油罐车油罐容量粗计量详细方案.doc
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目录
油罐车油罐容量粗计量详细方案 2
一、概述及需求 2
1.1现有系统概述 2
1.2液位和体积计量需求 2
二、方案选定 3
2.1罐车时间运行工况 3
1.温度要能承受的住230℃的水蒸气1个多小时的考验 3
2.安装好的传感器长久时间能受罐内油液冲击不受影响干扰，能长久正常工作 3
3.传感器尺寸不要超过护栏高度（180mm）。
3
2.2液位计选型 3
1.安装法兰到表头的高度不要超过180mm 3
2.导波雷达液位计能承受230℃水蒸气一个小时蒸罐要求 3
3.传感器加装防冲击护套不影响正常测量。
3
4.使用RS485通信 3
5.需要有防爆认证 3
2.3体积粗计量计量方案 3
2.3.1算法计算油罐内体积 3
2.3.2标定方法实现油罐内油的体积 4
三、设计详情及规划 5
3.1转换器硬件框图 5
3.2转换器软件模块 6
3.3通信协议 6
3.3.1转换器和传感器之间的RS485通信协议 6
3.3.2转换器与采集器之间的CAN通信协议 6
3.4项目执行进度规划 7
3.5需要协调部分工作 7
四、项目实行 7
油罐车油罐容量粗计量详细方案
一、概述及需求
1.1现有系统概述
在规划此项目之前先来了解下现有罐式车辆实时智能检测系统的总体架构，如下图。
转换器1
转换器2
转换器3
油罐仓1油罐仓2油罐
仓3
小
大
小
大
小
大
液位计
液位计
液位计
卸油阀
卸油阀
卸油阀
卸油阀
卸油阀
卸油阀
采集器
CAN总线
RS485总线
RS485总线
RS485总线
终端
云端
转换器获取人孔盖和液位计信息，将这些信息传给采集器，采集器将这些信息传给终端，终端将这些信息传递到云端，这样网页客户端和手客户端就可以实时显示检测的数据。
并根据对应的数据做管理和实现一些其他功能。
1.2液位和体积计量需求
在罐式车辆实时智能检测系统有一个非常重要的数据需要检测，那就是油液的高度和对应的体积，我们可以通过油液的高度，粗略的计算出油液体积，我们可以通过油液的高度，可清楚的知道当前油罐车是处于加油状态，还是卸油状态，还可以知道是正常存储状态或漏油状态。
针对非正常的卸油还可以判断是否有其他人员盗油。
所以罐式车辆实时智能检测系统获取准确的油液高度和体积很有必要。
对此我们就有了以下需求：
1.罐式车辆实时智能检测系统中，网页客户端和手机客户端能实时获取罐车内油液位高度和对应体积。
2.针对不同形状的油罐，可以通过客户端人机交互的方式将油罐相关参数下发到油罐体积计算终端（转换器）。
体积计算终端结合客户端配置的参数，和通过获取传感器的液位高度计算出油罐内有的体积，并将液位数据和体积数返回到客户端。
二、方案选定
2.1罐车时间运行工况
在选定方案前这里先说清楚下实际油罐车运行情况。
实际油罐车在装油运行过程中，由于车辆的起停、加减速、拐弯等，会引起油罐内油的晃动，并且晃动的油对油罐内的物体（比如说液位传感器等）和油罐壁都有一定的冲击。
在对油罐，还有蒸罐的情况，蒸罐实际就是使用高温高压水蒸气通过油罐顶部对油罐内壁的清洗的过程，清洗后冷却的水滴通过底部流出，整个蒸罐持续一个多小时左右。
另外油罐车顶有对应的护栏，我们选用的传感器的高度不要超过护栏高度。
通过上面的叙述，我们在选用获取液位高度的传感器的时候，有几个特别注意的参数就是：
1.温度要能承受的住230℃的水蒸气1个多小时的考验
2.安装好的传感器长久时间能受罐内油液冲击不受影响干扰，能长久正常工作
3.传感器尺寸不要超过护栏高度（180mm）。
2.2液位计选型
对于液位的测量方法有很多种，有非接触式的和接触式的。
