某成品油船貨油監控系統改造方案設計與實現

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(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

某成品油船的貨油監控系統已使用10年，除貨油艙電測單元本身顯示正常外，上位機各參數顯示均不正常。對于貨油艙的監測，保留仍然正常的監測單元，即測量儀表在現場采用單片機做數據處理，但更換RS—485總線，設計通信接口，編寫Modbus協議；對于其他設備的監測，采用數據采集卡更換已損壞的單片機數據采集系統；在主控室，由工控機對測量數據進行顯示、存儲、打印、參數設置等。

RS—485總線通信速率高、距離遠、穩定性好；所設計的接口電路結構簡單、抗干擾能力強、可靠性高；Modbus協議具有方便易用、傳輸高速、高效等優點；對數據采集卡優化配置，保證較高的采集速度和精度，且安裝使用靈活，節省制作時間。以上構成的數據采集系統在實際中運行良好，性能穩定。

1 原貨油監控系統分析

該貨油監控系統的功能是監測影響船舶狀態的設備參數：貨油艙(液位、溫度)，壓載水艙(液位)，泵艙(各類泵的工況)、機艙(柴油機運行狀態)和排油監控報警等，并根據需要控制相關設備。

原貨油監控臺系統和貨油監控系統內部接線分別如圖1、2所示。貨油艙電測單元(下位機)本身實時顯示參數值，也與工控機(上位機)串行通信；GK監測機(下位機)由單片機數據采集系統組成，采集各參數值，再與工控機串行通信；最后，所有參數在終端顯示器上顯示，當參數值超出設定的上限時，發出聲光報警信號。所有的控制操作，如泵的啟停、調速等均在貨油監控臺上完成。系統狀況：貨油艙電測單元本身正常，但通信異常；GK監測機中的線路板已毀壞，無法進行參數監測與顯示；工控機老化，部分功能已失效；貨油監控臺部分數據顯示和實際測量值有誤差。

2 方案設計與實現

2.1 系統結構

設計方案主要為：設計上位機與貨油艙電測單元串行通信接口，編寫通信程序，保證數據傳輸；采用研華PCL—813、PCL—818HD更換GK監測機的數據采集系統，并設計相應接線端子卡；編制監測軟件，實現數據采集、記錄保存、報警等功能，并根據液體容積進行數字、圖形雙顯示；對系統檢測、調校與恢復，保證測量精度。所設計的貨油監控系統結構如圖3。

2.2 方案實現

2.2.1 硬件設計

1) PCL—813。PCL—813的作用是和端子卡、傳感器、變送器配合，采集設備的工況信號。圖4為PCL-813與信號的連接圖。在圖5中，板卡上單端輸入電路一端接輸入信號2，一端是公共地3；輸入信號一端接到2，另一端接到模擬地。

圖1 貨油監控臺系統

圖2 貨油監控系統內部接線

圖3 貨油監控系統結構

圖4 PCL—813與信號的連接

圖5 單端信號輸入連接

2) PCL—813端子卡。變送器等將測得的壓力、溫度、速度轉換成4～20 mA電流信號，并傳輸到PCL—813端子卡轉換為1～5 V電壓信號，再經PCL—813輸入工控機。該端子卡調理電路如圖6。

圖6 輸入信號調理電路

圖6中輸入和輸出部分的放大器兩端均形成負反饋，正相和反相輸入端相當于“虛短路”，電壓為0 V。在輸入端流過PD1的電流為：IPD1=ILOOP×R3/(R1+R3)，隔離電路的輸出電壓為：VOUT=IPD2×R5，所以VOUT=(IPD2/IPD1)×R3×R5。而IPD2/IPD1≈1，調節R3的阻值為30 Ω左右時，可使4～20 mA的電流值轉化為1～5 V的電壓輸出，且滿足嚴格的線性關系。

3) PCL—818HD。采用標準ISA接口，直接插在計算機主板的擴展ISA插槽即可。液位差分電壓信號直接輸入該卡，開關量經端子卡處理后再送入，由該卡輸出開關量控制信號，見圖7。PCL—818HD的地端和信號源的地端之間會存在電壓差，即共模干擾，為了避免，將輸入信號源地端和差分輸入信號的低壓端相接，將板卡模擬地端和信號源地端相連，見圖8。

圖7 PCL-818HD與信號的連接

圖8 差分模擬信號輸入連接

4) PCL—818HD端子卡。PCL—818HD端子卡由輸入通道光耦電路和控制聲光報警的輸出通道繼電器電路組成。

①輸入通道光耦電路。在圖9中，采用4N25光電耦合器將現場開關量輸入信號與卡件內部隔離，實現信號的準確測量。

圖9 輸入通道光耦電路

②輸出通道繼電器電路。在圖10中，工控機發出聲光報警控制指令，使PCL—818HD的某一數字量輸出通道輸出相應的數字信號，通過輸出通道繼電器電路輸出電壓控制聲光報警[1]。本系統采用4N25光電耦合器進行隔離防止干擾，并采用三極管9013加強電路驅動能力。

