使铁路运输业 面临三大突出问题的挑战，即网络化、知识化和服务化，以及由此而带来的复杂 化。进而导致对铁路机车维修、保养、供给的组织结构和功能的非线性、时变性、 突发性和不平衡性难以用传统的运行模式和控制策略来驾驭。因此，将系统论、 信息论和控制论为核心的系统科学的思想和方法融入机车运行的各个环节，将传 统的制造技术与计算机技术、信息技术、网络技术、控制技术、新材料技术、先 进管理技术进行有机结合，必将促使铁路运输业发生革命性的变化。同时，市场 需求的快速变化和全球性的经济竞争以及高新技术的迅猛发展，也进一步推动着 铁路业的深刻革命，极大地拓展了铁路运输活动的深度和广度，促进了铁路运输 业朝着自动化、智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展。 随着计算机及网络技术在铁路各机务段的应用越来越普遍，推动了各机务段 设备的自动化和管理的信息化。油水( 包括燃油、滑油和水) 的发放、计量和有 效的监控管理直接影响铁路运输的成本和铁路运输管理的水平，人工的和低效率 的油水发放方式己经不能适应铁路运输业高速发展的需要。油水的发放作为机务 段财务支出的重要组成部分，其发放系统的自动化和管理系统的信息化的要求越 来越高。 1 2 机车油水发放及信息管理系统现状 国外的加油控制系统发展相对成熟，有公司生产专门的产品。如澳大利亚铁 路b a n l a w 公司( b a n l a w a u s e r a l i a r a f l ) 生产的密封式加油系统【l 】，此加油系统可明 显的减少燃油损失。美国的油料管理系统较为先进，铁路部门通过与专业运营商 合作，实现了配送业务的专业化和社会化。 我国铁路部门经过几十年的发展，具备了开发机车自动化加油设备和大型系 统信息化的能力。一些铁路局、机务段和科研单位在开发适用于铁路机车自动加 油的控制和管理方面作了大量的工作；1 9 9 4 年湖南大学研制了内燃机车集散加油 山东大学硕士学位论文 系鲥”，下位机以8 0 c 5 2 单片机为控制芯片；福州机务段2 0 0 0 年研制出了j y z 1 型加油自动控制装斟刁，并通过福州铁路分局组织的技术验收，该装置采用8 9 c 5 2 单片机对流量脉冲进行计数并输出控制信号；西南交通大学研制了基于m c s 一5 1 单片机的新型多功能智能加油机【3 】，实现了i c 卡功能扩展，实现数据统计的计算 机化。济南泰成科技有限公司的机务油料电脑综合发放系统采用管理计算机和发 放柱控制器组成【4 】，发放柱控制器采用m o t o r o l 8 位单片机，发放柱既可以独立 操作加油，也可以通过4 8 5 总线通信由总台控制实现所有功能，发放柱的数据会 自动送回总台显示、打印，并可自动传输给电脑联网的管理部门。该系统在昆明 机务段应用。 上述产品都未能在机务段广泛应用，主要有以下原因： ( 1 ) 信息的输入、显示的限制：控制系统以单片机1 5 1 1 6 或p l c 为控制器，尽 管在控制方面有其可靠，方便和成本低的特点，但是在信息的输入，显示方面不 能满足要求。如铁路系统中需要对铁油7 报表中的司机报单号、用油单位、加油 开始时间、加油结束时间、流量计拨前数和拨后数等信息无法输入，只能显示加 油的数据信息。 ( 2 ) 存储能力的限制：控制系统以单片机或p l c 为控制器，对信息的存储能 力较小，只能是实时传输，一般采用4 8 5 ( 或4 2 2 ) 串行通讯向上位p c 机传送加 油数据，通讯线路长，+ 降低了系统运行的整体可靠性【_ ”。 ( 3 ) 数据管理能力的限制：上位机管理软件的数据管理能力较弱或通用性较 差。只是简单的数据存储和报表打印，数据分析能力和可制定性能较差。 因此，提出一套新型机务段油水发放及其管理系统解决方案是完全有必要的。 1 3 新型机车油水发放及信息管理系统的设计要求 1 3 1 油水自动发放部分 ( 1 ) 能方便的输入数据，人机界面友好； ( 2 ) 能够根据设定的加油量自动控制油泵的启动和停止，通断电磁阀的打开 和关闭； ( 3 ) 流量实时记录和显示； ( 4 ) 记录存储铁油7 报表要求的加油信息如机车号、车次、发油量、发油开 始和结束时间、发油人和司机报单等，本机能有3 5 天的数据存储能力，并能将信 2 山东大学硕士学位论文 息传送至上位p c 机： ( 5 ) 管路油压监控，保证加油的安全性和定量加油的精确性： ( 6 ) 自动，手动切换，保证发油控制有绝对的可靠性。 