CN110398296A - 一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于巡检仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统。包括由下位多通道热电偶测温模块和装有温度主控程序的上位PC机或触摸屏作为节点，通过5类双绞线进行连接，使用ModbusTCP/IP通信协议的测温网络；所述多通道热电偶测温模块包括微控制器电路、热电偶测温电路、以太网通信电路、电源电路；所述温度主控程序由组态软件设计开发支持PC、触摸屏两种安装方式。本发明的温度巡检系统数据传输速率高、可靠性强、网络开放易于扩展，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能。可方便地推广至其他温度测量场合。

Description

一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统
技术领域
本发明属于巡检仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统。
背景技术
在工业车间、厂矿、陆地交通、航海等应用发动机的领域，气缸的排气温度反映了发动机的运行状况是重要的监测参数，目前发动机温度巡检系统存在的问题有：组网方式落后通常采用RS232、RS485、CAN等串行通信协议存在传输速率低，传输距离短传输信号易受外界干扰等缺点，当监测目标比较分散、测点较多、需要远程诊断时通过以上通信方式组网就难以实现；温度采集模块往往没有自校准功能，当连续工作一段时间后温度容易发生漂移；温控软件功能单一通常只是简单的温度数据实时显示、温度上下限报警，无趋势曲线显示、历史数据查询、报表打印等功能。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种采用工业以太网分布式结构，把温度采集模块和温度主控PC机或触摸屏作为网络节点，通过双绞线进行组网，能够方便的实现远程数据的通信、分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能的基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，包括由下位多通道热电偶测温模块和装有温度主控程序的上位PC机或触摸屏作为节点，通过5类双绞线进行连接，使用ModbusTCP/IP通信协议的测温网络；所述多通道热电偶测温模块包括微控制器电路、热电偶测温电路、以太网通信电路、电源电路；所述温度主控程序由组态软件设计开发支持PC、触摸屏两种安装方式。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元；
所述微控制器与以太网通信电路和热电偶测温电路相连，用于接收并处理采集的温度原始数据并向以太网通信电路传送处理好的温度数字信号；所述跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置测温模块的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对多通道热电偶网络测温模块进行外部调试；所述功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述跳线内部功能设定单元由拨码开关J7和移位寄存器U9组成，通过拨码开关来设定模块的网络地址；所述功能设定存储单元由ATMEL24C08存储芯片U9构成，主要存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述热电偶测温电路包括滤波单元、通道选择单元、ADC采集单元、冷端温度补偿单元、电压基准单元；
所述滤波单元包括由电阻、电容网络构成的热电偶输入信号低通滤波通道；所述通道选择单元与滤波单元相连，并将滤波后的信号通过两片多路转换开关实现通道选择；所述ADC采集单元与通道选择单元相连，所述ADC采集单元包括24位Σ-Δ型AD7793芯片；所述冷端温度补偿单元与ADC采集单元相连，冷端温度补偿单元由高精度PTC线性热敏电阻KTY81-110组成；所述电压基准单元与ADC采集单元相连，电压基准单元包括高精度基准电压芯片ADR421。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述多路转换开关由两片CD4051芯片U20、U21组成实现八选一操作，八路热电偶输出的电压信号的正极接U20，负极接U21，所述ADC采集电路由24位Σ-Δ型AD7793芯片U23组成；所述电压基准电路由高精度基准ADR421电压芯片U22组成具有低噪音和长期稳定输出2.5V基准电压。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，所述以太网控制器单元，通过16位数据宽度的FSMC接口与微控制器相连，为了保证通信的实时性，数据的发送接收都是通过中断机制来实现，以太网控制器单元通过移植LWIP TCP/IP协议栈来实现网络通信功能；所述RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，具体用了21个端口，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105A JP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述上位控制模块通过TCP/IP协议与模块进行通信，通信协议以字符的形式定义功能设定命令；上位控制模块通过功能设定命令设定仪表节点地址、温度校准系数、温度上下限报警值，程序版本号。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，所述温度主控程序至少用于完成以下步骤：
参数设置的步骤：包括完成测温模块节点地址设置、温度上下限报警值设置、模块自校准、测温间隔的参数；温度巡检的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各字节点个测温点的温度值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史温度数据方便查看各点温度的变化趋势；报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