非接触式的方案我们可以选择应用超声波或者雷达原理的传感器。
接触式的我们可以选择投入式的压力传感器通过压力差和密度计算液位高度，还可以选择浮球式液位计（利用磁开关和霍尔元件实现）或导波雷达液位计。
对于非接触式的传感器，因为罐内还有其他结构件，会影响实际测量值，如果排除罐内结构件的干扰，非接触式的传感器应该是首选。
由于高温有去磁的作用，虽然我们现有的温度不足以达到完全去磁的温度点，但是这个温度会影响霍尔传感器的精准，另外浮球长时间的浸泡在油液中，其自身重量会受到对应改变，从而影响最后测量值的精准度。
导波雷达液位计是通过发送雷达沿金属探杆传导，在遇到不同导电介质时雷达波沿探杆返回。
导波雷达液位计能很好的满足我们的温度的要求。
我们也是在试验了浮球液位计、压差式液位计和超声波液位计之后发现有各种问题的存，而慎重选择了导波雷达液位计。
选择的导波雷达液位计的要求如下：
1.安装法兰到表头的高度不要超过180mm
2.导波雷达液位计能承受230℃水蒸气一个小时蒸罐要求
3.传感器加装防冲击护套不影响正常测量。
4.使用RS485通信
5.需要有防爆认证
2.3体积粗计量计量方案
对应体积的计量这里分两种情况考虑，一种是针对规则罐体，可以通过数学建模，实现算法的方法通过液位数据和罐体尺寸相关参数计算得出，另一种是针对异形罐体，通过标定的方法实现体积的粗计量，当然粗计量也是适合所有罐体的。
2.3.1算法计算油罐内体积
因为油罐截面大部分都是规则的形状，我们可以通过数学微积分的方法实现油罐内体积的计算，这里以椭圆形油罐为例作介绍。
X轴
Y轴
液位
如上图，要求油罐内液位体积，先求油罐内油的截面积S，再将截面积S乘以罐的长度L就是油罐内油的体积了。
油罐长度L可通过人工输入实际设计的油罐的长度，那么这个截面积S对应液面高度不同而不同，我们可以通过微积分的方法来算出它。
我们可以建立一个如图示直角坐标系，液位的改变对应X轴，图中油罐截面左边的弧形是一个关于X的函数方程Y，我们暂记为Y=f（X）,这个函数方程根据实际油罐形状不同而不同，可以通过对应油罐尺寸的相关参数获取这个方程,这样我们就可以通过这个方程和液位高度算出图中阴影部分截面积S'=，由于罐车一般的是左右对称保持平衡的，同样右边的截面积也可以求出。
这样就获取了实际油罐的截面积S=2S'，油罐内有的体积V=S*L=2**L。
上述讲到的油罐车形状及相关参数需要市场销售人员与客户沟通获取对应参数，最好是要有对应油罐的尺寸图纸。
通过算法计算必须先要知道罐体截面积形状相关参数，这样才能设计出对应的算法。
另外参数需要平台端人员设计对应的参数录入界面将需要的参数下发到转换器进行计算。
2.3.2标定方法实现油罐内油的体积
对于不规则异形罐体，我们优先采用标定的方法将液位高度和与之对应的体积做成一个二维表，这个表我们需要根据实际罐车现场测试获得，获取此标定二维表非常麻烦，在此简单介绍下如何获取标定二维表。
最笨的方法是，我们使用一个已知固定容量容器（比如一个20L的桶），将容器中加入固定容量的水，然后倒入油罐中，待油罐中水平静后记录下液位值，循环这个过程，直至到记录完所有液位值。
这样就获得了一个液位对应体积的标定二维表，平台端需要做一个标定界面，将这个标定二维表下发到对应的油罐车的转换器。
转换器收到这个标定二维表后需要将数据保存到存储器中，在需要获取液位的时候，根据从传感器获取的液位值，获取存储器中对应液位值的体积值。
然后将体积值发回平台，这样平台出来后就可以从各个终端（主要是网页和手机终端）看到对应油罐车的体积值了。
对应的标定二维表如下：
序号（体积）V
液位H
1*20L
h1
2*20L
h2
3*20L
h3
4*20L
h4
...