1 ，3 2 油水信息管理系统部分 ( 1 ) 收集各加油点加油数据，自动生成各种统计数据如日报、周报、月报、 旬报和年报； ( 2 ) 生成铁油l 1 2 报表，并与机务段计算机联成局域网络。 1 4 现有油水发放系统结构 机车油水发放系统组成模式根据发油操作和数据通讯方式不同，可有四种模 式； 模式一：发放柱集中控制，数据输入操作在控制计算机【1 1 1 2 1 ，如图1 - 1 所示： ，j 图1 - 1 油水发放系统结构模式 此模式将发放柱安装的发油房中，配置控制计算机和控制柜，控制柜里一般 装有专用集中控制器或p l c ，通过串行口或专用适配器和计算机通信。发放柱的 控制由控制计算机集中控制，数据输入、操作命令和数据存储的工作都在计算机 上完成，发放柱没有控制功能。 这种模式的特点； ( 1 ) 发放柱系统设计简单，成本低，集中控制器设计复杂； ( 2 ) 集中控制，便于管理，但对控制计算机和控制柜的可靠性要求较高。 ( 3 ) 发放柱距离操作计算机不能太远，发放柱数目一般不超过3 台，它适用 3 山东大学硕士学位论文 于发放柱比较集中的场合。 模式- - ：发放柱使用单片机，数据输入操作在控制计算机，如图1 2 所示： l 一j 图1 - 2 油水发放系统结构模式二 此模式设计将发放柱安装的发油房中配置控制计算机，发放柱的控制器采用 单片机，控制计算机和发放柱的控制器采用4 8 5 通信，发放柱的控制器只完成发 放过程的开关量控制、流量计数据记录、管路压力监测以及和控制计算机通讯， 数据输入操作和数据存储工作由控制计算机完成。发放时，由发放工将待发放量、 机车号等铁油7 要求的数据在p c 机发放界面输入，确认发放后，由p c 机将待发 放量、发放种类( 燃油、滑油或水) 等信息传送至要使用的发放柱，该发放柱处 于预备状态，同时，控制计算机定时向该发放柱发出读数指令，待发放工接好机 车油管，按下发放柱“启动”按钮，单片机控制对应电磁阀和泵启动，发放开始， 发放柱显示屏( l e d 或l c d ) 给出当前发放数量的显示并在控制计算机读数指令 下实时回传此数据，当己发放量将要达到设定数值时单片机提前关闭泵，到达设 定值时关闭电磁阀，加油过程完毕。 这种模式的特点； ( 1 ) 发放柱单片机系统设计简单，省去数据输入键盘和数据存储设计，简化 数据显示设计和充分利用p c 机信息输入的优势，操作方便，成本低，同时数据存 储可靠； ( 2 ) 发放柱距离操作用的p c 计算机不能太远，发油房发放柱数目一般不超 过3 台，它适用于发放柱比较集中的场合。 模式三：发放柱采用单片机，数据输入在发放柱，如图1 - 3 所示： 4 山东大学硕士学位论文 图1 - 3 油水发放系统结构模式三 这种模式是为了解决模式二中发放柱不能输入信息而只能与p c 机就近布置 的问题，系统组织类似与模式二，由于发放柱要独立完成发放操作，其单片机系 统必须增加数据输入键盘、铁油7 信息记录传送的i c 卡接口和存储一定量的加油 信息的存储器 8 】。 这种模式的特点： ( 1 ) 发放柱布置位置只受所采用通讯方式的通讯距离限制； ( 2 ) 发放柱单片机系统设计工作量大，它与控制室计算机的数据通讯一般采 用控制计算机查询的方式； ( 3 ) 有线通讯距离过长会给系统带来干扰和雷击隐患。 模式四：采用p c 数据终端的发放柱设计模式 s l g l ，如图1 - 4 所示： 图1 _ 4 油水发放系统结构模式四 山东大学硕士学位论文 这种模式是在每个发放柱中都采用工业p c 控制终端，可以很方便地实现与管 理计算机之间的c ，s ( 客户机，服务器) 网络结构模式，借助p c 机系统中丰富的应 用软件支持，在发放柱计算机控制端，可以开发出十分友好的操作界面。 这种模式的特点： ( 1 ) 发放柱采用工业p c ，开发方便，控制、管理功能强大； ( 2 ) 发放柱数据输入，显示方便，人机界面友好； ( 3 ) 发放柱成本高，使整个系统造价太高，不利于推广使用。 1 5本章小结 本章分析了当今铁路系统大发展的背景下，对机务段油水发放提出的新的要 求。