采用現場總線技術實現大型設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用方案

現場總線技術是當今自動化技術研究的熱點之一，它應用于工業(yè)現場可以在微機集控設備之間實現雙向串行多節(jié)點數字通訊。它把單個分散的被控設備作為網絡節(jié)點，以現場總線為紐帶，把所有被控設備連接成可以相互溝通信息、共同完成自動控制任務的網絡系統(tǒng)，具有分散控制、系統(tǒng)結構簡單、節(jié)約硬件設備、易于安裝維護等優(yōu)點。

為了更大程度地提高礦井安全、迎合未來無人化工作面發(fā)展趨勢，煤礦井下綜采工作面大型設備遠程監(jiān)測監(jiān)控功能的實現至關重要。目前綜采工作面的大型設備如采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉載機等大都采用智能型組合電器進行集中控制，但缺乏遠程監(jiān)測監(jiān)控功能。本文以HT6L1-400Z/1140智能型組合電器為研究對象，根據煤礦現有安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的網絡特點，采用Modbus總線技術編制了通訊軟件，實現了組合電器與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的無縫鏈接，達到了對大型設備遠程監(jiān)測監(jiān)控的目的。

1 Modbus協(xié)議簡介

Modbus通訊協(xié)議由Modican公司開發(fā)，是當今主流現場總線協(xié)議之一。通過它，集控設備相互之間、集控設備經由網絡和其它設備之間可以通訊；通過它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)控制網絡，進行集中監(jiān)控等。該協(xié)議有以下特點［1-2］：物理接口符合EIA-485規(guī)范；能組成主從訪問的單主控制網絡；通過簡單的通訊報文完成對從節(jié)點的讀寫操作；當主節(jié)點輪詢即逐一訪問從節(jié)點時，要求從節(jié)點返回一個應答信息；主節(jié)點也可以對網段上所有從節(jié)點進行廣播通訊。

Modbus通訊協(xié)議有兩種消息幀格式：ASCII和RTU幀格式。ASCII消息以冒號字符開始，以回車換行符結束，其它域使用的傳輸字符為十六進制；RTU消息則以傳遞一段空閑時間為開始和結束，這段時間不小于3.5倍的字符發(fā)送時間T，一般取4T。

Modbus通訊協(xié)議定義了在這些網絡上連續(xù)傳輸的報文幀格式，確定了將數據打包成報文幀以及解碼的方法。采用RTU格式的Modbus通訊協(xié)議報文幀格式如表l所示。

表1.Modbus通訊協(xié)議的RTU報文幀格式

RTU幀中各功能塊作用如下：

地址域：地址域為被查詢的從節(jié)點地址，它所表示的從節(jié)點有效地址范圍為0～247，其中0表示廣播地址。

功能域：功能域的代碼范圍是1～255。有些代碼適用于所有控制器，有些代碼用于特定控制器，還有些保留以備用戶功能擴展使用。當消息從主設備發(fā)往從設備時，功能代碼域將告之從設備需要執(zhí)行哪些行為。例如功能編碼03H為讀寄存器（內部字變量），用于讀取從節(jié)點的寄存器值。

數據域：數據域包括本幀數據域的字節(jié)數量、數據字節(jié)l～n，這些數據可以是I/O值、狀態(tài)數據或其它測量控制信息。

CRC校驗域：在Modbus通訊協(xié)議中的RTU幀校驗通常采用CRC循環(huán)冗余校驗。整個信息幀以連續(xù)的數據位流進行傳輸，CRC校驗從地址域開始對報文幀的所有數據進行校驗。

從站識別主站按地址發(fā)來的消息，決定要執(zhí)行何種操作。主設備可單獨和從設備通訊，從設備返回一消息作為回應；主設備也能以廣播方式和所有從設備通訊，此時從設備不作任何回應。從節(jié)點的正常應答是發(fā)送相同的報文幀，以便讓主節(jié)點確認。如果有錯誤，功能代碼將被修改以指出回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤校驗域允許主設備確認消息內容是否可用。在配置每個控制器的時候，一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。

