采用Modbus總線技術(shù)實現(xiàn)組合電器與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的鏈接設(shè)計

現(xiàn)場總線技術(shù)是當今自動化技術(shù)研究的熱點之一，它應用于工業(yè)現(xiàn)場可以在微機集控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通訊。它把單個分散的被控設(shè)備作為網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把所有被控設(shè)備連接成可以相互溝通信息、共同完成自動控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有分散控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約硬件設(shè)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(shè)備遠程監(jiān)測監(jiān)控功能的實現(xiàn)至關(guān)重要。目前綜采工作面的大型設(shè)備如采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)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(jù)煤礦現(xiàn)有安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡特點，采用Modbus總線技術(shù)編制了通訊軟件，實現(xiàn)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(shè)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(xiàn)場總線協(xié)議之一。通過它，集控設(shè)備相互之間、集控設(shè)備經(jīng)由網(wǎng)絡和其它設(shè)備之間可以通訊；通過它，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，進行集中監(jiān)控等。該協(xié)議有以下特點：物理接口符合EIA-485規(guī)范；能組成主從訪問的單主控制網(wǎng)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(wǎng)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(jié)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(jié)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(wǎng)絡上連續(xù)傳輸?shù)膱笪膸袷?，確定了將數(shù)據(jù)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(shè)備發(fā)往從設(shè)備時，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)點的寄存器值。

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(shù)據(jù)位流進行傳輸，CRC校驗從地址域開始對報文幀的所有數(shù)據(jù)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(shè)備可單獨和從設(shè)備通訊，從設(shè)備返回一消息作為回應；主設(shè)備也能以廣播方式和所有從設(shè)備通訊，此時從設(shè)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(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤校驗域允許主設(shè)備確認消息內(nèi)容是否可用。在配置每個控制器的時候，一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設(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

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(shè)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(guān)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(zhuǎn)載機等進行集中控制和保護。盡管該組合開關(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)測監(jiān)控主干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制。以Modbus總線技術(shù)為監(jiān)測監(jiān)控主干網(wǎng)的安全生產(chǎn)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(xiàn)場總線，組合電器中的PLC（監(jiān)控分站）在對工作面電氣設(shè)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(shù)0F）、寫多個寄存器命令（功能碼為十六進制數(shù)10）等。

2.2 硬件設(shè)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(zhuǎn)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(zhì)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(jù)網(wǎng)絡實際情況手動設(shè)置該監(jiān)控分站的通訊參數(shù)，避免因網(wǎng)絡參數(shù)變化而不得不修改軟件，設(shè)計了通訊參數(shù)（波特率、校驗方式、從站地址等）的撥碼盤輸入電路。通訊參數(shù)的輸入需要五片撥碼盤來完成，其中前三片用來設(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）；最后一片用來設(shè)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(shè)備操作，避免意外事故的發(fā)生，在該智能型組合開關(guān)的測控系統(tǒng)中增加一轉(zhuǎn)換接點，用它提供的兩種互斥狀態(tài)分別作為現(xiàn)場控制與遠程控制的使能標志，這樣就避免了現(xiàn)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(xiàn)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(shè)計

通訊軟件是在STEP7-Micro/WIN編程軟件環(huán)境下設(shè)計的，其指令庫包含專為Modbus通訊設(shè)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(guān)測控系統(tǒng)本身無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，也有支持上位機遠程監(jiān)測監(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(shù)及電流整定值的正確與否。該Modbus通訊程序?qū)崟r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(shù)，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(shù)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(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(shù)據(jù)區(qū)有任何重疊。

通訊數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)，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。考慮到將來系統(tǒng)的擴容，該通訊數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)存儲格式

指令參數(shù)的配置就是對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、奇偶校驗選擇、附加字符間延時、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方式用戶可通過撥碼盤以固定參數(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)都必須和實際的監(jiān)控網(wǎng)參數(shù)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(xiàn)場調(diào)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(diào)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(diào)試軟件Commix的現(xiàn)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(shù)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(diào)試軟件的現(xiàn)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(shù)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(nèi)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(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控，與其組網(wǎng)的是常州自動化所生產(chǎn)的KJ95系統(tǒng)。現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)參數(shù)傳遞準確、實時性強，不僅可以實現(xiàn)運行設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)測功能，而且還能通過主干網(wǎng)絡實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制。

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)測監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出了基于Modbus總線的大型設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)方案，對系統(tǒng)硬件進行了重新配置，編制了通訊程序?，F(xiàn)場運行結(jié)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(xiàn)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(shè)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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