综述了铁路机车油水发放系统的现状，总结出现在应用的4 种系统模式的优 缺点，提出了新型的铁路机车油水发放和管理系统的构想。 6 山东大学硕士学位论文 第二章新型机车油水发放系统总体设计 2 1 新型油水发放系统结构 经过分析比较，本文设计的新型油水发放系统结构采用类似模式三的结构形 式，在设计过程中从以下几个方面进行改进，以提高系统性能： ( 1 ) 采用高性能单片机加强发放柱控制器的数据处理能力。 ( 2 ) 采用大容量存储器提高发放柱控制器的本地数据存储能力。 ( 3 ) 采用c a n 总线进行数据通信，提高数据传输的可靠性，扩大发放柱的 布置范围。 ( 4 ) 研究保证通信数据的可靠性软硬件措施，探索无线通信方式的应用，解 决机务段现场布线施工难的实际问题。 。( 5 ) 引入指纹识别技术进行操作人员的身份认证，提高管理水平。 ( 6 ) 利用智能控制算法实现油水发放过程的压力控制，提高油水发放的安全 性、发放效率和定量发放的精度。 服务器工作站i 工作站n 图2 - i 新型油水发放系统结构图 7 一现场控制层一 一机务段冒理居一一铁路晷自理层一 山东大学硕士学位论文 2 2 发放柱结构设计 铁路机车油水发放柱造型设计上与汽车加油机相似，有的甚至直接采用汽车 加油机机箱，只对内部机构重新设计，铁路机车油水发放柱和汽车加油机的不同 点主要表现在： ( 1 ) 一台机车油水发放柱要同时完成柴油、机油和水的发放，机车的一次发 放量较大，管路租，流量计、阀门等元件体积大，要求的安装空间大，内部结构 紧凑； ( 2 ) 机车油水发放柱的输入信息复杂，除要输入基本的发放量，还要输入机 车号、车次等铁油7 报表信息； ( 3 ) 加油枪不同，机车加油枪是与机车油箱防盗结构相配合的，各机务段不 同，要分别设计，而且都不采用加满控制的方式； 因此，机车油水发放柱在结构尺寸、柜内管路布局和电气控制箱的设计上有 它自己的特点。总之，机车油水发放柱结构设计要遵循的原则是： ( 1 ) 柜体美观、大方，便于清洁； ( 2 ) 管路布局清晰，便于施工和检修，在自动电磁阀控制的油路上要并联手 动旁路阀，保证电磁阀故障时的正常工作； ( 3 ) 电气控制箱的位置要与油路充分隔离，便于安装施工和检修，同时，要 充分考虑电气绝缘性和防雷。 下面分管道系统和发放控制器两部分说明机车油水发放柱的结构设计。 2 2 1 管道系统结构 管道系统是油料流经的路径，也是控制器的控制对象，管道系统设计的是否 合理将直接关系到发放柱的可靠性，可维护性。管道系统示意图如图2 2 所示。油 料由进口经过滤器和手动球阀后，流经流量计，电磁阀旁设有旁通阀，可以通过 选择电磁阀或手动阀实现自动或手动发放控制。为进行压力控制，在管道上安装 有压力传感器。为方便检测流量，选择可直接输出数字信号的流量计。管道系统 布置图如图2 3 所示。一种发放柱外观图如图2 _ 4 所示 4 1 。 山东大学硕士学位论文 燃 油 滑 油 水 管道系统示意图 r 一一一一一一1 6 5 4 3 2 l 阀油枪 ， 艺飞 图2 - 3 发放柱管道系统布置图图2 - 4 一种发放柱外观图 1 、控制器2 、燃油出口3 、电磁阀4 、手动阀5 、防爆盒6 、压力传 感器7 、燃油流量计8 、燃油入口手动阀9 、水入口手动阀1 0 、水流量计 9 山东大学硕士学位论文 1 l 、滑油入口手动阀1 2 、滑油流量计1 3 、压力传感器1 4 、手动发放控制阀 1 5 、水出口1 6 、滑油出口 2 2 1 i 流量计的选择 铁路机车油水发柱主要是完成发放量( 流体总量) 的控制，需要采用流量计 进行流量的检测。所谓流量是指单位时问内通过管道某一界面的物料数量，常用 的计量单位有3 种【埘，如表2 - i 所示。 表2 1 常用流量计薰单位 类别单位 i 体积流量 每小时升( m 3 h ) 2 重量流量q g牛顿每小时( n h ) 3 质量流量q m千克每小时( k g h ) 三者之间的关系为： qo=yqv=,ogqv=gq。(2-i) 式中：y 流体重度；g - 重力加速度 流量测量的仪表按工作原理可分为3 类： ( 1 ) 容积式流量计：以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体 总量。