（车辆工程专业论文）内燃机车自动加油控制系统的设计和实现.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文针对目前机车加油仍然采用人工拧阀读表的现状，设计出种新型 的机车自动加油控制系统。该系统使用了计算机自动控制的加油机，从硬件、 软件两方面着手，实现了机车的自动加油和燃料的计算机管理。工业控制采 用p c l 0 4 总线的嵌入式计算机，配合扩展板p c m s l l l 采集外部数据，具有控 制、监测和数据库管理等功能，实现了机车加油的自动化管理。 p c i 0 4 总线是一种比较经济的工业控制计算机，在操作式与p c 总线的 工业控制计算机完全相同的情况下，其组成的系统具有模板少、体积小和成 本低的特点。利用p c i 0 4 控制机可以采用嵌入式操作系统，使系统软件和应 用软件的尺寸大大减小，可以省去硬盘设备而只采用几兆至几十兆的c f 盘， 一方面节约成本，另一方面节约功耗。 第章综述了目前国内机车燃油发放及信息管理系统现状，根据现状提 出了机车燃油自动发放及管理信息系统设计的三种模式，综合分析这三种模 式提出本系统设计的依据以及解决的内容。 第二章详细介绍了加油机油管管路设计和电气控制设计，前者包括管路 元件如流量计、电磁阀等的选择和加油柜体设计如何满足机械管路与电气控 制合理布局及美观性；后者包括计算机自动控制和手动控制电气电路设计。 第三章详细介绍了基于p c i 0 4 总线的机车加油机计算机系统设计，包括 工业计算机控制系统的硬件组成和功能以及主机板选择、接口和驱动电路的 设计，同时还介绍了i c 卡键盘在本系统中的应用。 第四章详细介绍了机车自动加油控制系统的软件实现，包括软件操作流 程及部分程序的编写。同时还详细叙述了人机操作界面设计的方法和步骤。 第五章对系统进行了技术经济分析。 关键词：机车自动加油p c i 0 4 总线计算机控制 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h isd i s s e r t a t i o nd e s i g n san e wt y p es y s t e ma b o u tr e f u e l i n g0 j1 t ol o c o m o t i v ea u t o m a t i c a l l ya i ma tt h ea c t u a l l yi l l u m i n a t i o n o f r e f u e l i n go i l t ol o c o m o t i r eb ym a n u a l l ys t i l l _ t h i ss y s t e mu s e st h e r e f u e l i n gm a c h i n ec o n t r o l i e db yc o m p u t e r ，p r o c e e d i n gw i t h h a r d w a r e a n ds o f t w a r e r e a l i z e sf u e lo i l sc o m p u t e rm a n a g e ra n dl o c o m o t i v e s r e f u e l i n go i la u t o m a t i e a l l y i n d u s t r yc o n t r o la d o p t s t h ee m b e d d e d c o m p u t e ro ft h ep c i 0 4b u sa n dc o m b i n e sw i t ht h ee x t e n d e r c a rp m 5 1 1 1 f o rc o l l e c t i n gt h eo u t e rd a t a s ot h es y s t e mh a v e st h ef u n c t i o n so f c o n t r o l ，o b s e r v a t i o na n dd a t a b a s em a n a g e r ，w h i c hr e a l i z ea u t o m a t i c m a n a g e m e n to fr e f u e l i n go i l t o1 0 c o m o t i v e t h eb u sp c i 0 4i sar e l a t i v e l ye c o n o m i ci n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r e o m p a r i s o nw i t ht h ep cb u so n e si nt h ec a s eo ft h es a m em a n i p u l a t i o n t h es y s t e mc o m p o s e db yi th a sm a n yv i r t u e s ，j u s t1 i k et h ef e wm o d e l b l o c k ，t h es m a l l e rv o l u m e ，t h el o w e rc o s t t h es y s t e mc o m p o s e db yi t c a na d o p