在大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有什么應(yīng)用？

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的一場(chǎng)變革。由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之-。目前，新建的連鑄機(jī)已經(jīng)開(kāi)始使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以在微機(jī)集控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通訊。

為了更大程度地提高礦井安全、迎合未來(lái)無(wú)人化工作面發(fā)展趨勢(shì)，煤礦井下綜采工作面大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。目前綜采工作面的大型設(shè)備如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等大都采用智能型組合電器進(jìn)行集中控制，但缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能。本文以HT6L1-400Z/1140智能型組合電器為研究對(duì)象，根據(jù)煤礦現(xiàn)有安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采用Modbus總線(xiàn)技術(shù)編制了通訊軟件，實(shí)現(xiàn)了組合電器與安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫鏈接，達(dá)到了對(duì)大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控的目的。

1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus通訊協(xié)議由Modican公司開(kāi)發(fā)，是當(dāng)今主流現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議之一。通過(guò)它，集控設(shè)備相互之間、集控設(shè)備經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通訊；通過(guò)它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控等。

1.1Modbus協(xié)議主要特點(diǎn)

Modbus協(xié)議有以下特點(diǎn)：

1）物理接口符合EIA-485規(guī)范；能組成主從訪(fǎng)問(wèn)的單主控制網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)簡(jiǎn)單的通訊報(bào)文完成對(duì)從節(jié)點(diǎn)的讀寫(xiě)操作；

2）當(dāng)主節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)即逐一訪(fǎng)問(wèn)從節(jié)點(diǎn)時(shí)，要求從節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)應(yīng)答信息；主節(jié)點(diǎn)也可以對(duì)網(wǎng)段上所有從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播通訊。

1.2 Modbus協(xié)議消息幀格式

Modbus通訊協(xié)議有兩種消息幀格式：

1）ASCII和RTU幀格式。ASCII消息以冒號(hào)字符開(kāi)始，以回車(chē)換行符結(jié)束，其它域使用的傳輸字符為十六進(jìn)制；

2）RTU消息則以傳遞一段空閑時(shí)間為開(kāi)始和結(jié)束，這段時(shí)間不小于3.5倍的字符發(fā)送時(shí)間T，一般取4T.

Modbus通訊協(xié)議定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)膱?bào)文幀格式，確定了將數(shù)據(jù)打包成報(bào)文幀以及解碼的方法。采用RTU格式的Modbus通訊協(xié)議報(bào)文幀格式如表l所示。

表1.Modbus通訊協(xié)議的RTU報(bào)文幀格式

1.3RTU幀中各功能塊作用

RTU幀中各功能塊作用如下：

1）地址域：地址域?yàn)楸徊樵?xún)的從節(jié)點(diǎn)地址，它所表示的從節(jié)點(diǎn)有效地址范圍為0~247，其中0表示廣播地址。

2）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(hù)功能擴(kuò)展使用。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如功能編碼03H為讀寄存器（內(nèi)部字變量），用于讀取從節(jié)點(diǎn)的寄存器值。

3）數(shù)據(jù)域：數(shù)據(jù)域包括本幀數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)字節(jié)l~n，這些數(shù)據(jù)可以是I/O值、狀態(tài)數(shù)據(jù)或其它測(cè)量控制信息。

4）CRC校驗(yàn)域：在Modbus通訊協(xié)議中的RTU幀校驗(yàn)通常采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。整個(gè)信息幀以連續(xù)的數(shù)據(jù)位流進(jìn)行傳輸，CRC校驗(yàn)從地址域開(kāi)始對(duì)報(bào)文幀的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

從站識(shí)別主站按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要執(zhí)行何種操作。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通訊，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)；主設(shè)備也能以廣播方式和所有從設(shè)備通訊，此時(shí)從設(shè)備不作任何回應(yīng)。從節(jié)點(diǎn)的正常應(yīng)答是發(fā)送相同的報(bào)文幀，以便讓主節(jié)點(diǎn)確認(rèn)。如果有錯(cuò)誤，功能代碼將被修改以指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤校驗(yàn)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1綜采工作面的集中控制