包括椭圆齿轮流量计、括板式流量计、腰轮流量计旋转活塞流量计等； ( 2 ) 速度式流量计：应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量。包 括差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声流量 计等； ( 3 ) 质量流量计：两种测量方法，一是通过直接检测与质量流量成比例的参 数来实现质量测量的直接性质量流量计；二是通过体积流量计与密度计的组合来 实现质量流量测量的间接型质量流量计。 ( 一) 流量计类型的选择： 机车燃油的发放常采用体积计量的方法，使用椭圆齿轮流量计，属于容积式 流量计，是一种对管道中流体流量进行连续测量的高精度计量仪表。它具有量程 范围大、压力损失小、粘度适应性强、能测量高温、高粘度液体、标定方便、安 装简易等优点。椭圆齿轮流量计的工作原理如图2 5 ，测量部分主要由两个相互啮 合的椭圆齿轮及其外壳( 计量室) 所构成， i o 山东大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 5 椭圆齿轮流量计的工作原理 ( c ) 椭圆齿轮在被测介质的压差ap = p l p 2 的作用下，产生作用力矩使其转动。在 ( a ) 所示位置时，由于p l p 2 ，在p l 和p 2 的作用下所产生的合力矩使轮l 产生顺时 针方向转动，把轮1 和壳体间的半月形容积内的介质排至出口，并带动轮2 作逆 时针方向转动，这时1 为主动轮，2 为从动轮，在( b ) 上所示为中间位置，1 和2 均为主动轮；而在( c ) 上所示位置，p l 和p 2 作用在l 轮上的合力矩为零，作用在2 轮上的合力矩使2 轮作逆时针方向转动，并把已吸入半月形容积内的介质排至出 口，这时2 为主动轮，1 为从动轮，与( a ) 上所示情况刚好相反如此往复循环，轮 1 和轮2 互相交替地由一个带动另一个转动，将被测介质以半月形容积为单位一次 一次地由进口排至出口显然，如图2 5 上( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，仅仅表示椭圆齿轮转 动了1 4 周的情况，而其所排出的被测介质为一个半月形容积。所以，椭圆齿轮每 转一周所排比的被测介质量为半月形容积的4 倍，则通过椭圆齿轮流量计的体积 流量q 为： q = n v o( 2 2 ) 式中：阼为椭圆齿轮的旋转频率( 转秒) ；v o 为半月形部分的容积( 升) 。 这样，在椭圆齿轮流量计的半月形容积一定的条件下，只要测出椭圆齿轮 的旋转速度n ，便可知道被测介质的流量。椭圆齿轮每转k 周通过椭圆齿轮流量计 的流体体积总量q 为： t q = 4 i v o ( 2 3 ) i = l 式中：k 为总转数；为半月形部分的容积( 升) ；q 为流体总量( 升) 。 椭圆齿轮流量计流量信号( 即椭圆齿轮的旋转速度n ) 的显示，有本地显示和远 传显示两种。本地显示将齿轮的转动通过一系列的减速及调整转速比机构之后， 山东大学硕士学位论文 直接与仪表面板上的指示针相连，并经过机械式计数器进行总量的显示。远传显 示主要是通过减速后的齿轮带动永久磁铁旋转，将流量信号转换成电脉冲信号， 实现远距离传输。 ( 二) 流量计量程的确定 以前，内燃机车的牵引距离是3 0 0 公里左右，加油量在1 5 0 0 - 3 0 0 0 升左右，加 油时间不超过l o 分钟，现在内燃机车的牵引距离提高至5 0 0 公里，加油量在 5 0 0 0 8 0 0 0 升左右，若用原系统加油时间达3 0 分钟，为缩短加油时间，应增大管 路1 ：3 径和流量计测量范围 9 1 。按加油量8 0 0 0 升，用时2 0 分钟估算，流量应为 q = 8 0 0 0 升2 0 分钟= 4 0 0 升，分钟- - - 2 4 立方米，j 、时 ( 三) 流量计型号选择 参照合肥精大科仪表有限责任公司的l c 系列椭圆齿轮流量计技术参数表，应 选择l c a 5 0 铸铁型椭圆齿轮流量计，公称通径5 0 毫米，流量范围4 8 至2 4 立方 米，小时。