te m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a nr e d u c et h es i z eo ft h e s y s t e ms o f t w a r ea n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n du s et h ec fd i s k i n s t e a do ft h eh a r dd i s kf a c i l i t y i no n eh a n dt h es y s t e mc a ns a v ec o s t ， t h ea t h e rh a n di tc a ns a v ee n e r g yr e s o u r c e s t h e c h a p t e r 1s u m m a r iz e st h ed o m e s t i c p r e s e n t s t a r eo f 1 0 c o m o t i v e s r e f u e l i n g a i la n dt h ei n f o r m a t i o n m a n a g e rs y s t e m ， a e c o r d i n gt o t h ep r e s e n tb r i n g s u p t h r e em o d e s a b o u t i t t h r o u g h a n a l y z i n gt h et h r e em o d e sr e a c ht h er e l i a n c eo ft h es y s t e md e s i g na n d t h es o l v e dc a n t e n t s i nc h a p t e r2s u m m a r i z e st h ed e s i g no ft h eo i lp i p eo ft h er e f u e l i n g m a c h i n ea n dt h ee l e e t r i c i t yc o n t r 0 1 t h ef o r m e ri n c l u d e st h ep i p e e l e m e n t s s u e ha st h ec h a i c eo ft h ef l o wm e t e ra n dt h e e l e c t r o m a g n e t i s m t h ei a t t e ri n c l u d e st h ee l e c t r i c a lc i r c u i td e s i g n o fe o m p u t e r sc o n t r o la u t o m a t i c a l l ya n dc o n t r o l b y l a b o r 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 ii 页 i n c h a p t e r 3s u m m a r i z e st h e c o m p u t e rs y s t e md e s i g n o f l o c o m o t i v e sr e f u e l i n go i la u t o m a t i c a l l yb a s e do nt h ep c i 0 4b u s ， i n c l u d i n g t h e s y s t e m s h a r d w a r ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o n ，t h e s e l e c t i o no fm o t h e rb o a r d ，t h ed e s i g no fi n t e r f a c eb o a r da n dd r iv e c i r c u i t a tt h es a m et i m ei n t r o d u c e st h ei cc a ra n d t h ek e y s a p p l i c a t i o n i nt h i ss y s t e m i nc h a p t e r4i n t r o d u c e si nd e t a i l st h es o f t w a r er e a l i z a t i o no f t h i ss y s t e m ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h es o f t w a r ea n dt h e c o m p i l eo fp a r tp r o c e d u r e a tt h es a m et i m et h ee h a p t e r4s t a t e st h e m e t h o da n d s t e p o f d e s i g n i n g t h ei n t e r f a c eb e t w e e n p e o p l e a n d c o m p u t e r i nc h a p t e r5 ，t h et e a c h i q u ee c o n o m ya n a l y s i si sg i v e n k e yw o r d s ：l o c o m o t i r e ，r e f u e l i n go i l ，p c i 0 4b u s ，c o m p u t e r c o n t r o l 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 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，进而导致铁路机车维修、 保养和供给的组织结构的巨大变化。