采用现场总线技术实现大型设备远程监测系统的应用方案
作者：耿蒲龙，宋建成
现场总线技术是当今自动化技术研究的热点之一，它应用于工业现场可以在微机集控设备之间实现双向串行多节点数字通讯。它把单个分散的被控设备作为网络节点，以现场总线为纽带，把所有被控设备连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统，具有分散控制、系统结构简单、节约硬件设备、易于安装维护等优点。
为了更大程度地提高矿井安全、迎合未来无人化工作面发展趋势，煤矿井下综采工作面大型设备远程监测监控功能的实现至关重要。目前综采工作面的大型设备如采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机等大都采用智能型组合电器进行集中控制，但缺乏远程监测监控功能。本文以HT6L1-400Z/1140智能型组合电器为研究对象，根据煤矿现有安全生产监测监控系统的网络特点，采用Modbus总线技术编制了通讯软件，实现了组合电器与安全监测监控系统的无缝链接，达到了对大型设备远程监测监控的目的。
1 Modbus协议简介
Modbus通讯协议由Modican公司开发，是当今主流现场总线协议之一。通过它，集控设备相互之间、集控设备经由网络和其它设备之间可以通讯；通过它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业控制网络，进行集中监控等。该协议有以下特点［1-2］：物理接口符合EIA-485规范；能组成主从访问的单主控制网络；通过简单的通讯报文完成对从节点的读写操作；当主节点轮询即逐一访问从节点时，要求从节点返回一个应答信息；主节点也可以对网段上所有从节点进行广播通讯。
Modbus通讯协议有两种消息帧格式：ASCII和RTU帧格式。ASCII消息以冒号字符开始，以回车换行符结束，其它域使用的传输字符为十六进制；RTU消息则以传递一段空闲时间为开始和结束，这段时间不小于3.5倍的字符发送时间T，一般取4T。
Modbus通讯协议定义了在这些网络上连续传输的报文帧格式，确定了将数据打包成报文帧以及解码的方法。采用RTU格式的Modbus通讯协议报文帧格式如表l所示。
表1.Modbus通讯协议的RTU报文帧格式
RTU帧中各功能块作用如下：
地址域：地址域为被查询的从节点地址，它所表示的从节点有效地址范围为0～247，其中0表示广播地址。
功能域：功能域的代码范围是1～255。有些代码适用于所有控制器，有些代码用于特定控制器，还有些保留以备用户功能扩展使用。当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如功能编码03H为读寄存器（内部字变量），用于读取从节点的寄存器值。
CRC校验域：在Modbus通讯协议中的RTU帧校验通常采用CRC循环冗余校验。整个信息帧以连续的数据位流进行传输，CRC校验从地址域开始对报文帧的所有数据进行校验。
从站识别主站按地址发来的消息，决定要执行何种操作。主设备可单独和从设备通讯，从设备返回一消息作为回应；主设备也能以广播方式和所有从设备通讯，此时从设备不作任何回应。从节点的正常应答是发送相同的报文帧，以便让主节点确认。如果有错误，功能代码将被修改以指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误校验域允许主设备确认消息内容是否可用。在配置每个控制器的时候，一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。
2 系统设计
2.1综采工作面的集中控制
目前，我国大部分综采工作面的大型设备都采用智能型组合电器进行集中控制，其中HT6L1-400Z/1140智能型组合开关是应用较为广泛的一种，它可以对综采工作面的采煤机、刮板输送机、转载机等进行集中控制和保护。尽管该组合开关中的S7-200 PLC具有RS485接口，但它并不具备通讯功能，更不能与现有安全生产监测监控主干网联网进行远程控制。以Modbus总线技术为监测监控主干网的安全生产监测监控系统在煤矿井下所占比例比较高，为了兼容Modbus现场总线，组合电器中的PLC（监控分站）在对工作面电气设备进行集中监控的同时必须支持远程监测与控制，即该监控分站对各个电机回路进行实时监测、控制和保护的同时，还能响应主站的轮询，将各负载的电压、电流、运行状态及故障信息上传；此外该监控分站还支持主站的控制命令，如强制多线圈命令（功能码为十六进制数0F）、写多个寄存器命令（功能码为十六进制数10）等。
2.2 硬件设计
HT6L1-400Z/1140智能型组合电器的测控系统由信号检测、信号采集、信号处理、控制方式转换、汉字显示和PLC组成，可以独立完成对六路负荷的控制与保护。该测控系统能完成漏电闭锁、过载、短路、断相、欠压和过压等保护功能，其先导回路为本质安全型电路。它有单回路独立控制、多回路程序控制、单机双速控制和双机双速控制四种运行方式，具有智能化程度高、性能稳定、动作可靠等优点。
