基于MODBUS現(xiàn)場總線的大型設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究

　　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(yīng)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(luò)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)，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(wǎng)絡(luò)；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(yīng)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(luò)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(yīng)；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(yīng)。從節(jié)點的正常應(yīng)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(yīng)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(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

　　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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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。