机车运用的非线性、时交性、突发性和不平 衡性，已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思想和方法融入机车运行的各个环节，将先进的制造技 术、计算机技术、信息技术、网络技术、控制技术、新材料技术和先进管理技术 有机结合，是铁路运输业发展的必由之路，也必将使铁路运输业产生深远的变化， 促进铁路运输朝着自动化、智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展，实现 铁路运输的现代化。 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，使我国 铁路运输面临诸如高速公路和航空运输的竞争压力，促使铁路跨越式发展战略的 提出和实旌。近几年来铁路的几次成功大提速，极大地提高了铁路运输的效率， 新型空调列车的大量使用，未来高速客运专线的建成开通，使百姓能逐步享受铁 路带来的方便、舒适和快捷，铁路的现代化发展必将改变铁路运输的总体形象。 1 1 铁路跨越式发展带来的机车运用模式的变革 铁路跨越式发展的重要标志之一就是铁路的大提速，铁路大提速必然给机车 运用模式带来深刻的变革，体现在三大方面：( 1 ) 机车运用模式；( 2 ) 机车检修 模式：( 3 ) 机车整备。 机车运用模式的变化主要体现在： 1 )牵引距离加长，由原来的3 0 0 公里提高到5 0 0 公里，甚至更长，尤其是 直达列车的一次运行里程更长，达1 0 0 0 多公里，内燃机车已逐渐不适应 这种长距离牵引的需要，逐步将被新型电力机车所取代； 2 )乘务方式采用单司机制和轮乘制，避免由于机车频繁进段整备造成的机 车运用效率下降，但这样必然对机车的质量状态和检测检修提出了更高 的要求。 机车检修模式的变化是机车运用模式变化的直接结果，也是我国机车检修发 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 展的必然方向，为适应机车运用变化对机车高质量的要求，机车检修也必然要由 原来的计划修转变为状态修，在机车的运用中注重机车的检测，随时发现问题随 时检修，避免机车带病运行，保证机车正常运行。 机车整各的复杂化是铁路提速发展的必然结果，表现在： 1 )跨段跨局机车增多，给段内机车调度，股道分配增加了难度； 2 )机车整备尤其是内燃机车加油整备时间长、作业量增加。机车加油时间 长是内燃机车牵引距离长的必然结果。以前，内燃机车的牵引距离是3 0 0 公里左右，整备加油在1 5 0 0 3 0 0 0 升左右，加油时间不超过1 0 分钟， 现在提高至5 0 0 公里，整备加油量在5 0 0 0 7 0 0 0 升左右，加油时间达 3 0 分钟，这些变化将直接影响机车的进段调度，使许多机务段原有加油 点的位置布局和数量显得不尽合理，同时，也增加了罐车卸油的次数和 数量。 铁路跨越式发展对铁路各个部门的影响是深远的，如何充分发挥铁路的现有 人力、物力资源，保证跨越式发展的顺利进行，还有许多课题需要研究。 1 2 机车燃油发放及信息管理系统现状 尽管目前在汽车加油站已广泛使用了计算机自动控制的加油机，实现了油料 的计算机管理，但计算机控制的自动加油机和计算机燃油管理在铁路机车燃油自 动发放和管理中还远未普及和成熟应用。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系统，下位机以8 0 c 5 2 单片机为控制芯片“1 ；福州机务段 2 0 0 0 年研制出了j y z l 型加油自动控制装置，并通过福卅i 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“1 。 这些产品基本上都未能广泛的应用于铁路机车加油，主要有以下一些原因： 1 )控制系统都以单片机为核心，尽管简单可靠、成本低，但以单片机为核 心的系统，功能单一，尤其是信息输入、显示和与上位p c 机数据通讯方 面很难满足铁道部燃油管理的需要，因为单片机的l e d ( 或l c d 数码管) 只能显示加油的数据信息，对于铁油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， 这些也是普通汽车加油机不适用于机车加油的原因之一。1 ；这些单片机 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 控制系统一般采用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“1 ； 2 )铁路项目投资的局限造成一般的系统不能完摧运行，而最终只用到了手 动最原始的加油方式。