基于MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的大型設備監控系統的研究

　　2 系統設計

　　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、轉載機等進(jìn)行集中控制和保護。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，更不能與現有安全生產(chǎn)監測監控主干網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠程控制。以Modbus總線(xiàn)技術(shù)為監測監控主干網(wǎng)的安全生產(chǎn)監測監控系統在煤礦井下所占比例比較高，為了兼容Modbus現場(chǎng)總線(xiàn)，組合電器中的PLC（監控分站）在對工作面電氣設備進(jìn)行集中監控的同時(shí)必須支持遠程監測與控制，即該監控分站對各個(gè)電機回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、控制和保護的同時(shí)，還能響應主站的輪詢(xún)，將各負載的電壓、電流、運行狀態(tài)及故障信息上傳；此外該監控分站還支持主站的控制命令，如強制多線(xiàn)圈命令（功能碼為十六進(jìn)制數0F）、寫(xiě)多個(gè)寄存器命令（功能碼為十六進(jìn)制數10）等。

　　2.2 硬件設計

　　HT6L1-400Z/1140智能型組合電器的測控系統由信號檢測、信號采集、信號處理、控制方式轉換、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。該測控系統能完成漏電閉鎖、過(guò)載、短路、斷相、欠壓和過(guò)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、性能穩定、動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。

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

　　2.3 軟件設計

　　通訊軟件是在STEP7-Micro/WIN編程軟件環(huán)境下設計的，其指令庫包含專(zhuān)為Modbus通訊設計的子程序和中斷服務(wù)程序[4],使得測控系統通訊軟件的編制簡(jiǎn)單易行[5].

　　2.3.1 軟件編制

　　HT6L1-400Z/1140智能型組合開(kāi)關(guān)測控系統本身無(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，也有支持上位機遠程監測監控的硬件基礎，所以如何把監控程序很好地融合于測控系統的軟件中是本分站軟件編制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　監控分站的軟件流程圖如圖1所示。初始化包括原系統軟硬件初始化和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)面查看通訊參數及電流整定值的正確與否。該Modbus通訊程序實(shí)時(shí)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，包括運行方式、分合閘狀態(tài)、電流、電壓、故障狀態(tài)及故障參數等；另一方面該監控分站還支持主站的控制命令，如強制單線(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(jìn)行組態(tài)，包括符號表組態(tài)、通訊數據區配置和指令參數的配置等，否則它就不是一個(gè)統一的整體。

　　符號表組態(tài)是對通訊程序的符號表分配780個(gè)字節的V區地址空間，它不能與通訊數據區有任何重疊。

　　通訊數據區配置就是對需要上傳的電壓、電流、系統狀態(tài)及故障信息等參數存儲空間的配置。該分站需要分配20個(gè)字空間來(lái)實(shí)時(shí)存儲這些參數，包括六路整定電流、系統狀態(tài)、系統電壓、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?？紤]到將來(lái)系統的擴容，該通訊數據區留有一定的裕度，這里實(shí)際分配了32個(gè)字空間。