2 系統(tǒng)設計

2.1綜采工作面的集中控制

目前，我國大部分綜采工作面的大型設備都采用智能型組合電器進行集中控制，其中HT6L1-400Z/1140智能型組合開關是應用較為廣泛的一種，它可以對綜采工作面的采煤機、刮板輸送機、轉載機等進行集中控制和保護。盡管該組合開關中的S7-200 PLC具有RS485接口，但它并不具備通訊功能，更不能與現有安全生產監(jiān)測監(jiān)控主干網聯網進行遠程控制。以Modbus總線技術為監(jiān)測監(jiān)控主干網的安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下所占比例比較高，為了兼容Modbus現場總線，組合電器中的PLC（監(jiān)控分站）在對工作面電氣設備進行集中監(jiān)控的同時必須支持遠程監(jiān)測與控制，即該監(jiān)控分站對各個電機回路進行實時監(jiān)測、控制和保護的同時，還能響應主站的輪詢，將各負載的電壓、電流、運行狀態(tài)及故障信息上傳；此外該監(jiān)控分站還支持主站的控制命令，如強制多線圈命令（功能碼為十六進制數0F）、寫多個寄存器命令（功能碼為十六進制數10）等。

2.2 硬件設計

HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的測控系統(tǒng)由信號檢測、信號采集、信號處理、控制方式轉換、漢字顯示和PLC組成，可以獨立完成對六路負荷的控制與保護。該測控系統(tǒng)能完成漏電閉鎖、過載、短路、斷相、欠壓和過壓等保護功能，其先導回路為本質安全型電路。它有單回路獨立控制、多回路程序控制、單機雙速控制和雙機雙速控制四種運行方式，具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、動作可靠等優(yōu)點。

為了提高監(jiān)控軟件的通用性，使操作人員可以根據網絡實際情況手動設置該監(jiān)控分站的通訊參數，避免因網絡參數變化而不得不修改軟件，設計了通訊參數（波特率、校驗方式、從站地址等）的撥碼盤輸入電路。通訊參數的輸入需要五片撥碼盤來完成，其中前三片用來設置站地址1～247；第四片設置波特率（0～7分別代表1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200（bps）等八種波特率）；最后一片用來設置奇偶校驗方式（0～2分別代表無校驗、奇校驗、偶校驗）。此外，為了禁止異地同時對綜采工作面大型設備操作，避免意外事故的發(fā)生，在該智能型組合開關的測控系統(tǒng)中增加一轉換接點，用它提供的兩種互斥狀態(tài)分別作為現場控制與遠程控制的使能標志，這樣就避免了現場控制和遠程控制同時有效的可能。

HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的中央處理單元為西門子S7-200 PLC（CPU 226），只要編制相應的通訊軟件，就能很好的支持Modbus協(xié)議，進而與上位機實現通訊。在這種情況下，CPU 226僅有端口Port0支持Modbus遠程通訊協(xié)議，而端口Port1用于與測控系統(tǒng)中液晶顯示器TP7的通訊。

2.3 軟件設計

通訊軟件是在STEP7-Micro/WIN編程軟件環(huán)境下設計的，其指令庫包含專為Modbus通訊設計的子程序和中斷服務程序，使得測控系統(tǒng)通訊軟件的編制簡單易行。

2.3.1 軟件編制

HT6L1-400Z/1140智能型組合開關測控系統(tǒng)本身無論是硬件還是軟件都已經很成熟，并且其本身智能化程度比較高，也有支持上位機遠程監(jiān)測監(jiān)控的硬件基礎，所以如何把監(jiān)控程序很好地融合于測控系統(tǒng)的軟件中是本分站軟件編制的重點和難點。

監(jiān)控分站的軟件流程圖如圖1所示。初始化包括原系統(tǒng)軟硬件初始化和Modbus通訊初始化，通訊初始化在程序中只需要執(zhí)行一次。初始化完成后，操作者可以通過液晶顯示器TP7的整定值顯示畫面查看通訊參數及電流整定值的正確與否。該Modbus通訊程序實時檢測并響應主站請求，一方面向主站上傳各被控電機的工況參數，包括運行方式、分合閘狀態(tài)、電流、電壓、故障狀態(tài)及故障參數等；另一方面該監(jiān)控分站還支持主站的控制命令，如強制單線圈或多線圈、寫單寄存器或多寄存器命令等。該監(jiān)控分站支持的主站命令如表2所示。