铁路机务段的燃油自动发放项目几乎都是在原有 系统上的改造。首先，项目经费一般不足以对其所有手动发放柱改造， 而只能实施一部分，这样必然造成燃油计算机管理部分的数据不能完全 由发放柱自动传送，给实际操作带来不便；其次，改造时般要保留原 有系统的电气控制，使得对不同的单位有不同的设计，造成发油计算机 控制部分必须重新设计，限制了生产单位的产品标准化： 3 )现有的铁道部铁油管理报表铁油l 1 2 不是为方便计算机生成提出的， 随机因素很多，给最后计算机管理报表的自动生成造成了很大的障碍。 同时，铁道部对罐车容积质量计算的垄断，使得利用自己软件计算的数 据不能成为索赔依据，这些都增加了系统开发设计工作量和难度，也限 制了产品的推广。 本文就是针对目前铁路燃油发放和管理的具体问题提出了一种系统设计的 解决办法，实际运行中证明该方案是可行的。 1 3 机车燃油自动发放及管理信息系统设计模式 根据我国机务段内燃机车的加油现状，结合铁道部关于机车燃油管理要求， 对机车自动加油和信息管理的设计要求如下： 1 、燃油自动发放部分 1 ) 能够根据设定的加油量自动控制油泵的启动和停止，以及相应控制管路 通断电磁阀的打开和关闭； 2 )流量实时记录和显示； 3 ) 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 始和结束时问、发油人和司机报单等，并将信息传送至上位p c 机； 4 )管路燃油压力监测，保证加油的安全性； 5 ) 自动手动切换，保证发油控制有绝对的可靠性。 2 、燃油管理信息系统部分 1 ) 收集各加油点加油数据，自动生成各种统计数据如周报、月报、旬报和 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 年报数据； 2 )生成铁油l 1 2 报表，并与段计算机联成局域网络。 发放柱结构如图卜1 ，由两大部分组成：油管管路结构和计算机控制系统。 i 管路压力信号 一 i 阀 l显示及 燃散心卜划n 日 i按键输 l t 溏器 手动珲月 孤i h 数据i 压力传焙罐 翻露 十 而 柱| 模 。 拶午 控| 块 风辫 日一 滑沿 虱萋匿 嘈 脉冲信号 开关量输出模块 一 卅、 泵起停 制水- 拉制信 计算机控 电电磁阔控制信 制部分 管路控制部分 图卜1 发放柱组成原理图 油管管路布置见图2 1 ，管路主干由过滤器、手动球阀、流量计、电控电磁 阀组成，增设压力传感器和流量发信器向计算机传送压力信号和流量脉冲，尽管 这样设计的发放柱，发油过程可以实现计算机自动控制。1 ，但辅助的机车油箱接 管和卸管还必须由人工操作。 计算机控制系统由开关量输入输出模块、a d 采样模块、数据输入显示模 块、脉冲计数模块、存储模块和通讯模块组成，可以实现对各泵的起停控制、管 路液体压力监测、流量计数据输入、加油信息存储和与上位计算机通讯。 此外，在机车加油机中还须设计i c 卡接口，用于存储司机信息和加油信息， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 便于查询嘲。 机车加油系统组成模式根据发油操作和数据通讯方式不同，可有三种模式： 模式一：发放柱采用单片机，数据输入操作在p c 机”1 这种模式的系统组成如图卜2 所示： 网 图卜2 机车加油系统模式一 此模式设计将发放柱安装的发油房中配置p c 机，发油柱的控制计算机采用 单片机，其功能只完成发油过程的开关量控制、流量计数据记录、管路压力监测 以及和发油房p c 机通讯，数据输入操作和数据存储的烦琐工作由发油房p c 机完 成。发油时，由发油工将待发油量、机车号等铁油7 要求的数据在p c 机发油界 面输入，确认发油后，由p c 机将待发油量、发油种类( 燃油、滑油或制水) 等 信息传送至要发油的发放柱，该发放柱处于发油预备状态，同时，p c 机定时向该 发放柱发出读数指令，待发油工接好机车油管，按下发油柱“启动”按钮，单片 机控制对应电磁阀和泵启动，发油开始，发油柱l e d ( 或l c d ) 给出当前发油数 量的显示并在p c 机指令下实时回传此数据，当已发油量达到设定数值时( 一般 是接近) 单片机关闭泵，延时关闭电磁阀( 发油量到达设定值) ，加油过程完毕。 这种设计模式的特点： 1 )发油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才i 超 刮目一习爿寻引 喊一局一 叫 潍 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 过3 台，它适用于发放柱比较集中的场合。 模式二：发放柱计算机为单片机，数据输入在发放柱 这种模式是为了解决模式一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一，由于发放柱要独立完成发油，其单片机系统必 须增加数据输入键盘、铁游7 信息记录传送的i c 卡接口和存储一定量( 如1 周) 的加油信息的存储器( 掉电保护) ”1 。这种模式的设计和工作特点： 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p c 计算机的数据通讯一般采用 p c 命令查询的方式； 3 )有线通讯距离过长会给系统带来干扰和雷击隐患。 