基于Modbus总线的油罐数据采集与控制系统
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摘要
为了解决部队油库油罐测量劳动强度大、实时性差的现状，提高油库自动化信息化管理水平，总后勤部油料研究所立项研究“基于Modbus总线的油罐数据采集与控制系统”。本人参与了该项目的研究工作，主要负责Modbus总线变送器的软硬件设计和监测站人机界面软件的设计。
“基于Modbus总线的油罐数据采集与控制系统”主要由变送器、Modbus现场总线和监测站组成。变送器是系统的核心设备，其作用是为油罐温度、压力、液位、可燃气浓度等传感器供电，采集传感器信号并进行线性化、温度补偿等处理，完成密度、体积和质量等参数计算，将数据输出到Modbus现场总线测控网络，根据需要现场显示计测量参数。变送器具有多种信号的处理能力，并采用当今工业测控领域流行的Modbus现场总线技术，是一种多参数、智能化、网络化的现场仪表。Modbus现场总线将现场变送器和监测站连结成一个测控网络，实现储油罐区的自动化监测计量与管理。监测站安装人机界面软件，负责监视所有油罐的实时数据，并将数据送往上层信息管理网络。
本文首先介绍了现场总线技术在工业测控系统中的应用和Modbus现场总线技术的特点，简述了油罐计量原理和方法。随后重点介绍了基于Modbus总线变送器的结构与工作原理，硬件电路和软件的设计，调试中遇到的问题和解决的方法。然后介绍了上位机(监测站)软件的编制。最后对在课题研制过程中的经验和体会进行了总结，并提出了对本课题进一步的设想。
In oil stock of army the measurement burden is heavy and the method is under-developed at present time. To resolve this problem and carry out the automatic management, the POL Research Institute of General Logistics Department developed the automatic oil tank data acquisition and control system based on Modbus fieldbus and put it to use. The author takes part in the research group and is responsible for the part of the hardware and software design of the data processing unit and software of PC.
The automatic oil tank data acquisition and control system based on MODBUS fieldbus consists of fieldbus devices of oil tank, Modbus network and computers. It can be used in the oil stock of army and petroleum and chemical plant. Modbus transducer is the key device in the system and is used to offer power supply of pressure and temperature sensor, to collect signal, to linearizate and compensate temperature ,to calculate density , volume and mass , to transmit data to Modbus network , and display the data.So the Modbus transducer is a multi-parament measurement, intelligent control device which can manage multi-signal. Modbus fieldbus can monitor and manage automaticly the oil tank area by connecting the sensor and pc.The pc of installing HMI software take charge to monitor the data and to communicate the data to information network.
At the beginning of this thesis the fieldbus technology application of the measurement and control system and MODBUS and any information of oil tank measurement and control system at present and future are presented. The gauging system's structure, function and characteristic following the principle and method of tank gauging are described. Then the Modbus sensor structure is described, introduces detailedly the hardtware design and the software design the data processing unit and software of PC by VB, bring forward the methors of analog ouput controlling, the author summarized some method of resolving the problems which were noticed at the process of debugging Finally, the author analysised simply the errors of measurment.
“基于Modbus总线的油罐数据采集与控制系统”主要由变送器、Modbus现场总线和监测站组成。变送器是系统的核心设备，其作用是为油罐温度、压力、液位、可燃气浓度等传感器供电，采集传感器信号并进行线性化、温度补偿等处理，完成密度、体积和质量等参数计算，将数据输出到Modbus现场总线测控网络，根据需要现场显示计测量参数。变送器具有多种信号的处理能力，并采用当今工业测控领域流行的Modbus现场总线技术，是一种多参数、智能化、网络化的现场仪表。Modbus现场总线将现场变送器和监测站连结成一个测控网络，实现储油罐区的自动化监测计量与管理。监测站安装人机界面软件，负责监视所有油罐的实时数据，并将数据送往上层信息管理网络。
本文首先介绍了现场总线技术在工业测控系统中的应用和Modbus现场总线技术的特点，简述了油罐计量原理和方法。随后重点介绍了基于Modbus总线变送器的结构与工作原理，硬件电路和软件的设计，调试中遇到的问题和解决的方法。然后介绍了上位机(监测站)软件的编制。最后对在课题研制过程中的经验和体会进行了总结，并提出了对本课题进一步的设想。
In oil stock of army the measurement burden is heavy and the method is under-developed at present time. To resolve this problem and carry out the automatic management, the POL Research Institute of General Logistics Department developed the automatic oil tank data acquisition and control system based on Modbus fieldbus and put it to use. The author takes part in the research group and is responsible for the part of the hardware and software design of the data processing unit and software of PC.