为了提高监控软件的通用性，使操作人员可以根据网络实际情况手动设置该监控分站的通讯参数，避免因网络参数变化而不得不修改软件，设计了通讯参数（波特率、校验方式、从站地址等）的拨码盘输入电路。通讯参数的输入需要五片拨码盘来完成，其中前三片用来设置站地址1～247；第四片设置波特率（0～7分别代表1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200（bps）等八种波特率）；最后一片用来设置奇偶校验方式（0～2分别代表无校验、奇校验、偶校验）。此外，为了禁止异地同时对综采工作面大型设备操作，避免意外事故的发生，在该智能型组合开关的测控系统中增加一转换接点，用它提供的两种互斥状态分别作为现场控制与远程控制的使能标志，这样就避免了现场控制和远程控制同时有效的可能。
HT6L1-400Z/1140智能型组合电器的中央处理单元为西门子S7-200 PLC（CPU226），只要编制相应的通讯软件，就能很好的支持Modbus协议，进而与上位机实现通讯。在这种情况下，CPU 226仅有端口Port0支持Modbus远程通讯协议，而端口Port1用于与测控系统中液晶显示器TP7的通讯。
2.3 软件设计
通讯软件是在STEP7-Micro/WIN编程软件环境下设计的，其指令库包含专为Modbus通讯设计的子程序和中断服务程序，使得测控系统通讯软件的编制简单易行。
2.3.1 软件编制
HT6L1-400Z/1140智能型组合开关测控系统本身无论是硬件还是软件都已经很成熟，并且其本身智能化程度比较高，也有支持上位机远程监测监控的硬件基础，所以如何把监控程序很好地融合于测控系统的软件中是本分站软件编制的重点和难点。
监控分站的软件流程图如图1所示。初始化包括原系统软硬件初始化和Modbus通讯初始化，通讯初始化在程序中只需要执行一次。初始化完成后，操作者可以通过液晶显示器TP7的整定值显示画面查看通讯参数及电流整定值的正确与否。该Modbus通讯程序实时检测并响应主站请求，一方面向主站上传各被控电机的工况参数，包括运行方式、分合闸状态、电流、电压、故障状态及故障参数等；另一方面该监控分站还支持主站的控制命令，如强制单线圈或多线圈、写单寄存器或多寄存器命令等。该监控分站支持的主站命令如表2所示。
表2. 该分站支持的主站命令
2.3.2 软件组态
用STEP7-Micro/WIN编制完程序后，还需要对通讯程序块进行组态，包括符号表组态、通讯数据区配置和指令参数的配置等，否则它就不是一个统一的整体。
符号表组态是对通讯程序的符号表分配780个字节的V区地址空间，它不能与通讯数据区有任何重叠。
通讯数据区配置就是对需要上传的电压、电流、系统状态及故障信息等参数存储空间的配置。该分站需要分配20个字空间来实时存储这些参数，包括六路整定电流、系统状态、系统电压、六路运行状态及六路工作电流，具体的存储格式如表3所示。考虑到将来系统的扩容，该通讯数据区留有一定的裕度，这里实际分配了32个字空间。
表3. 通讯数据区数据存储格式
指令参数的配置就是对通讯指令中的一些关键参数的设置，包括Modbus从站地址、通讯波特率、奇偶校验选择、附加字符间延时、最大I/Q、最大AI、最大数据区等的设置。其中从站地址、通讯波特率和奇偶校验方式用户可通过拨码盘以固定参数的形式输入，其它参数必须在程序中配置好。这些参数都必须和实际的监控网参数及实际要求相统一，这样该监控分站才能正常运行。
3 现场调试
为了检验该监控分站的通讯程序能否正常可靠的运行，程序编制好之后，可以利用支持Modbus RTU串口调试的软件工具（如Modscan 32、Commix）进行通讯测试，这样在实验室就能确定程序能否可靠运行。
通过串口调试软件Commix的现场通讯测试，可以确定该分站监控软件是可靠的，它能正确响应表2中的常用主站命令。例如当系统初始化完成时，该监控分站的各回路电流整定值及系统电压值的TP7的显示画面如图2所示，此时利用Commix软件所监测的电流整定值和系统电压值（十六进制显示）与TP7画面的显示值完全一致，如图3所示。该图中的十六进制数0032和0096对应于50A和150A的电流整定值，而047C为系统电压值大小。
以上说明该监控分站的监测功能是正确可靠的，而通过Commix串口调试软件的现场监控功能测试可知，该监控分站的远程监控功能也是实时可靠的。例如利用写多线圈命令（0FH）起动完六台电机后，再停止（0FH）第二、三、四、六台电机，停止这四台电机的监控画面如图4所示，此时该监控分站的TP7显示画面如图5所示。图4中的十六进制数0011的低位字节为11，其二进制形式的低六位对应于六台电机的起动和停止控制位（1：起动或保持运行；0：停止）。图5的显示内容说明该监控分站的监控功能也是实时、准确、可靠的。
该系统已成功应用于宏景塔三矿井下综采工作面大型设备的监测监控，与其组网的是常州自动化所生产的KJ95系统。现场调试结果表明，系统参数传递准确、实时性强，不仅可以实现运行设备状态和参数的监测功能，而且还能通过主干网络实现设备的远程控制。
4 结论
本文在煤矿井下综采工作面大型设备现有集控系统的基础上，根据煤矿安全生产监测监控系统的特点，提出了基于Modbus总线的大型设备监测监控技术方案，对系统硬件进行了重新配置，编制了通讯程序。现场运行结果表明，其硬件可靠、软件编写合理，能实时、准确的响应主站请求，实现了组合电器与安全监测监控系统的无缝链接，达到了对大型设备远程监测监控的目的，完全满足煤矿井下的工控要求。