模式三：采用p c 数据终端的发放柱设计模式0 1 ，如图卜3 所示： 善田nr 圉 i厂| 放i 呼堑了 一一 光纤 一i 眷纤誊| lr 一一 图卜3 机车加油系统模式三 这是一种配置最为灵活的机车加油系统，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 ( 客户机月艮务器) 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，当然，这种模式的成本是最高的。 本文就是探讨这种模式下的加油机设计方法。 1 4 本文的研究内容 从上面分析的机车加油系统的三种模式可以看出，采用工业p c 的发放柱终 团日 !剐，j 圈!图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 端方式是目前加油机设计中的比较先进的模式，它具有良好的操作界面和可靠的 数据通讯。成功的加油机设计是实现燃油信息管理的重要保障，本文集中讨论这 种模式下的加油机设计，包括以下内容： 1 )加油机油管管路设计和布局设计，包括管路元件如流量计、电磁阀等的 选择，以及加油柜体设计如何满足机械管路与电气控制合理布局及美观 性： 2 )工业计算机的设计，包括工业计算机的主机板选择、接口和驱动电路的 设计： 3 )电气控制系统设计“，包括计算机自动控制和手动控制电气电路设计； 4 )加油操作计算机界面及控制软件设计。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 第2 章机车加油机的管路和电气控制设计 机车自动发油柱是本文讨论的重点，设计方便、实用、可靠的加油机是机车 燃油发放和计算机管理成功的关键。由图1 一l 的发放柱组成图可知，一个典型的 机车计算机控制的自动加油机由计算机控制系统、电气控制系统、控制油路和柜 体组成，在采用工业p c 计算机控制的发放柱设计模式中，工业p c 计算机的选择 又是整个加油机设计的核心，它关系到整个控制系统的组成结构、操作模式和系 统的成本。在选择工业计算机中，按照目前计算机在工业控制的应用现状，可以 选择p c 总线的工业p c 、可编程控制器和p c i 0 4 总线的嵌入式计算机。 2 1 工业控制计算机的选择 p c 总线的工业计算机，如台湾的研华、大众公司的系列产品和大陆的浪潮计 算机公司的产品，这类工业计算机基本配置和操作系统、应用软件和普通商用机 基本相同，利用它们设计产品时软件支持丰富、技术资料容易获得、一般编程人 员都比较熟悉，所以开发周期短，系统维护简单。利用这类控制计算机的基本配 置如下： 1 )带高性能c p u 的主板，至少可以运行w i n i ) o w s 9 8 操作系统； 2 )带i s a 总线或p c i 总线插槽的母板； 3 ) 至少6 4 m 的内存、1 0 6 的硬盘； 4 )工业控制机箱和商用显示器： 5 ) 开关量输入输出接口板，本系统需1 6 点输出和1 6 点输入； 6 )模拟量输入( a d ) 接口板，本系统需3 路输入； 7 )定时器计数器接口板，本系统需3 个定时计数器： 8 )以太网卡。 在本加油机采用p c 总线的工业控制机是可以完全满足加油机控制系统所要 求的功能，可靠性高，但它存在： 1 )成本高，单台系统投入在1 至1 5 万人民币之间： 2 ) 体积大，这种工业控制机的机箱一般采用6 1 0 机箱，尺寸较大，对体积 有限的加油柜来说不合适，如果采用一体化工作站，成本将增加很多。 采用可编程控制器构成控制核心时，系统运行的可靠性是最高的，其配置如 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 f ： 1 )电源模块 2 ) c p u 模块 3 )1 6 点开关量输入模块 4 )1 6 点开关量输出模块 5 )至少三点的模拟量输入模块 6 )至少三点的计数模块 7 )带触摸屏的液晶显示器 由于采用了模拟量输入模块、计数器模块和触摸液晶屏，p l c 系统的成本将 比较高，估计在一万人民币左右，同时对p l c 的数据通讯在多点的情况下，采用 组态的方式比较灵活，如果采用通用的v c + + 或c + + b u i l d e r 开发平台，软件设计 调试的难度较大，设计周期长。 p c i 0 4 总线是一种比较经济的工业控制计算机，在操作式与p c 总线的工业控 制计算机完全相同的情况下，其组成的系统具有模板少、体积小和成本低的特点， 在本系统中的配置为： 1 ) p o l 0 4c 4 5 主机，尺寸只有普通3 5 寸硬盘大，上面配置l c d 显示控制嚣、 c r t 显示控制器、f d d 接口、i d e 接口、a c 9 7a u d i o 接口、c f 卡接口、 c o m i 、c o m 2 和l a n 以太网； 2 ) p c i 0 4 的p c m 5 1 1 1 接口卡，带有一片8 2 c 5 5 a 、一片8 2 5 3 和一片a d 5 7 4 ， 可以扩展2 4 点开关量输入输出、1 6 路1 6 位模拟量输入和3 个1 6 位定 时计数器。 所以，只须两块板便可满足本系统的控制要求。此外，利用p c i 0 4 控制机可 以采用嵌入式操作系统，使系统软件和应用软件的尺寸大大减小，可以省去硬盘 设备而只采用几兆至几十兆的c f 盘，既节约成本，也节约功耗，增加系统的可 靠性。 