对前述基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统的进一步改进，述电源模块包括保护电路、数字5V电源电路、数字±3.3V电源电路，所述保护电路由二极管桥对MB10S实现反接保护和由自恢复保险丝F1实现的过流保护，所述数字5V电源电路由LM2576芯片U6及其外围元件L1、D1、C20、C21组成开关稳压电源输出数字5V，所述数字±3.3V电源电路由AMS1117-3.3芯片U7把数字5V降压降压至+3.3V，然后由MAX660芯将数字+3.3V转换成-3.3V供给微控制器电路、热电偶测温电路和网络通信电路。
其有益效果在于：
1、温度巡检系统通过工业以太网进行组网，数据传输速率高、可靠性强、网络开放易于扩展，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能。
2、多通道热电偶智能测温模块测量精度高具有自校准功能，通过功能设定命令可以在线远程设定模块节点地址、温度校准系数、温度上下限报警值，程序版本号等。
3、温度主控程序采用组态软件设计开发，支持PC、触摸屏两种安装方式，具有参数设置、温度巡检、趋势曲线、报表打印等功能，除了应用于发动机排温巡检，也可方便地推广至其他温度测量场合。
附图说明
图1为温度巡检系统组成示意图；
图2为上位机温度主控软件组成结构图；
图3为下位多通道热电偶智能测温模块组成结构图；
图4为下位多通道热电偶智能测温模块电路原理图一；
图5为下位多通道热电偶智能测温模块电路原理图二。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施例。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例所述的温度巡检系统包括下位多通道热电偶智能测温模块和装有温度巡检主控程序的上位PC机或触摸屏。测温模块主要由微控制器电路、热电偶测温电路、以太网通信电路、电源电路、功能设定及存储电路组成；
在本实施例中，如图1所示，下位多通道热电偶智能测温模块和装有温度主控程序的上位PC机或触摸屏作为网络节点通过交换机、路由器共同构成星形工业以太网网络。直接将热电偶输入信号的正负端通过接线端子接入智能测温模块，在测温模块中，通过抗混叠滤波、信号放大后经高分辨率的ADC将热电偶输出数字化，通过软件实现温度信号的线性化和校准，然后通过ModbusTCP/IP协议将数字化的温度信号上传至工业以太网网络中。
在本实施例中，如图5所示，所述微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元，所述微控制器包括STM32F103ZET6芯片U1、时钟电路、复位电路、工作指示灯组成，以上构成基于STM32的最小系统；所述跳线内部功能设定单元由拨码开关J7和移位寄存器U9组成，通过拨码开关来设定模块的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与所述微控制器相连，外部调试设备通过所述联合测试行为组织调试端口对所述多通道热电偶网络测温模块进行外部调试；所述功能设定存储单元，与所述微控制器相连，由ATMEL24C08存储芯片U9构成，主要存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
在本实施例中，如图4所示，所述热电偶测温电路，包括滤波电路、多路转换开关电路、ADC采集电路、冷端温度补偿电路、电压基准电路组成，所述滤波电路由电阻、电容网络实现低通滤波，所述多路转换开关电路由两片CD4051芯片U20、U21组成实现八选一操作，八路热电偶输出的电压信号的正极接U20，负极接U21，所述ADC采集电路由24位Σ-Δ型AD7793芯片U23组成，其内置PGA可以对微弱信号提供高达128倍的放大，同时具有低功耗、低噪声特性可以实现高精度测量，所述冷端温度补偿电路由KTY81-110高精度PTC线性热敏电阻R78组成，所述电压基准电路由高精度基准ADR421电压芯片U22组成具有低噪音和长期稳定输出2.5V；
外部八路热电偶电压信号的正极从JP4的脚1、3、5、7、9、11以及JP5的脚1、3引入，经过滤波电路低通滤波后接入U20的IN0-IN7端，电压信号的负极从JP4的脚2、4、6、8、10、12以及JP5的脚2、4引入，经过滤波电路低通滤波后接入U21的IN0-IN7端。经过U20和U21的八选一操作后，电压信号正极从U20的OUT引脚输出连接到U23的AIN1+，负极从U21的OUT引脚输出连接到U23的AIN1-，进行AD转换，转换后的数字信号在通过SPI总线串行传输到微控制器。
在本实施例中，如图5所示，所述以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，所述以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现的，将DM9000B当成SRAM进行控制，具体用了21个端口，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15。DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105AJP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。为了减少对RAM的占用，通过移植LWIP轻量级IP协议栈来实现网络通信功能。