目前，我國(guó)大部分綜采工作面的大型設(shè)備都采用智能型組合電器進(jìn)行集中控制，其中HT6L1-400Z/1140智能型組合開(kāi)關(guān)是應(yīng)用較為廣泛的一種，它可以對(duì)綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等進(jìn)行集中控制和保護(hù)。盡管該組合開(kāi)關(guān)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(xiàn)有安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控主干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。以Modbus總線(xiàn)技術(shù)為監(jiān)測(cè)監(jiān)控主干網(wǎng)的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下所占比例比較高，為了兼容Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，組合電器中的PLC（監(jiān)控分站）在對(duì)工作面電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控的同時(shí)必須支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，即該監(jiān)控分站對(duì)各個(gè)電機(jī)回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)的同時(shí)，還能響應(yīng)主站的輪詢(xún)，將各負(fù)載的電壓、電流、運(yùn)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(qiáng)制多線(xiàn)圈命令（功能碼為十六進(jìn)制數(shù)0F）、寫(xiě)多個(gè)寄存器命令（功能碼為十六進(jìn)制數(shù)10）等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的測(cè)控系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制方式轉(zhuǎn)換、漢字顯示和PLC組成，可以獨(dú)立完成對(duì)六路負(fù)荷的控制與保護(hù)。該測(cè)控系統(tǒng)能完成漏電閉鎖、過(guò)載、短路、斷相、欠壓和過(guò)壓等保護(hù)功能，其先導(dǎo)回路為本質(zhì)安全型電路。它有單回路獨(dú)立控制、多回路程序控制、單機(jī)雙速控制和雙機(jī)雙速控制四種運(yùn)行方式，具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

為了提高監(jiān)控軟件的通用性，使操作人員可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況手動(dòng)設(shè)置該監(jiān)控分站的通訊參數(shù)，避免因網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化而不得不修改軟件，設(shè)計(jì)了通訊參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式、從站地址等）的撥碼盤(pán)輸入電路。通訊參數(shù)的輸入需要五片撥碼盤(pán)來(lái)完成，其中前三片用來(lái)設(shè)置站地址1~247;第四片設(shè)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(lái)設(shè)置奇偶校驗(yàn)方式（0~2分別代表無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)）。此外，為了禁止異地同時(shí)對(duì)綜采工作面大型設(shè)備操作，避免意外事故的發(fā)生，在該智能型組合開(kāi)關(guān)的測(cè)控系統(tǒng)中增加一轉(zhuǎn)換接點(diǎn)，用它提供的兩種互斥狀態(tài)分別作為現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制的使能標(biāo)志，這樣就避免了現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制同時(shí)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(mén)子S7-200 PLC（CPU 226）［3］，只要編制相應(yīng)的通訊軟件，就能很好的支持Modbus協(xié)議，進(jìn)而與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。在這種情況下，CPU 226僅有端口Port0支持Modbus遠(yuǎn)程通訊協(xié)議［4］，而端口Port1用于與測(cè)控系統(tǒng)中液晶顯示器TP7的通訊。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

通訊軟件是在STEP7-Micro/WIN編程軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)的，其指令庫(kù)包含專(zhuān)為Modbus通訊設(shè)計(jì)的子程序和中斷服務(wù)程序［4］，使得測(cè)控系統(tǒng)通訊軟件的編制簡(jiǎn)單易行［5］。

2.3.1 軟件編制

HT6L1-400Z/1140智能型組合開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)本身無(wú)論是硬件還是軟件都已經(jīng)很成熟，并且其本身智能化程度比較高，也有支持上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控的硬件基礎(chǔ)，所以如何把監(jiān)控程序很好地融合于測(cè)控系統(tǒng)的軟件中是本分站軟件編制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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(guò)液晶顯示器TP7的整定值顯示畫(huà)面查看通訊參數(shù)及電流整定值的正確與否。該Modbus通訊程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)并響應(yīng)主站請(qǐng)求，一方面向主站上傳各被控電機(jī)的工況參數(shù)，包括運(yùn)行方式、分合閘狀態(tài)、電流、電壓、故障狀態(tài)及故障參數(shù)等；另一方面該監(jiān)控分站還支持主站的控制命令，如強(qiáng)制單線(xiàn)圈或多線(xiàn)圈、寫(xiě)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(duì)通訊程序塊進(jìn)行組態(tài)，包括符號(hào)表組態(tài)、通訊數(shù)據(jù)區(qū)配置和指令參數(shù)的配置等，否則它就不是一個(gè)統(tǒng)一的整體。

符號(hào)表組態(tài)是對(duì)通訊程序的符號(hào)表分配780個(gè)字節(jié)的V區(qū)地址空間，它不能與通訊數(shù)據(jù)區(qū)有任何重疊。