并配置g f - 1 型发信器，发信器工作电压1 2 v d c ，输出脉冲电压，k 9 v ，传输距离1 公里，精度1 个脉冲，和l c a 5 0 铸铁型椭圆齿轮流量计配 套使用时，最大流量时6 6 7 p s ( p ：脉冲；s ：秒) ，o 1 l p ( l ：升；p ：脉冲) 【1 们。 2 2 1 2 电磁阀的选择 电磁阀是实现油路开关控制的关键器伴1 ”。发放时，先开阀后开泵；停止时， 先关泵后关阀，保证管路油压不至于过高而造成泵和管路的损坏。电磁阀选型应 遵循安全、可靠、经济三原则，同时还要考虑使用现场情况：管道参数、介质参 数、压力参数、电源参数、动作方式等特殊要求。 机车加油中应用的电磁阀，工作压力在1 0 k g e m 2 ，压差0 5x g c n l 2 ，直立安 装，介质为燃油、滑油和水，有防爆要求，环境要求不算太高。电磁阀里一般有 两组电磁铁和大小两个阀门，大阀的口径大约为小阀口径的1 0 倍。当加油开始时， 电磁阀的大、小阀同时开启，油料料以最大流量通过；当快到所设定数量( 一般来说 还剩o 3 - 0 4 升) 时，大阀就会关闭，小阀仍然开启。这时候加油机加油的速度就会 变得很小，流量只有正常时的十分之一，直到加油结束，小阀也随着关闭。这样 通过小阀的缓冲作用，可以提高定量加油精度。因电磁阀关闭时间远大于开通时 间，应选择常闭阀。 2 2 2 控制器结构 1 2 山东大学硕士学位论文 控制器是发放柱的核心部件，发放柱的控制器设计除考虑人机界面、数据处 理能力、存储能力、通信功能外，还要考虑防雷、防爆、维护方便、可靠性，这 要通过合理的结构设计来实现。 控制器结构上可以分为数据处理部分和电气控制部分。数据处理部分包括键 盘、显示、检测信号输入、指纹识别模块、存储器、i c 卡接口、通信模块等，工 作电压为5 v ：电气控制部分主要包括电磁阀驱动电路，工作电压为2 4 v ；两部分 光电隔离，独立电源供电，分离安装，数据处理部分安装在发放柱机柜上部，电 气控制部分放在防爆盒中安装在机柜下部，如图2 5 所示：发放柱管道系统布置图 中的i 和5 。 控制器的详细设计在第3 章介绍。 2 3本章小结 本章首先提出新型铁路机车油水发放系统的了设计目标：系统功能，给出了 基于c a n 总线新型油水发放系统的总体框图。进行了系统的结构设计，论述了发 放柱的物理结构设计、管道布置，并重点讨论了关键部件流量计和电磁阀的选型。 山东大学硕士学位论文 第三章发放柱控制器设计 发放柱控制器设计是本设计的最主要内容，应能满足整个油水发放过程的控 制要求。在控制器设计中，信息输入是一个不好解决的问题，有的设计不惜成本 采用工控机主要就是解决信息输入问题嗍。但铁路机车燃油发放有它自身的特点， 服务对象相对比较集中，只对机车司机。每个机车司机都有一张专用工作i c 卡， 记录着司机的基本信息，如：姓名、工号、所属单位、车号等，这些信息正是发 放记录中要记录的。这样可以借助司机的i c 卡输入信息。为了提高工作效率和管 理水平，避免冒领油料，设计指纹识别身份验证功能。 发放柱完整的油水发放过程描述如图3 一l 所示。 图3 - 1 油水发放过程 要求： ( 1 ) 一台发放柱同时完成燃油、滑油、水的发放，可同时进行。 ( 2 ) 若有上位机召唤数据，能上传发放记录数据。 ( 3 ) 能本地设置运行参数或接受上位机参数。 按照油水发放的工作过程，发放柱控制器应包括键盘、显示、流量检测信号 输入、压力检测信号输入、指纹识别模块、存储器、i c 卡接口、通信模块，电磁 阀控制模块，泵控制模块等，如图3 - 2 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 p t l 0 0 f m 2 4 c 2 5 6 h d 7 2 7 9 2 4 0 x 1 2 8 s j a l 0 0 0 亟困 图3 - 2 控制器方框图 3 1单片机的选择 由于控制器输入数出信号较多，有较复杂的数据运算处理，有一定实时性要 求，因此要选性能较强的单片机，并带并行总线接口，以便连接扩展存储器，l c d ， 通信管理芯片等要求并行接口的器件。 