2 2 计算机控制加油柜的设计 2 2 1 加油柜总体结构设计 加油柜是加油的操作柜，其中包含油管管路、电气控制箱、操作按钮面板几 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 个部分，在结构和造型设计上与现在流行的汽车加油机相似，但也有很大的不同， 表现在： 1 )管路较粗，流量计、阀门等元件体积大，要求的安装空间大： 2 )加油控制方式不同，主要体现在加油枪设计的不同上。机车加油枪是与 机车油箱防盗结构相配合的，各机务段可能不同，因此要分别设计， 而且都不采用加满控制的方式； 3 )机车加油输入的信息不同于汽车加油机，除要输入基本的加油量，还要 输入加油机车号、车次等铁油7 报表信息； 4 )机车加油机要完成为机车加柴油、机油和制水。 因此，机车自动加油机在结构尺寸、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，在机车加油柜结构设计中要遵循的原则是： 1 )柜体美观、大方，便于清洁： 2 )管路布局清晰，便于旌工和检修，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“。 图2 1 是一种加油柜的结构简图，图中管路控制基本采用图卜1 中的结构， 由于管路及其元件( 如流量计) 尺寸较大( 采用0 5 0 无缝钢管) ，考虑操作的方 便性，将管路操作部分安排在柜体下半部，上半部设计为箱式结构，可以方便地 整体拆卸，用于安装计算机和电气控制部分，从而保证电控的相对独立。出油管 的设计，可以从电控箱两边向下分出，也可以直接从柜体中央出管。 柜体前后开门，前门设置玻璃窗，便于直接从流量计指针读数，后门为两开 的普通门；柜体两边立柱采用不锈钢板，既美观又便于清洁；管路底部油管连接 处均采用法兰连接方式，便于旌工时与地下管路对接和检修时拆卸。麓工时在柜 体固定和管路对接好后，柜体底部用水泥灌封，预留出水孔，避免柜内因管路泄 露而积油。 2 2 2 流量计的选择 流量计的种类很多，有孔板式的差压流量计、超声波流量计等，从使用的成 本、精度和可靠性来考虑，本系统选用价格低廉的l c 系列椭圆齿轮流量计。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 234567 1 一螺纹连接球阀2 三通3 一电磁阀4 一法兰5 一压力传感器6 9 0 。弯头 7 一1 8 0 0 弯头8 一管卡9 一支撑卡1 0 一流量计1 l 一法兰连接球阀 图2 1管路布局图 椭圆齿轮流量计是用于对管道中液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、粘度适用性强，能测量高温、高粘度液体、标 定方便、安装简易等诸多优点，是容积式流量计的代表产品。 l c 系列型椭圆齿轮流量计，装有现场指示显示、字轮累计计数装置，可以直 接显示流经管道内的液体累积流量。这种流量计可以适应于不同的液体( 酸、碱、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 赫、有机溶液等) ，比较符合铁道部燃油管理的要求，而且使用简单，不需要任 何调整和处理。 2 2 3 电磁阀的选择 电磁阀是实现油路开关控制的关键器件。在加油机油路中，它与油泵的正确 配合是自动发油的关键因素之一，发油时，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油泵和管路的损坏。 选型要领：电磁阀选型应遵循安全性、可靠性、实用性、经济性四项原则和 六个方面的现场工矿( 管道参数、介质参数、压力参数、电源参数、动作方式、 特殊要求) 。 选型原则： 1 ) 安全性：选型时应首先考虑到生命财产安全，特别是易燃易爆场合。 2 ) 可靠性：动作不可靠的电磁阀将会损害系统的其它元件。 3 ) 适用性：选型一定要向专家咨询，如一只低温阀用于蒸汽，等于废品。 4 ) 经济性：指用于低温介质则不必选高温的，因为高温的成本高。 选型依据： 1 )根据管道参数选择电磁阀的通径尺寸( d n ) 接口方式 确定通径尺寸最简单的方法是直接按照现场管道内径尺寸来定义即可，或者 根据现场管道内介质流量的大小与电磁阀的k v 值对照确定。 一般大于d n 5 0 的接口方式要选择法兰接口，小于d n 5 0 的接口方式可根据用 户自由选择。 2 )根据介质参数选择电磁阀的材质 腐蚀性介质：宜选用塑料王电磁阀和不锈钢，对于强腐蚀的介质必须选用隔 离膜片式，中性介质宜选用铜合金为材料的电磁阀。 高温介质：介质温度应选在电磁阀允许范围内，如热水、蒸汽要选择耐高温 的电磁线圈和密封材料的品种，而且要选择活塞式的结构类型。 介质粘度：通常在5 0 c s t 以下可任意选择，超过此值应选用高粘度电磁阀。 介质清洁度：介质若含少量微小杂质时，可选用膜片结构，但如果杂质较大、 较多，须在电磁阀前安装过滤器。 3 )根据压力参数选择电磁阀的原理和结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13 页 公称压力：根据管道公称压力来定。 工作压差：小于等于0 的必须选用直接式或分步直接式，最低工作压差在 0 ，0 5 m p a 以上可选用闯接先导式。 4 )电源电压选择： 根据供电电源种类，选用交流和直流电磁阀，一般来说选用交流电源较方便。 电源规格尽量选用a c 2 2 0 v 或d c 2 4 v 。 