表2. 該分站支持的主站命令

2.3.2 軟件組態(tài)

用STEP7-Micro/WIN編制完程序后，還需要對通訊程序塊進行組態(tài)，包括符號表組態(tài)、通訊數據區(qū)配置和指令參數的配置等，否則它就不是一個統(tǒng)一的整體。

符號表組態(tài)是對通訊程序的符號表分配780個字節(jié)的V區(qū)地址空間，它不能與通訊數據區(qū)有任何重疊。

通訊數據區(qū)配置就是對需要上傳的電壓、電流、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信息等參數存儲空間的配置。該分站需要分配20個字空間來實時存儲這些參數，包括六路整定電流、系統(tǒng)狀態(tài)、系統(tǒng)電壓、六路運行狀態(tài)及六路工作電流，具體的存儲格式如表3所示?？紤]到將來系統(tǒng)的擴容，該通訊數據區(qū)留有一定的裕度，這里實際分配了32個字空間。

表3. 通訊數據區(qū)數據存儲格式

指令參數的配置就是對通訊指令中的一些關鍵參數的設置，包括Modbus從站地址、通訊波特率、奇偶校驗選擇、附加字符間延時、最大I/Q、最大AI、最大數據區(qū)等的設置。其中從站地址、通訊波特率和奇偶校驗方式用戶可通過撥碼盤以固定參數的形式輸入，其它參數必須在程序中配置好。這些參數都必須和實際的監(jiān)控網參數及實際要求相統(tǒng)一，這樣該監(jiān)控分站才能正常運行。

3 現場調試

為了檢驗該監(jiān)控分站的通訊程序能否正常可靠的運行，程序編制好之后，可以利用支持Modbus RTU串口調試的軟件工具（如Modscan 32、Commix）進行通訊測試，這樣在實驗室就能確定程序能否可靠運行。

通過串口調試軟件Commix的現場通訊測試，可以確定該分站監(jiān)控軟件是可靠的，它能正確響應表2中的常用主站命令。例如當系統(tǒng)初始化完成時，該監(jiān)控分站的各回路電流整定值及系統(tǒng)電壓值的TP7的顯示畫面如圖2所示，此時利用Commix軟件所監(jiān)測的電流整定值和系統(tǒng)電壓值（十六進制顯示）與TP7畫面的顯示值完全一致，如圖3所示。該圖中的十六進制數0032和0096對應于50A和150A的電流整定值，而047C為系統(tǒng)電壓值大小。

以上說明該監(jiān)控分站的監(jiān)測功能是正確可靠的，而通過Commix串口調試軟件的現場監(jiān)控功能測試可知，該監(jiān)控分站的遠程監(jiān)控功能也是實時可靠的。例如利用寫多線圈命令（0FH）起動完六臺電機后，再停止（0FH）第二、三、四、六臺電機，停止這四臺電機的監(jiān)控畫面如圖4所示，此時該監(jiān)控分站的TP7顯示畫面如圖5所示。圖4中的十六進制數0011的低位字節(jié)為11，其二進制形式的低六位對應于六臺電機的起動和停止控制位（1：起動或保持運行；0：停止）。圖5的顯示內容說明該監(jiān)控分站的監(jiān)控功能也是實時、準確、可靠的。

該系統(tǒng)已成功應用于宏景塔三礦井下綜采工作面大型設備的監(jiān)測監(jiān)控，與其組網的是常州自動化所生產的KJ95系統(tǒng)?，F場調試結果表明，系統(tǒng)參數傳遞準確、實時性強，不僅可以實現運行設備狀態(tài)和參數的監(jiān)測功能，而且還能通過主干網絡實現設備的遠程控制。

4 結論

本文在煤礦井下綜采工作面大型設備現有集控系統(tǒng)的基礎上，根據煤礦安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出了基于Modbus總線的大型設備監(jiān)測監(jiān)控技術方案，對系統(tǒng)硬件進行了重新配置，編制了通訊程序?，F場運行結果表明，其硬件可靠、軟件編寫合理，能實時、準確的響應主站請求，實現了組合電器與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的無縫鏈接，達到了對大型設備遠程監(jiān)測監(jiān)控的目的，完全滿足煤礦井下的工控要求。

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