设计中选用a t m e l 公司的高档8 位单片机a t m e g a l 2 8 e 1 2 1 1 3 】，a t m e g a l 2 8 有如下特点：1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即r w w ) ， 4 k 字节e e p r o m ，4 k 字节s r a m ，5 3 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄存器， 实时计数器( r t c ) ，四个具有比较模式与p w m 的灵活的定时器，计数器( t c ) ，两 个u s a r t ，面向字节的两线串行接口，8 路l o 位具有可选差分输入级可编程增 益的a d c ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口，与i e e e 1 1 4 9 1 标准兼容的、可用于访问片上调试系统及编程的j t a g 接口，以及六个可 以通过软件进行选择的省电模式。 a t m e g a l 2 8 是以a t m e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内i s pf l a s h 1 5 山东大学硕士学位论文 允许程序存储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行 于a v r 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下 载到应用h a s h 存储区( a p p l i c a t i o nf l a s hm e m o r y ) 。在更新应用f l a s h 存储区时，引 导f l a s h 区( b o o tf l a s hm e m o r y ) 的程序继续运行。通过将8 位r i s cc p u 与系统 内可编程的f l a s h 集成在一个芯片内，a t m e g a l 2 8 成为一个功能强大的单片 机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 p e n r , x d o ( p d i ) p e o ( t x 0 0 i ：砌0 ) p e t ( x c k 0 a i n 0 ) p e 2 ( o c 洲n i ) p e 3 f o c 3 b n n t 4 ) p e 4 ( o c 3 c 9 n t 6 ) p e 8 ( t 3 i n t 6 】p 韵 ( i c 3 i n t 7 ) p e 7 ( s s ) p e n ) ，( s c m p b l m o s t ) 啦 ( m i s o ) p b 3 ( o c 0 ) p b 4 f o c i a ) p b 5 ( o c l b ) p b 6 图3 - 3a t m e g a l 2 8 引脚图 p a 3 d a i p m ( a 0 4 ) p a 5 ( a o s ) p a 8 ( a o e ) p a tc a d 7 ) p g 2 a l e p c 7 i a l 5 ) p c 6 ( a 1 4 ) p c 5 ( a 1 3 ) p c 4 f a l 2 ) p c 3 f a l l p c 2 a i o p c i a 钟 p o o a 8 ) p g i ( r d ) p c - , 0 ( w r ) a t m e g a l 2 8 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：c 语言编译器、宏 汇编、程序调试器，软件仿真器、仿真器及评估板。设计中选用a t m e g a l 2 8 l ， 从a t m e g a l 2 8 的特性可看出，这种单片机低功耗，电压范围宽，集成的模块多， 接口丰富，尤其是集成4 k b 的s r a m ，适合使用c 语言编程，可大大降低程序设 计难度，提高开发效率。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 2显示电路设计 为了显示更友好的界面，显示分为两部分：主显示屏和辅助显示屏，功能分 配如表3 一l 所示。 