电源电压波动通常是交流电源允许在1 0 1 5 ，若超过须采取稳压措旌。 根据电源容量选择额定电流和消耗功率。 5 )根据持续工作时间来选择 电磁阀是根据电磁线圈通电后产生的磁场来实现开关动作的，电磁阀有双电 控和采用弹簧复位的单电控型式，对单电控有常开和常闭两个类型。如果要求电 磁阀在不停的开关循环情况下，打开的时间多于关闭的时间，则应选用常开型； 时间差别不大时，应优先选用常闭型；有些用于安全保护的工况，如燃料控制， 则不能选常开型。 6 )根据环境要求选择辅助功能：防爆、防水、防尘 爆炸性环境：必须选用相对应防爆等级的电磁阀。 露天安装或多粉尘场合安装：选用防水、防尘品种。 用于喷泉：必须采用潜水型电磁阀。 在机车加油机中应用的电磁阀，工作压力在l o k g c m 2 ，压差0 5k g c m 2 ，直 立安装，介质为燃油、滑油和水，有防爆要求，环境要求不高。 2 3 加油机电气控制设计 加油机电气控制用于与计算机控制系统配合，实现对加油过程的手动和自动 控制“”，其作用输出对象是油泵电机和管路通断电磁阀。对油泵电机的控制设计 是一个多点远程启动和停止控制，对电磁阀的控制是本地控制。由于大多数情况， 油泵房的控制设计是由与自动发放系统不同单位实施的，这部分设计要结合各使 用单位油泵房的具体情况考虑。 本加油机的控制泵房中，燃油、滑油和制水的泵系统均设计为双路“，工作 时在泵房的控制柜上作出工作泵选择，在各远程发放柱上有对应的工作泵指示灯 显示，各发放柱具有启动和停止两个按钮对油泵电机控制。要完成对原有泵房的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 计算机控制改造，电气部分的设计方案为： 1 )设置手动自动选择。在手动方式下，操作面板的启动和停止按钮工作 有效；在自动方式下，设置继电器代替面板的启动按钮( 此时面板的启 动按钮无效，停止按钮继续有效) ，手动时此继电器无效： 2 )在工作泵灯指示部分设计继电器，利用其触点构成计算机的输入信号， 使计算机识别工作泵，发出对应的控制信号。 发放柱电气控制操作面板如图2 - 2 所示，上面分布着按钮操作、工作灯指示 和计算机操作。 2 2 0 v 图2 - 2 加油机操作面板 自动 自动 图2 - 3 自动控制开关图2 48 2 5 5 接口 匪。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 3 是电磁阀控制和手动自动选择控制电路，r y d c f 为控制燃油电磁阀的 继电器“， 图2 - 4 解释了8 2 5 5 控制信号与电气控制部分关系。通过i o 信号可以控制 主滑油泵的启停( i h z s ，1 h z q ) 、辅助滑油泵的启停( 1 h f t ，1 h f q ) 、燃油泵的启 停( 1 r t ，阳) ，以及电磁阀的开关信号1 d t 。滑油自动1 h z s 和燃油自动1 r z s 各 一个信号接至计算机，告诉计算机应该工作于自动或手动状态，只要有一个是自 动，就应该处于自动状态。h z b j 、h f b j 、r b j 三个信号接到计算机，告诉计算机 应该启动哪个油泵。1 c b 、2 c b 、3 c b 接到计算机，计算机由此分辨哪个泵在工作。 p c i 0 4 和1 2 v 继电器共用一个开关电源，在开关电源的2 2 0 v 输入回路上接一 个钥匙开关和一个电源指示灯( 图2 3 ) ，指示计算机的状态。燃油自动手动转 换选择旋钮a mr 控制燃油自动和手动动作：滑油自动手动转换选择旋钮a m h 控制滑油自动和手动动作。以滑油控制为例，手动情况下，旋钮a mh 处于 断开状态，继电线圈1 h z s 线路无电路通过，线圈不动作，其对应触点处于手动 状态( 如图2 6 ) ；如果旋钮a mh 处于闭合状态，继电线圈1 h z s 线路得电， 线圈动作，其对应触点处于自动状态，即继电器状态由常闭触点切换到常开触点， 此时处于自动状态。 图2 - 5 燃油泵电气图 i k 燃油泵 作赦态 选楫 示 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 6 页 - _ - _ - _ i _ - _ _ - - - - r 一 图2 5 是燃油控制回路。手动情况下，燃油自动手动转换选择旋钮a mr 处 于断开状态 即手动状态) ，继电器线圈1 r z s 无电流通过，其对应触点处于手动 位，启动按钮i q a i 闭合，接触器l c 线圈得电动作，对应触点1 e 吸合自锁，燃 油泵工作。此时计算机输出继电器1 r o 不能控制油泵的启动。自动情况下，燃油 自动手动转换选择旋钮r a tr 处于闭合状态( 即自动状态) ，继电器线圈1 r z s l 有电流通过，其对应触点动作，处于自动位，计算机发燃油启动信号。1 r q 线圈 得电，其对应触点1 r q l 吸合一段时间后断开，接触器1 c 线圈得电，其对应触 点1 c 吸合自锁，燃油泵工作；同时1 d t 线圈通电，电磁阀得电打开，发油，这 种情况下，按下i o a l 不能启动油泵。 停止发油可以由计算机给燃油泵停止信号1 r t 或手动按下1 t a l 控制，其它 发油柱上给出这两个信号也可断开控制回路，停止发油。