加油控制及管理通过加油控制器实现，可以通过通信网络，将加油记录、系统实时数据准确传输至上位计算机，利用管理软件进行数据存储、处理、分析、统计和报表打印[1]。国外油料保障中使用自动油料加注控制设备较为广泛，自动化信息化程度较高，技术更成熟[2]，基本实现了加油卡一卡通行。我国部分单位也装配有加油控制装置，但型号各异，未经过全面严格的试验检验，工作不够稳定可靠，通信和信息管理接口不规范，加油卡无法通用，且部分控制装置及其配件已停产，维修维护困难，造成了油料保障单位不愿使用、不敢使用的状况，且加油过程中对流量、压力等流量特性指标的要求越来越高[3]，有必要针对油库研制加油控制系统，提升油库加油监控管理能力。本文针对油料保障中常见的油料加注场所业务需求，研制出规范、通用、安全、先进的加油控制器，设计出基于该加油控制器的自助式油料加注和管理信息系统，满足了油料加注和管理需求，并能为物资油料综合信息系统提供准确实时的信息来源，促进物资油料信息化工作的开展。
1系统主要功能
根据加油系统主要目标应用场所需求，设计的自助式油料加注和管理信息系统应具备如下功能：(1)身份识别判断前来刷卡加油的受油装备的编号和类型、所需油品种类、所属单位等信息，装备与加油卡一一对应。对外来装备可通过上位机管理软件增发新加油卡，对挂失等非法加油卡可进行屏蔽。(2)自动计量自动实时采集加油口流量计输出信号，实现受油装备加油过程的自动计量。(3)自动控制通过适当算法对加油口电动阀门进行控制，实时调节电动阀开度，在每次加油结束时完全关闭电动阀，可控制加油精度在±1L范围内。(4)压力监测实时监测加油口压力和过滤器压差，当压力值出现异常时及时发出报警信号。(5)安全监测实时监测加油过程中的静电接地、溢油信号，出现异常时立即停止加油并发出报警信息。(6)信息管理加油控制器与配套的上位机管理软件组成分散集中式控制系统，实现对受油装备加油和油库零发油作业过程的控制、加油信息管理、加油卡收发和信息管理等基于自动化设施的油料保障信息化功能。
2加油控制器设计
2.1输入输出信号
加油控制器以主控单片机为核心，主控单片机的输入信号项有：RF射频卡读卡数据;流量检测：脉冲信号、累计量;上位机RS-485通讯信号;键盘输入;静电接地检测信号;防溢检测信号等。输出信号项有：RS-485数据上传;电液阀控制信号;LCD显示等。
2.2加油控制器组成
加油控制器的功能模块组成如图1所示，以主控单片机为核心，包括射频卡读写模块、液晶显示模块、键盘输入模块、隔离接口;流量计输出脉冲信号、静电接地检测信号、防溢检测信号通过隔离接口传输至MCU，单片机依据键盘的输入数据，通过隔离接口控制电液阀等现场执行机构;与上位机的RS-485数据传输也须经过隔离接口。现场零发油的多路加油控制器连接至一台工控机的某一COM口，构成RS-485总线网络。加油控制器由主机显示器和防爆隔离接线箱(如图2)组成。主机与接线箱通过RS-485通讯，控制模块组装在专用防爆接线箱内，接线箱根据需要放置在合适的位置，主机与接线箱之间的最远距离不超过1000米。现场主机显示器安装，可固定在飞机加油单元或墙体上，也可以做一个支架，将显示器固定在支架上。主机显示器面板包括如下功能区：1)显示区：加油控制器采用双显示模块进行显示，左侧段码显示器用于显示实时加油量，右侧方形点阵显示器用于显示加油状态、控制器工作状态、操作提示等信息。2)触摸键盘输入区：该触摸键盘采用遮光式红外触摸键盘，分为公用的数字区和对应每路的功能区。数字区是各路输入的共用部分，功能区提供每路的独立功能的输入和控制功能。主机可以完成所带控制器的各种功能的设置，通过触摸键盘可以完成加油信息的输入。运用红外线探测触摸式技术设计出装置的键盘，以横向和纵向各4对红外发射接收器件组成遮光式矩阵按键，分布于钢化玻璃操作面板上，由红外光路是否被遮挡触发相应按键，解决了传统按压式按键依靠机械动作触发导致的防爆、防尘防水、寿命短等问题，增强了装置在恶劣环境下的安全性、可靠性和适应性。3)刷卡区：主机还有一块刷卡区，用于射频卡信息的输入，实现刷RFID卡加油功能。4)工作状态指示区：主机还提供接线箱工作状态指示灯，用于显示各种设备工作情况。
2.3主要硬件电路设计
加油控制器的主控CPU为AtmelMEGA16系列，外围电路采用模块化设计，主要模块的电路设计如下：(1)RF读写模块加油控制器采用MiFareoneICS50射频卡，读写卡模块为M104，电路连接如图3所示。图3中RXD/SCL与CPU相连，采用UART协议时为RXD端，采用IIC协议时为SCL端;TXD/SDA也为数据传输接口，采用UART协议时为TXD端，采用IIC协议时为SDA端;RF_RST用于CPU对RF模块进行复位控制。(2)LCD显示模块考虑到实际应用情况，加油控制器采用双显示模块进行显示，如图4所示。点阵采用LCD512液晶显示模块，分辨率512*512，为方便使用编译器CodeVisionAVRCCompiler内部提供的LCD函数，硬件电路连接按图4实现。典型的LCD采用4位数据总线并行传输方式，数据线使用DB4-DB7，分别与MEGA16的PC4-PC7连接，PC0-PC2为3位控制总线。(3)键盘模块加油控制器采用红外触摸式按键，按键区横向和纵向分别装有四对和五对红外线发射和接收装置，每对装置均实时监测其间的红外线路有没有被遮挡，若有遮挡，则相当于有按键被按下。