圖10 輸出通道繼電器電路

5) 串行通信接口電路。該通信采用RS—485總線，它是半雙工傳輸方式。工控機的串行接口為RS—232或USB總線，這里采用ICL232芯片和MAX485芯片構成RS—232/485轉換模塊，此模塊一邊與RS—232標準9針相連，另一邊與RS—485總線相連。單片機串行接口為TTL電平，通過MAX485芯片轉換成RS—485接口進行通信。由于采用光電隔離，可避免總線上的共模干擾進入工控機。見圖11所示。

圖11 工控機與下位機通信電路

2.2.2 軟件設計

軟件系統采用Visual C++開發，其結構見圖12。參數設置及初始化主要獲取監測標準、監測信息、監測時間等，并對軟件初始化。工控機與貨油電測單元進行串行通信；數據采集模塊驅動PCL—818HD和PCL—813，讀取I/O口的值；數據處理模塊將采集到的數據按照要求換算和處理，再調用顯示模塊，以數據、圖形的形式顯示；數據存儲和打印模塊可在按下保存按鈕時將數據存儲為文本，并能打印報表。

圖12 主程序結構

1)串行通信。原貨油艙電測單元運行正常，只需改造通信線路。經與該貨油艙電測單元原設計單位聯系，獲知原通信協議及下位機設計參數。該通信采用Modbus RTU協議，主機和從機都要實現該協議。所用波特率為9 600 bit/s，無校驗，8位數據位，2位停止位。Modbus協議采用Master/Slave(主/從)結構通信方式，即主機請求，從機應答。主機首先向從機發送通信請求指令，從機響應接收數據后作數據分析，如果數據滿足通信規約，從機根據請求指令中的功能碼向主站發回數據。每個從機都有自己獨立地址，只讀發給自己的指令[2]。

在本通信中，貨油艙電測單元只有采集板一個子機，其地址為01。在Modbus協議中，不同通信消息幀功能碼對應的數據域格式也不同，此處用04(表示讀輸入寄存器)。讀取與接收返回數據模式如表1、2所示。

表1 主機查詢命令報文格式

表2 從機應答命令報文格式

應用Visual C++實現串口通信有多種方法，如Windows API通信函數、標準通信函數直接對串口操作、串行通信ActiveX控件(MSComm)、第三方編寫的通信類。本系統使用最后一種方法，利用一個專門針對串行通信的Cserial類，由Remon Spekreijse提供的免費串口工具，封裝了串口的初始化、打開、關閉、偵測及讀寫等操作，而且是基于多線程的。

2) PCL—813數據采集。對PCL—813進行Windows應用程序開發的方法有多種，本系統采用通用的開發環境Visual C++，調用“研華”提供的標準動態鏈接庫(DLL，Dynamic Link Library)文件和第三方制作的ActiveX控件[3-4]。該方法可以降低程序開發的難度，靈活性和移植性較好。PCL—818HD數據采集所用方法與此類似。

選用PCL—813觸發模式為軟件觸發，相關寄存器地址為BASE+12——軟件觸發許可，數據傳輸方式為軟件控制，A/D轉換狀態由BASE+5中D4位(DRDY)判斷，DRDY=1或0分別表示A/D轉換忙或轉換完成。

3) PCL—818HD數據采集。PCL—818支持的觸發模式：軟件觸發、可編程計數器(Intel 8254)觸發和外部脈沖觸發，數據傳輸方式：程序查詢、中斷和DMA(直接存儲器存取)。本系統采用計數器觸發，DMA方式傳輸A/D轉換后的數據。

A/D轉換數據首先暫存在板卡的FIFO中，當FIFO半滿或全滿時，使用DMA方式將數據輸出到內部緩沖區，它和用戶緩沖區都是動態分配的內存區域，不同在于前者存放的是從FIFO中傳送來的原始值，而后者存放的是經轉換后的電壓值[5]。因為DRV_EnableEvent啟動了事件機制，當內部緩沖區半滿時會產生一個ADS_EVT_BUFCHANGE事件,此時要用DRV_FAICheck()來檢測內部緩沖區的哪個半區已滿。

4) 軟件界面。軟件在結構上采用多窗體，實現友好的對話窗口。系統又分成前臺和后臺兩個主要部分：前臺主要完成顯示、窗體設計等任務；后臺主要在采集數據的同時調出動態數組中的測量數據進行圖形顯示，并通過與參考值的比較確定報警輸出。

3 結論

原貨油監控系統是10年前的產品，在對原系統勘驗的基礎上，重新設計并更換了上位機和編制監控軟件，由上位機完成統一的操作顯示任務，形成了一個結構簡化、性能穩定的小型監控系統。系統還可以擴展串行通信的從機數量，由主機依次查詢各從機，與各從機進行通信。

[1] 魏云冰，黃 進．異步電動機定子電流信號的數據采集與處理[J]．中小型電機，2002,29(4):27-30．

[2] 李媚秋，戴瑜興．Modbus協議在電能質量綜合檢測裝置中的應用[J]．中國儀器儀表，2005(10):98-100．

[3] 張 偉，姚建領，劉國柱．在C++Builder環境下應用PCL-813[J]．計算機時代，2005(6):49-50．

[4] 周恩濤，廖生行．基于LabVIEW的虛擬比例閥測試系統[J]．機床與液壓，2003(1):251-252．

[5] 于 鋒，候永海，王建國．基于PCI-1714的高速數據采集系統方案設計[J]．微計算機信息，2005,21(8):60-62．