若计算机发出发油停止 信号，1 r t 线圈得电，其对应触点1 r t 动作，断开控制回路，泵停止工作，延时 后1 d t 失电，电磁阀失电闭合：手动按下1 r t ，此时泵停，但是阀口仍然打开， 在其他发放柱上给出这两个信号也可以断开控制回路，停止发油。 图2 - 6 主滑油控制回路 1 1 , 主滑油泵 工作状态 选择 示 图2 - 6 是主滑油控制回路。开关3 t a l 为油路开关，它的开关控制着整个线 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 路的通断。手动触点接在常闭触点，自动触点接在常开触点。手动情况下( 应该 手动打开出油口) ，滑油自动手动转换选择旋钮a mh 处于断开状态( 即手动 状态) ，继电器线圈1 h z s 不得电，线圈不动作，对应触点处于图示手动位置，当 按钮3 q a l 闭合，接触器1 c 通电，对应触点吸合自锁，滑油泵工作，此时计算机 输出继电器1 h z q 不能控制油泵的启动。 自动情况下，此时滑油自动手动转换选择旋钮a mh 处于闭合状态，( 即 自动状态) ，继电器线圈1 h z s 得电，其对应触点处于图示自动位，计算机发滑油 启动信号，1 h z q 线圈得电，其对应触点1 h z q l 吸合一段时间后断开，接触器1 c 线 圈得电，其对应触点1 c 吸合自锁，滑油泵工作，发油，这种情况下，按下3 q a l 不能启动油泵。此时，计算机给滑油泵停止信号 h z t 或者按下1 t a 都可以停止 发油。若计算机发出滑油停止信号，1 h z t 线圈得电，其对应触点1 h z t 动作，断 开控制回路，泵停止工作。在其他发放柱上给出这两个信号也可以断开控制回路， 停止发油。 图2 7辅助滑油控制回路 2 n 辅黼蒗 工作状惑 选择指示 图2 7 是辅助滑油控制回路，其电气控制设计类同于主滑油控制回路。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第18 页 第3 章基于p g l0 4 总线的加油机计算机系统设计 在前面一章论述了本加油机计算机系统采用p c i 0 4 总线的工业控制机，其组 成的控制系统“”简图如图3 - 1 所示。 图3 - 1计算机控制系统简图 3 1 计算机控制系统硬件组成和功能 由图3 1 可知，计算机系统由主机板c 4 5 、接e l 板p c m 5 1 1 1 、单片机键盘i c 卡接口板和现场信号接口板组成。 主机板c 4 5 是整个系统的c p u 板，上面配置有f d d 软驱控制器、t d e 硬盘控 制器、c r t 显示接口、l c d 显示接口、p s 2 键盘接口、r s 2 3 2 c 串行口、以太网接 口和p c i 0 4 扩展总线。其中，p s 2 接口连接本文开发设计的单片机键盘i c 卡接 口板；以太网卡连接机务段局域网h u b ，用于加油机向上位管理计算机传送加油 数据：l c d 控制器连接6 4 寸液晶显示屏：r s 2 3 2 c 连接单片机键盘i c 卡接口板， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第19 页 用于接收单片机传送的i c 卡数据；p c i 0 4 扩展总线扩展一块带一片8 2 5 5 共2 4 点 的开关量输入输出、一片8 2 5 3 共3 个1 6 位定时计数器和一片1 2 位的模数转 换器a d 5 7 4 ，共1 6 路模拟量输入的p c i 0 4 总线接口板p c m 5 1 1 1 ，用于现场的流量、 压力和开关量信号的处理。 现场信号接口板是本文开发设计的接口板，由于现场的流量计输出脉冲信号 不是标准的c m o s “”电平，同时，开关量信号的输入输出没有采用隔离措施，所 以，专门设计此板用于脉冲信号的整形和电平转换，对开关量的输入输出设计 光电隔离，使计算机的地线和现场继电器等器件的电源地线隔离，达到抗干扰的 目的。这样整个计算机的电源设计分计算机系统供电电源( + 5 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 和 地) 和现场继电器等的工作电源( + 1 2 v 和地) ，两者是完全独立的电源。 从上述计算机系统组成和功能可以看出，本系统硬件设计的内容有： 1 ) p c i 0 4 总线的c p u 板c 4 5 和接口板p c m 5 1 1 1 的选择，其选择方法是根据 市场主流产品目录，结合系统的控制功能要求和价格因素选择； 2 )现场信号接口板的设计； 3 )单片机键盘和i c 卡接口板的设计。 软件设计的内容有： 1 )单片机键盘和i c 卡监控软件设计，包括键盘和i c 卡两部分，采用5 1 单片机汇编语言或c 5 1 语言编写； 2 )加油总体软件，对整个加油过程的界面显示及控制软件，运行于 w i n d o w s 9 8 平台，控制及界面采用c + + b u i l d e r 开发，数据库系统采用s o l s e r v e r 。 3 2 现场信号接口板设计 现场信号接口板一边连接现场开关量输入输出信号、流量计脉冲信号和管 路压力传感器输出的模拟量信号，将对应信号隔离、转换和整形后，传至接口板 的另一边，这一边连接p c i 0 4 总线的接口板p c m 5 1 1 1 “”。 3 2 1 传感器压力值采集电路 采用压力传感器，将管路的流体压力值转换成电压，由于采用了带信号放大 西南交通大学工程硕士研究生学位论