一种舰艇燃油自动加注系统设计与应用

文/王东阳

前舰船燃油补给多以人工加指令等方式进行，舰船作战保障效能普遍有待进一步提高。本文结合燃油加注作业的实际特点，综合考虑作战舰艇作业的技术要求，根据作业要点，设计了一种舰艇燃油自动加注系统，应用于某综合油料仓库燃油补给码头，实用结果良好。

1 装置组成及功能

系统主要由主控制计算机（上位机）、防爆型集散控制装置（下位机）和执行机构等组成，采用集散控制方式。

上位机可分别控制6 台下位机进行加油工作。系统可对容积流量、质量流量等参数进行设定。测量装置实物及端口设置如图1所示。

系统中，上位机由工业级PC 机和CAN接口卡组成，主要用于与下位机的通信、动态显示各节点的工作状态、重要的现场参数以及报警信息，对各节点的控制参数、运行参数进行整定和修改。

下位机主要由测控模块、通讯模块、显示模块、输入模块等组成。其中，测控模块对现场测控节点的温度、流量、密度等数据进行采集；通讯模块完成数据流的上载和下载；显示模块使用汉字、图形显示技术，显示各种工作状态和技术参数；输入模块采用触控键盘，完成数据录入及发油系统基本控制动作；配合执行机构（主要由电磁阀和流量计组成）完成实际发油操作。

2 主要硬件设计

2.1 CAN总线设计

CAN（Controller Area Network）总线属现场总线的范畴，是由德国的BOSCH 公司为分布式系统能在强电磁干扰环境下可靠工作而设计的一种串行通信网络。总线采用ISO—OSI 中的三层网络结构：物理层、数据链路层和应用层。具有以下显著特点：

图1：某综合仓库网络系统组成框图

（1）多主方式工作，各节点均可在任意时刻向网络上的其它节点发送信息。

（2）采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足不同的实时性要求。

（3）广播式数据通信，采用CSMA/CD协议进行总线控制及数据通信。当节点向网上发送数据时，其它节点都同时收到，具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能。

（4）高传输可靠性，CAN 总线上的每帧有效字节数最多为8 个，并有CRC 及其它校验措施，数据出错率极低。

（5）传输方式和介质为FSK 调频方式和双绞线。CAN 总线只有两根导线，系统扩充时，直接将新的节点接在总线上即可，系统容易实现冗余设计。

2.2 数据通信硬件设计

要实现远距离的PC 机和CAN 控制器之间的数据传送，首先必须在PC 机接口卡和下位机微控制器之间建立双向的数据交换通道。

本系统中，以MSM7512B 作为核心器件构成调制解调电路，实现CAN 总线的数据通讯。MSM7512B 是1200bps 的半双工FSK Modem 芯片。可用于内置式调制解调模块或数据传输系统等。采用FSK 方式，可完成调制和解调功能。

2.3 非易失性存储器

对于具有独立工作功能的数据采集记录系统，数据记录的存储可靠性和存储容量至关重要。系统采用掉电自保护SRAM 插座结合SRAM，实现数据的掉电保护。掉电自保护SRAM 插座是一种有源电子插座，内部带有CMOS 控制电路和锂电池电源，可以在不增加原印制板面积、不改变原来系统设计的情况下，完全解决静态RAM 掉电数据丢失的难题。这种插座可以自动对电源电压进行检测，当低于某一容限值时，自动启用内部锂电池供电，同时对芯片进行写保护，保护其中的信息达十年以上。

掉电自保护SRAM 插座内建CMOS 实时时钟电路，提供系统时间统一基准。在系统软件编程过程中采用动态链接库技术，在通讯数据调制解调过程中调用动态链接文件Port.dll文件，以弥补开发平台串口编程不够灵活的难题。

2.4 执行机构模糊控制

输油管管径大，油路落差超过几十米，管内油压达到4 个大气压以上。单个码头发油与多码头同时发油时，管线内壁压力不同，油的流速不同。由于大口径电磁阀在关闭和开启过程中产生的“水击”现象，在操作上需要进行多级控制。但油压的不同会造成多级控制关阀时间的不一，由此会影响发油的计量精度，很难达到发油系统的技术要求。

系统采用步进控制方式，解决电磁阀在关闭和开启过程中产生的“水击”现象。下位机接到开启命令后，首先执行开启动作1 秒钟，然后待机2 秒钟，随后再次执行开启动作1 秒钟，待机2 秒钟，最后执行开启动作直至阀门完全打开。下位机执行关闭命令后，首先执行关闭动作1 秒钟，然后待机2 秒钟，随后再次执行关闭动作1 秒钟，待机2 秒钟，最后执行关闭动作直至阀门完全关闭。

系统采用模式信息处理解决精度控制问题。首先建立线性神经元函数，在发油过程中，连续采样P（i）点发油瞬时量，在同一种发油状态下，流速保持不变，可认为瞬时量为线性。连续采样10 个点数据，代入输入线性函数，解算出瞬时流量预测值。通过流量预测值算出关闭电磁阀的关阀时间，结合系统预设的提前量，决定关闭电磁阀动作时机，以保证发油量计数的准确。

3 软件功能设计

装置软件主要包括通信软件和上位机管理软件。

3.1 通信软件设计

CAN 总线控制中，网络拓扑结构为总线型，几个下位机组成的节点在通讯过程中处于同级，通过同一条CAN 总线接收上位机命令和回传数据。通讯时，上位机随机向各码头发送命令。为了区分命令与信息的去向以及识别接收到的数据来源，系统通讯采用分时复用方式，寻址通讯的方法，解决通讯节点地址识别问题。在通信帧格式制定中，每个命令帧和数据帧均单独使用一个地址标志字节代表不同码头，用以区分不同通讯接点。当通信时，上位机发送命令、数据前或接收到数据后，即可通过判断地址标志来进行地址识别。下位机亦通过判断地址标志字节来识别是否为本地址命令，继而判断将要进行的动作。

3.2 管理软件设计

管理软件安装于上位机，用于完成数据管理和远程发油控制。在与通信软件结合使用中，采用中断的方式，并引入了定时器以确定查询响应超时与否。首先，上位机发出查询信号并等待现场测控节点（1 ～6#码头）的应答以确定连接是否正常。若设备正常，现场测控节点在接收到查询信号后应该在—个足够短的时间内发出应答信号，从而表明连接正确，握手成功。若上位机在一个规定的时间内（如100ms）没有接收到应答信号，则返回超时信息，这时计算机会重新发送查询信号。如果连续超时3 次，则证明系统连接失误或硬件有问题，返回出错信息。

4 结论

国内所用发油系统大多面向使用对象受油量小，油路管线细，且管线内部压力电泵可控的用户，一般采用485 总线控制，易于实现，且控制距离短，所用系统配套控制电路、上位机和下位机以及执行机构均有成型产品。与目前国内其他船用加油系统相比，本系统具有控制距离远，发油管径大，管壁压力高，一次加油量大（最大可达几千吨），计量精度高等特点。技术实现难度大，在电磁环境及气象环境恶劣情况下能保证正常、可靠工作。该系统可以应用于其他油库及油料发放，具有明显的军事经济效益。