基于MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的大型設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，它應(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。它把單個(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)。

　　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(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公司開發(fā)，是當(dāng)今主流現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行集中監(jiān)控等。該協(xié)議有以下特點(diǎn)[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(jiǎn)單的通訊報(bào)文完成對(duì)從節(jié)點(diǎn)的讀寫操作；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)輪詢即逐一訪問從節(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。

　　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(hào)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(jìn)制；RTU消息則以傳遞一段空閑時(shí)間為開始和結(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

　　RTU幀中各功能塊作用如下：

　　地址域：地址域?yàn)楸徊樵兊膹墓?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。

　　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(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。

　　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。

　　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，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，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)制多線圈命令（功能碼為十六進(jìn)制數(shù)0F）、寫多個(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、過載、短路、斷相、欠壓和過壓等保護(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)。