The automatic oil tank data acquisition and control system based on MODBUS fieldbus consists of fieldbus devices of oil tank, Modbus network and computers. It can be used in the oil stock of army and petroleum and chemical plant. Modbus transducer is the key device in the system and is used to offer power supply of pressure and temperature sensor, to collect signal, to linearizate and compensate temperature ,to calculate density , volume and mass , to transmit data to Modbus network , and display the data.So the Modbus transducer is a multi-parament measurement, intelligent control device which can manage multi-signal. Modbus fieldbus can monitor and manage automaticly the oil tank area by connecting the sensor and pc.The pc of installing HMI software take charge to monitor the data and to communicate the data to information network.
At the beginning of this thesis the fieldbus technology application of the measurement and control system and MODBUS and any information of oil tank measurement and control system at present and future are presented. The gauging system's structure, function and characteristic following the principle and method of tank gauging are described. Then the Modbus sensor structure is described, introduces detailedly the hardtware design and the software design the data processing unit and software of PC by VB, bring forward the methors of analog ouput controlling, the author summarized some method of resolving the problems which were noticed at the process of debugging Finally, the author analysised simply the errors of measurment.
引文
[01] 上海交通大学 谢剑英 贾青 微型计算机控制技术 (第3版)国防工业出版社 2001．9
[02] 林锦国 过程控制系统 仪表 装置 东南大学出版社 2001．3
[03] 孙传友 孙晓斌 测控系统原理与设计 北京航空航天大学出版社 2002．9
[04] 陶永华 新型PID控制及其应用 机械工业出版社 2002．9
[05] 阳宪惠 现场总线技术及其应用，清华大学出版社 1999．6
[06] 张靖 刘少强 检测技术与系统应用，中国电力出版社，2002．1
[07] 李志全 智能仪表设计原理及其用，国防工业出版社，1998．6
[08] 时东 成品油输油管线控制技术，石油工业出版社，2000．6
[09] 张树兵 Visual Basic6．0入门与提高 清华大学出版社，2000．4
[10] 范逸之 利用Visual Basic实现串并行通信技术清华大学出版社，2002．2
[11] 杨振江，孙占彪，王曙梅，布线涛 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用，西安电子科技大学出版社2001．109-140
[12] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著 单片机高级C语言应用程序设计(修订版)，北京航空航天大学出版社，1999．1
[13] 马明建，周长城．数据采集与处理技术，西安交通大学出版社 1998．9
[14] 王家桢，王俊杰，传感器与变送器，清华大学出版社 1996．8
[15] 耿德根，宋建国，马潮，叶勇建编著AVR高速嵌入式单片机原理与应用，北京航空航天大学出版社 2001．2
[16] 徐爱钧，彭秀华 单片机高级语言C51应用程序设计，电子工业出版社 1998．6
[17] 王幸之，王雷，翟成单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社 2000
[18] (美)Jean J．Labrosse著 袁勤勇 黄绍金 唐菁 等译 嵌入式系统构件，机械工业出版社 2002．2
[19] 张圣华编Microsoft C 6．0版 高级C运行库函数使用及速查手册，北京希望电脑公司 1991年12月
[20] 胡汉才编著 单片机原理及其接口技术，清华大学出版社 1996．7
[21] 赖麒文编著 8051单片机C语言彻底应用，科学出版社 2002．3
[22] 马国华著 监控组态软件及其应用，清华大学出版社 2001．8，166—187
[23] 郭维芹 主编 模拟电子技术，科学出版社，1993．8
[24] Modbus通信协议，中国工控网，2003．3
[25] Modbus protocol, 2002