其等效电路如图5所示，共20个按键(部分功能相同，可作为扩展功能键)，通过MEGA16的PA口和PC口的PC7引脚，利用行扫描法扫描键盘模块。其中PA0-PA3为行线，PA4～PA7、PC7为列线，均通过1kΩ的限流保护电阻与按键相连，循环轮流改变I/O口的高低电平和输入输出状态，即可扫描出具体被按下的按键及其编号。图5中S1～S10代表1～9、0数字键;S_觹和S_#保留;S_DE为“预设”，可恢复加油控制器的默认设置;S_ESC1-S_ESC3为“取消”，用于撤销本次操作;S_PAUSE1-S_PAUSE3为“暂停”，用于暂停发油过程;S_ENTER为“确定”，用于确定输入的信息，如发油量、密码等;S_START为“开始”，用于开始一次发油。(4)RS485通讯及隔离模块加油控制器与上位机的通讯采用RS485总线完成。原理电路如图6所示。图6中U5为DC-DC器件，可以产生1组与微处理器电路完全隔离的电源输出，向RS485收发器电路提供+5V电源。由微处理器输出的R/D信号直接控制MAX485芯片的发送器/接收器使能：R/D信号为“1”，则MAX485芯片的发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向RS485总线发送数据字节;R/D信号为“0”，则MAX485芯片的发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接收来自RS485总线的数据字节。连接至MAX485芯片A引脚的上拉电阻R8、连接至B引脚的下拉电阻R9用于保证未连接网络时的MAX485芯片处于空闲状态，以提高这一个RS485节点的工作可靠性。
为了更加可靠地保护RS485网络，确保系统安全，在电路中设置钳位于6.8V的TVS管D2、D3、D4，用于避免RS485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌)产生的高压损坏RS485收发器。此外，电路中的L1、L2、C2、C3用于提高电路的EMI性能。同时，为了增强电路的抗干扰性能和稳定性，MAX485芯片和微处理器之间进行了光电隔离。微处理器的标准串行口RXD、TXD通过光电耦合器连接MAX485芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制MAX485芯片的DE和/RE引脚。电路中的光耦器件的速率会影响RS485电路的通讯速率。本课题拟选用NEC公司的光耦器件PS2501芯片，可以使该RS485电路的通讯速率达到19200kps。(5)继电器控制模块嵌入式系统要驱动一些继电器和电磁开关，用于控制电机与阀门的开启和关闭。继电器和电磁开关需要功率驱动，驱动电流往往需要几百毫安，超出了多数单片机本身I/O口的驱动能力，因此在外围硬件电路中要考虑使用功率驱动电路。设计控制电路如图7所示，当I/O口引脚输出“1”时，三极管导通，继电器吸合，电机开始工作;当I/O口引脚输出“0”时，三极管截止，继电器释放，电机停止工作。图7中的三极管可采用中功率管，导通电流大于300mA。电阻R1的作用是限制从I/O口流出的电流不能太大，以保护I/O口，称为限流电阻。三极管集电极的负载继电器吸合线圈在三极管截止时会产生一个很高的反峰电压，因此，在吸合线圈两端应并接一个二极管D，其用途是释放反峰电压，保护三极管和I/O口不会被反峰电压击穿，提高系统的可靠性。吸合线圈两端并接的电容C，能对继电器动作时产生的尖峰电压变化进行有效过滤，其作用也是为了提高系统的可靠性。在设计PCB时，二极管D和电容C应该紧靠在继电器的附近。另外，设计中还要考虑系统在上电时的状态，MCU在上电时，I/O引脚通常呈高阻输入方式，因此电阻R2的作用是确保三极管的基极电位在上电时为“0”电平，三极管截止，保证了电机控制系统上电时不会误操作。
3加油自控系统设计
应用中必须构建出完善的油料加注和管理信息系统，才能真正形成自助式的加油管理。本系统组成如图8所示。系统通过RS-485总线组网，满足了主要场所的通讯距离和速度要求;配备了UPS断电保护系统，可为整个系统提供备用电源;上位机负责信息管理和打印等功能，出现故障时不影响加油作业，系统故障恢复后加油控制器会自动上传未成功上传的数据，确保了加油记录不会丢失。
4结束语
该加油控制器及加油自控系统的设计研制应用，实现了主要油料加注场所的自助式油料保障和信息化管理，也可适用于其他主油加注场合使用。经过部分单位的装配使用，结果表明：该装置及系统使用方便，安全可靠，贴近实际需求，满足了现阶段油料加注及管理自动化的要求，是使用自动控制系统和信息系统进行控制管理的重要手段，提高了油料加注、使用管理效率和综合保障能力，对实现可视化和高效精细保障具有重要意义。
参考文献
[1]李玲玲.浅谈批量控制器在定量装车控制系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2019，271(6)：133-134
[2]雷攀.定量发油系统优化控制的研究[D].西安：西安工业大学，2014
[3]周海力，朱达书，刘冲.飞机变频恒压加油控制系统设计[J].应用科技，2018，45(4)：60
《油库加油控制系统设计研究》来源：《工业控制计算机》，作者：罗耿 高明 杨艺