通訊數(shù)據(jù)區(qū)配置就是對(duì)需要上傳的電壓、電流、系統(tǒng)狀態(tài)及故障信息等參數(shù)存儲(chǔ)空間的配置。該分站需要分配20個(gè)字空間來(lái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)這些參數(shù)，包括六路整定電流、系統(tǒng)狀態(tài)、系統(tǒng)電壓、六路運(yùn)行狀態(tài)及六路工作電流，具體的存儲(chǔ)格式如表3所示。考慮到將來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)容，該通訊數(shù)據(jù)區(qū)留有一定的裕度，這里實(shí)際分配了32個(gè)字空間。

表3. 通訊數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

指令參數(shù)的配置就是對(duì)通訊指令中的一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，包括Modbus從站地址、通訊波特率、奇偶校驗(yàn)選擇、附加字符間延時(shí)、最大I/Q、最大AI、最大數(shù)據(jù)區(qū)等的設(shè)置。其中從站地址、通訊波特率和奇偶校驗(yàn)方式用戶(hù)可通過(guò)撥碼盤(pán)以固定參數(shù)的形式輸入，其它參數(shù)必須在程序中配置好。這些參數(shù)都必須和實(shí)際的監(jiān)控網(wǎng)參數(shù)及實(shí)際要求相統(tǒng)一，這樣該監(jiān)控分站才能正常運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

為了檢驗(yàn)該監(jiān)控分站的通訊程序能否正常可靠的運(yùn)行，程序編制好之后，可以利用支持Modbus RTU串口調(diào)試的軟件工具（如Modscan 32、Commix）進(jìn)行通訊測(cè)試，這樣在實(shí)驗(yàn)室就能確定程序能否可靠運(yùn)行。

通過(guò)串口調(diào)試軟件Commix的現(xiàn)場(chǎng)通訊測(cè)試，可以確定該分站監(jiān)控軟件是可靠的，它能正確響應(yīng)表2中的常用主站命令。例如當(dāng)系統(tǒng)初始化完成時(shí)，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(huà)面如圖2所示，此時(shí)利用Commix軟件所監(jiān)測(cè)的電流整定值和系統(tǒng)電壓值（十六進(jìn)制顯示）與TP7畫(huà)面的顯示值完全一致，如圖3所示。該圖中的十六進(jìn)制數(shù)0032和0096對(duì)應(yīng)于50A和150A的電流整定值，而047C為系統(tǒng)電壓值大小。

以上說(shuō)明該監(jiān)控分站的監(jiān)測(cè)功能是正確可靠的，而通過(guò)Commix串口調(diào)試軟件的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能測(cè)試可知，該監(jiān)控分站的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能也是實(shí)時(shí)可靠的。例如利用寫(xiě)多線(xiàn)圈命令（0FH）起動(dòng)完六臺(tái)電機(jī)后，再停止（0FH）第二、三、四、六臺(tái)電機(jī)，停止這四臺(tái)電機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示，此時(shí)該監(jiān)控分站的TP7顯示畫(huà)面如圖5所示。圖4中的十六進(jìn)制數(shù)0011的低位字節(jié)為11，其二進(jìn)制形式的低六位對(duì)應(yīng)于六臺(tái)電機(jī)的起動(dòng)和停止控制位（1：起動(dòng)或保持運(yùn)行；0：停止）。圖5的顯示內(nèi)容說(shuō)明該監(jiān)控分站的監(jiān)控功能也是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于宏景塔三礦井下綜采工作面大型設(shè)備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，與其組網(wǎng)的是常州自動(dòng)化所生產(chǎn)的KJ95系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)參數(shù)傳遞準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，而且還能通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)論

本文在煤礦井下綜采工作面大型設(shè)備現(xiàn)有集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，做出了對(duì)Modbus總線(xiàn)的大型設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的研究，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了重新配置，編制了通訊程序。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，它所具備的單個(gè)分散的被控設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，把所有被控設(shè)備連接成可以相互溝通信息、共同完成自動(dòng)控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有分散控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約硬件設(shè)備、易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)以及其硬件可靠、軟件編寫(xiě)合理，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的響應(yīng)主站請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)了組合電器與安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫鏈接，達(dá)到了對(duì)大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控的目的，滿(mǎn)足了煤礦井下的工控要求。