基于MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的大型設備監測監控系統的研究

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當今自動(dòng)化技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，它應用于工業(yè)現場(chǎng)可以在微機集控設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通訊。它把單個(gè)分散的被控設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，以現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，把所有被控設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，具有分散控制、系統結構簡(jiǎn)單、節約硬件設備、易于安裝維護等優(yōu)點(diǎn)。

　　為了更大程度地提高礦井安全、迎合未來(lái)無(wú)人化工作面發(fā)展趨勢，煤礦井下綜采工作面大型設備遠程監測監控功能的實(shí)現至關(guān)重要。目前綜采工作面的大型設備如采煤機、刮板輸送機、破碎機、轉載機等大都采用智能型組合電器進(jìn)行集中控制，但缺乏遠程監測監控功能。本文以HT6L1-400Z/1140智能型組合電器為研究對象，根據煤礦現有安全生產(chǎn)監測監控系統的網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，采用Modbus總線(xiàn)技術(shù)編制了通訊軟件，實(shí)現了組合電器與安全監測監控系統的無(wú)縫鏈接，達到了對大型設備遠程監測監控的目的。

　　1 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

　　Modbus通訊協(xié)議由Modican公司開(kāi)發(fā)，是當今主流現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議之一。通過(guò)它，集控設備相互之間、集控設備經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )和其它設備之間可以通訊；通過(guò)它，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中監控等。該協(xié)議有以下特點(diǎn)[1-2]：物理接口符合EIA-485規范；能組成主從訪(fǎng)問(wèn)的單主控制網(wǎng)絡(luò )；通過(guò)簡(jiǎn)單的通訊報文完成對從節點(diǎn)的讀寫(xiě)操作；當主節點(diǎn)輪詢(xún)即逐一訪(fǎng)問(wèn)從節點(diǎn)時(shí)，要求從節點(diǎn)返回一個(gè)應答信息；主節點(diǎn)也可以對網(wǎng)段上所有從節點(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消息以冒號字符開(kāi)始，以回車(chē)換行符結束，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(kāi)始和結束，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 )上連續傳輸的報文幀格式，確定了將數據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(xún)的從節點(diǎn)地址，它所表示的從節點(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(hù)功能擴展使用。當消息從主設備發(fā)往從設備時(shí)，功能代碼域將告之從設備需要執行哪些行為。例如功能編碼03H為讀寄存器(內部字變量)，用于讀取從節點(diǎn)的寄存器值。

　　數據域：數據域包括本幀數據域的字節數量、數據字節l～n，這些數據可以是I/O值、狀態(tài)數據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(gè)信息幀以連續的數據位流進(jìn)行傳輸，CRC校驗從地址域開(kāi)始對報文幀的所有數據進(jìn)行校驗。

　　從站識別主站按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要執行何種操作。主設備可單獨和從設備通訊，從設備返回一消息作為回應；主設備也能以廣播方式和所有從設備通訊，此時(shí)從設備不作任何回應。從節點(diǎn)的正常應答是發(fā)送相同的報文幀，以便讓主節點(diǎn)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(shí)數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤校驗域允許主設備確認消息內容是否可用。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò )上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。

　　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)。