...
2.3.3交互显示界面
平台端需要做一个配置有关罐体参数的交互界面，通过在界面中填入相关参数，将相关参数下发到转换器，转换器根据获得的参数和交互界面指定的算法，计算体积。
罐体形状
******↓
对应罐体描述图片，帮助调试人员直观的填写相关参数
参数1
******
参数2
******
参数3
******
参数4
******
...
...
参数n
******
恢复默认参数按钮
确认下发按钮
对于异形罐通过标定方法计算体积的，将上述标定二维表下发给转换器。
标定文件
浏览
确认下发按钮
这里的交互界面暂时只是做简单示意，后期根据具体实现再确定下来，也可以根据后期交流讨论情况，增删部分界面。
三、设计详情及规划
3.1转换器硬件框图
转换器采用现有硬件框架，使用stm32单片机，通过RS485通信获取传感器相关数据，使用CAN通信与采集器进行数据传输。
具体硬件框图如下：
液位
传感器
转换器
RS485隔离通信接口
CAN隔离通信接口
转换器供电模块
采集器器
转换器供电模块
传感器RS485接口
CAN隔离通信接口
存储器电路
CAN隔离通信模块采用单路高速小体积CAN隔离收发模块TD301MCAN，详细信息如下图，具体还需阅读对应数据手册。
RS485隔离通信模块采用小体积自动收发隔离RS485收发器，详细信息如下图，具体还需阅读对应数据手册。
对于硬件电路的其他详细情况这里不再叙述，具体请查阅转换器原理图。
3.2转换器软件模块
软件方面单片机需要使用到时钟模块，定时器模块、看门狗模块、串口模块、SPI通信接口模块、IIC通信接口模块、CAN通信模块。
根据实际具体情况，软件需要实现基本3个软件模块的功能和其他软件模块功能，分别是：
1.参数保存，读取功能
2.RS485通信获取传感器数据功能
3.CAN通信实现与采集器数据传输功能
4.其他软件模块功能，比如IAP（在应用升级功能），体积计算功能等。
3.3通信协议
通信协议定制了各控制器之间的数据传输格式，这里主要有两部通信协议，分别是转换器和传感器之间的RS485通信协议和转换器与采集器之间的CAN通信协议。
3.3.1转换器和传感器之间的RS485通信协议
转换器和传感器之间的RS485通信协议详见文档《导波雷达RS485通讯协议》这里不再叙述。
3.3.2转换器与采集器之间的CAN通信协议
转换器与采集器之间的CAN通信协议详见文档《数据转换器与采集器通信协议》这里不再叙述。
需要说明的是，对于配置交互参数，比如液位传感器长度、安装高度修正、罐体形状、灌体各参数尺寸、仓形状和相关参数、标定表、角度倾斜修正开关、滤波指定、校准提示、等参数录入配置转换器设备的数据协议需要在获取液位后再沟通商定。
3.4项目执行进度规划
实际项目执行进度规划详见文档《03执行进度规划_信号转换器体积粗计量.mpp》，这里不再复述，需要指出的是3月25号前写好所有的代码有点困难，可能部分代码还需要等到3月25号后才能完成，主要是体积计量相关部分的代码，具体看执行进度规划文档。
3.5需要协调部分工作
这里罗列下需要协调的工作，主要有，与采集器设计人员沟通通信协议，与采集器板通信联调，与平台交互配置数据联调，标定二维表数据的获取，现场实际调试安装，其他测试、调试、沟通、采购等需要的协助。
四、项目实行
在选定好液位传感器后，我们需要对其调试测试其液位测量的准确性。
需要采购相关测试用品。
这个需要在正确的传感器道来前做好，现已完成。
在写好获取液位数据代码后需要和采集器设计人员的采集器有一次联调，联调后需要和采集器设计人员沟通计量油罐内油的体积需要的油罐的相关参数，及其交互配置参数协议的制定工作。
在完成所有代码后需要和采集器设计人员的采集板再有一次的全功能的联调。
全功能联调后，需要项目总负责人安排到实际现场做一次调试，发现问题及时完善。
实际实现
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