在本实施例中，如图4所示，所述电源模块包括保护电路、数字5V电源电路、数字±3.3V电源电路，所述保护电路由二极管桥对MB10S实现反接保护和由自恢复保险丝F1实现的过流保护，所述数字5V电源电路由LM2576芯片U6及其外围元件L1、D1、C20、C21组成开关稳压电源输出数字5V，所述数字±3.3V电源电路由AMS1117-3.3芯片U7把数字5V降压降压至+3.3V，然后由MAX660芯将数字+3.3V转换成-3.3V供给微控制器电路、热电偶测温电路和网络通信电路。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，包括由下位多通道热电偶测温模块和装有温度主控程序的上位PC机或触摸屏作为节点，通过5类双绞线进行连接，使用ModbusTCP/IP通信协议的测温网络；所述多通道热电偶测温模块包括微控制器电路、热电偶测温电路、以太网通信电路、电源电路；所述温度主控程序由组态软件设计开发支持PC、触摸屏两种安装方式。
2.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述微控制器电路包括微控制器、跳线内部功能设置单元、联合测试行为组织调试端口和功能设定存储单元；
所述微控制器与以太网通信电路和热电偶测温电路相连，用于接收并处理采集的温度原始数据并向以太网通信电路传送处理好的温度数字信号；所述跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置测温模块的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对多通道热电偶网络测温模块进行外部调试；所述功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
3.根据权利要求2所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述跳线内部功能设定单元由拨码开关J7和移位寄存器U9组成，通过拨码开关来设定模块的网络地址；所述功能设定存储单元由ATMEL24C08存储芯片U9构成，主要存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值。
4.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述热电偶测温电路包括滤波单元、通道选择单元、ADC采集单元、冷端温度补偿单元、电压基准单元；
所述滤波单元包括由电阻、电容网络构成的热电偶输入信号低通滤波通道；所述通道选择单元与滤波单元相连，并将滤波后的信号通过两片多路转换开关实现通道选择；所述ADC采集单元与通道选择单元相连，所述ADC采集单元包括24位Σ-Δ型AD7793芯片；所述冷端温度补偿单元与ADC采集单元相连，冷端温度补偿单元由高精度PTC线性热敏电阻KTY81-110组成；所述电压基准单元与ADC采集单元相连，电压基准单元包括高精度基准电压芯片ADR421。
5.根据权利要求4所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述多路转换开关由两片CD4051芯片U20、U21组成实现八选一操作，八路热电偶输出的电压信号的正极接U20，负极接U21，所述ADC采集电路由24位Σ-Δ型AD7793芯片U23组成；所述电压基准电路由高精度基准ADR421电压芯片U22组成具有低噪音和长期稳定输出2.5V基准电压。
6.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，所述以太网控制器单元，通过16位数据宽度的FSMC接口与微控制器相连，为了保证通信的实时性，数据的发送接收都是通过中断机制来实现，以太网控制器单元通过移植LWIP TCP/IP协议栈来实现网络通信功能；所述RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信。
7.根据权利要求6所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述以太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，具体用了21个端口，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105A JP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互主要是通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极RD-、物理层发送端口正极TX+、物理层发送端口负极TX-，四个端口进行连接。
8.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述上位控制模块通过TCP/IP协议与模块进行通信，通信协议以字符的形式定义功能设定命令；上位控制模块通过功能设定命令设定仪表节点地址、温度校准系数、温度上下限报警值，程序版本号。
9.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，所述温度主控程序至少用于完成以下步骤：
参数设置的步骤：包括完成测温模块节点地址设置、温度上下限报警值设置、模块自校准、测温间隔的参数；温度巡检的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各字节点个测温点的温度值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史温度数据方便查看各点温度的变化趋势；报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
10.根据权利要求1所述一种基于ModbusTCP/IP的发动机排气温度巡检系统，其特征在于，述电源模块包括保护电路、数字5V电源电路、数字±3.3V电源电路，所述保护电路由二极管桥对MB10S实现反接保护和由自恢复保险丝F1实现的过流保护，所述数字5V电源电路由LM2576芯片U6及其外围元件L1、D1、C20、C21组成开关稳压电源输出数字5V，所述数字±3.3V电源电路由AMS1117-3.3芯片U7把数字5V降压降压至+3.3V，然后由MAX660芯将数字+3.3V转换成-3.3V供给微控制器电路、热电偶测温电路和网络通信电路。
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