[26] 8-Bit Microcontroller with 8K Bytes Flash, Aduc824BS 2001.12
[27] Low-Power, Slew-Rate-Limited RS-485/RS-422Transceivers, MAXIM, 1996.07
[28] 3V/5V, 4/8 Channel High Performance Analog Multiplexers, Analog Device, Inc.1995
[29] SPI/Microwire-Compatible UART in QSOP-16, MAXIM, 1997.01
[30] High-Speed,5V,0.1uF CMOS RS-232 Driver/Receivers ADM202
[31] Microprocessor Supervisory Circuit in 3-pin SOT-23 ADM809
[32] ADuC8XX GetStarted Guide
[33] MicroConverter Technical Note-uC004 Understanding the serial Download Protocol
[34] 林巧玲 用VB实现PC机与MCS-51单片机的主从式通信，现场总线及网络控制 2003．5
[35] 赵志国 利用VB实现PC机与多单片机通讯，单片机与嵌入式系统应用，2003．5
[36] 李湘江 用VB进行串口实时数据采集 现场总线及网络控制，2003．5
[37] 何军 高性能单片机ADuC824的特点及应用，国外电子元器件2003．5
[38] 颜荣江，ADμC812的数据采集子系统及其ISP技术，单片机与嵌入式系统应用，2003．5
[39] 管超 现场总线技术在油库监控中的应用，微计算机信息，1998，14(1)，25—24
[02] 林锦国 过程控制系统 仪表 装置 东南大学出版社 2001．3
[03] 孙传友 孙晓斌 测控系统原理与设计 北京航空航天大学出版社 2002．9
[04] 陶永华 新型PID控制及其应用 机械工业出版社 2002．9
[05] 阳宪惠 现场总线技术及其应用，清华大学出版社 1999．6
[06] 张靖 刘少强 检测技术与系统应用，中国电力出版社，2002．1
[07] 李志全 智能仪表设计原理及其用，国防工业出版社，1998．6
[08] 时东 成品油输油管线控制技术，石油工业出版社，2000．6
[09] 张树兵 Visual Basic6．0入门与提高 清华大学出版社，2000．4
[10] 范逸之 利用Visual Basic实现串并行通信技术清华大学出版社，2002．2
[11] 杨振江，孙占彪，王曙梅，布线涛 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用，西安电子科技大学出版社2001．109-140
[12] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著 单片机高级C语言应用程序设计(修订版)，北京航空航天大学出版社，1999．1
[13] 马明建，周长城．数据采集与处理技术，西安交通大学出版社 1998．9
[14] 王家桢，王俊杰，传感器与变送器，清华大学出版社 1996．8
[15] 耿德根，宋建国，马潮，叶勇建编著AVR高速嵌入式单片机原理与应用，北京航空航天大学出版社 2001．2
[16] 徐爱钧，彭秀华 单片机高级语言C51应用程序设计，电子工业出版社 1998．6
[17] 王幸之，王雷，翟成单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社 2000
[18] (美)Jean J．Labrosse著 袁勤勇 黄绍金 唐菁 等译 嵌入式系统构件，机械工业出版社 2002．2
[19] 张圣华编Microsoft C 6．0版 高级C运行库函数使用及速查手册，北京希望电脑公司 1991年12月
[20] 胡汉才编著 单片机原理及其接口技术，清华大学出版社 1996．7
[21] 赖麒文编著 8051单片机C语言彻底应用，科学出版社 2002．3
[22] 马国华著 监控组态软件及其应用，清华大学出版社 2001．8，166—187
[23] 郭维芹 主编 模拟电子技术，科学出版社，1993．8
[24] Modbus通信协议，中国工控网，2003．3
[25] Modbus protocol, 2002
[26] 8-Bit Microcontroller with 8K Bytes Flash, Aduc824BS 2001.12
[27] Low-Power, Slew-Rate-Limited RS-485/RS-422Transceivers, MAXIM, 1996.07
[28] 3V/5V, 4/8 Channel High Performance Analog Multiplexers, Analog Device, Inc.1995
[29] SPI/Microwire-Compatible UART in QSOP-16, MAXIM, 1997.01
[30] High-Speed,5V,0.1uF CMOS RS-232 Driver/Receivers ADM202
[31] Microprocessor Supervisory Circuit in 3-pin SOT-23 ADM809
[32] ADuC8XX GetStarted Guide
[33] MicroConverter Technical Note-uC004 Understanding the serial Download Protocol
[34] 林巧玲 用VB实现PC机与MCS-51单片机的主从式通信，现场总线及网络控制 2003．5
[35] 赵志国 利用VB实现PC机与多单片机通讯，单片机与嵌入式系统应用，2003．5
[36] 李湘江 用VB进行串口实时数据采集 现场总线及网络控制，2003．5
[37] 何军 高性能单片机ADuC824的特点及应用，国外电子元器件2003．5
[38] 颜荣江，ADμC812的数据采集子系统及其ISP技术，单片机与嵌入式系统应用，2003．5
[39] 管超 现场总线技术在油库监控中的应用，微计算机信息，1998，14(1)，25—24