表3 - 1 显示屏的功能 辅显示屏 主显示屏 燃油滑油水 屏类型2 4 0 x 1 2 8 图形点阵l c d大尺寸字符型l c d 显示显示操作界面：登录，设置参数，显示发放过程动态数据：总量，公斤表示 内容发放过程显示，查询等的已加量，升表示的已加量。 3 2 1 主显示屏接口电路设计 主显示屏采用2 a 0 x 1 2 8 图形点阵液晶显示模块，控制芯片t 6 9 6 3 c 1 4 1 ，和单片 机并行接口，电路图如图3 4 所示。可调电阻r w l 用于调节对比度，继电器k 1 0 用于控制背光电源，当v l i o n 控制端为高电平时三极管导通，继电器k 1 0 吸合， 背光源发光。背光源为发光二极管阵列，电流约2 0 0 m a ，采用小功率继电器驱动。 ( 。 ： 2 蓦季；奎趸鲁8 量目西莓吾吾苗善基= i 9 南+ 锄甜 n。 毒 一一 ! n = 卜 封 o 一一 一一一 门 日 3口凸凸凸口凸 吒q v c c 凸 v c 长 凸 u 卜_ 仁门“。嚣副 幺 凸 u j iw r： r i d ) c s ；l c d： ll c d c d) 、：= ：l = ：一 v c c k i o 9 c 6 田1 o ，婴里_ d 3 l 厂 ：黧掣、u 。洲r 1 e 厄入 聃1 4 8 洲孤。剡 千il | 。f 图3 _ 4 主显示l c d 模块接口电路原理图 1 7 山东大学硕士学位论文 3 2 2 辅助显示屏接口电路设计 辅助显示屏采用加油机专用字符型液晶显示模块，和单片机串行接口，由于 燃油、滑油和水辅助显示屏电路原理相同，只画出燃油辅助显示屏的接口电路图， 如图3 5 所示，继电器k 1 1 用于背光电源控制，l o a d 为片选信号，d i 为数据输 入端，c l k 为时钟输入端，三个辅助显示屏各有独立的l o a d 信号，d i 和c l k 信号共用。 图3 - 5 辅助显示屏的接口电路图 图3 - 6 辅助显示屏外形图 山东大学硕士学位论文 辅助显示屏外形如图3 - 6 所示，选用的是长沙太阳人电子有限公司的 s m s l 6 1 2 f 型加油机专用显示屏。工作电流：3 m a ( 5 0 v ) ，背光源工作电压：9 0 v ， 背光源工作电流： 4 9 v ，可以连接到网络上的节点数量由收发 器可以驱动的最小负载阻抗来决定节点的最大数量可以用图3 - 1 0 的电路框图计 算，在最差的情况下总线电缆的阻抗r w 可以认为是0 ，p c a 8 2 c 2 5 0 的最小差动 输入阻抗r d i f f m i n = 2 0 ko 。下面的关系式可以计算节点的最大数量， 。 1 + 一石1 一d 1 ( 3 - 2 ) 如辟= 1 2 0 q 时，最多1 1 2 个节点。 总线电缆的选择可根据表3 - 3 、表3 - 4 、表3 - 4 选择。一般燃油发放系统中， 总线长度在5 0 0 m 以内，节点不超过8 个，选用0 7 5 r a m 2 或a w g l 8 电缆即可满 山东大学硕士学位论文 表3 - 3c a n 总线电缆建议的最小总线横截面 总线长度节点的数量 3 26 41 0 0 1 0 0 m o 2 5 m m 2 或a w g 2 4o 2 5 r a m 2 或a w g 2 4o 2 5 m m 2 或a w g 2 4 2 5 0 m o 3 4 r a m z 或a w g 2 2o 5 m m 2 或a w g 2 0 o 5 n u n 2 或a w g 2 0 5 0 0 m o 7 5 m m 2 或a w g l 8o 7 5 r a m 2 或a w g l 81 0 m m 2 或a w g l 8 表3 4 不同电缆的特征阻抗 电缆类型特征阻抗 i s o1 1 8 9 8 ( 汽车) 0 2 5 r a m 2 或a w g 2 3 7 0 d c f i c e n e t t m 细电缆 6 9 d e v i c e n e t t m 粗电缆 1 8 o 5 m m 2 或a w g 2 0 3 7 o 7 5 r a m 2 或a w g l 8 2 6 表3 5 不同电缆和不同总线节点数量n 的最大总线电缆长度 电缆类型最大总线电缆长度 安全余量= o 2安全余量= o 1 n = 3 2 n = 6 4 。 n = l o on = 3 2n = 6 4n = l o o d