基于RS-485總線的采掘設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

程鳳霞

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳感器不斷涌現(xiàn)，并越來越多地應(yīng)用在煤礦采掘設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中，為提高煤礦設(shè)備的智能化水平提供了強有力的硬件支撐。為了適應(yīng)不同輸出信號的傳感器參數(shù)采集，整個電氣控制系統(tǒng)也變得越來越龐大，內(nèi)外部線纜越來越繁雜，隨即增加了系統(tǒng)工作的故障點，給整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性帶來了不利的影響。針對煤機設(shè)備技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的這一問題，設(shè)計了一套信息采集、顯示、存儲系統(tǒng)，既簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又進一步促進了煤機設(shè)備向智能化、數(shù)字化、綠色化的方向轉(zhuǎn)型，為實現(xiàn)無人化、機械化施工打下了堅實的基礎(chǔ)[1-2]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)由主控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、防爆顯示器和多個傳感器組成[3-4]，如圖1所示。該系統(tǒng)中有甲烷、壓力、溫度、液位、水流、風流、風速等不同類型的傳感器，其輸出信號多種多樣，涵蓋了電阻、電流、電壓、脈沖、開關(guān)量、Modbus RTU等大多數(shù)通用的輸出信號類型。數(shù)據(jù)采集單元可實現(xiàn)對不同輸出信號的多個傳感器信息的采集，與主控PLC之間根據(jù)Modbus RTU協(xié)議通過RS-485總線通信。顯示單元與PLC之間根據(jù)Modbus TCP協(xié)議通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口通信，在顯示界面直觀顯示監(jiān)測系統(tǒng)的各參數(shù)信息。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理

1.2 系統(tǒng)原理

由圖1看出，單個數(shù)據(jù)采集器可以實現(xiàn)對8路信號的采集。監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)所需監(jiān)測參數(shù)的多少，自由配置數(shù)據(jù)采集器，組建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。RS-485總線式信號可有效減少PLC的AI、I/O使用點數(shù)，簡化主控單元的結(jié)構(gòu)。因此，該監(jiān)測系統(tǒng)采用多路信號的輸入及1路Modbus RTU信號的輸出，可實現(xiàn)基于多個信號的復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的運行。

2 總線設(shè)計

2.1 Modbus RTU總線

主控制器與數(shù)據(jù)采集器通過RS-485總線連接[5-7]，如圖2所示。主控制器與數(shù)據(jù)采集器通過Modbus RTU協(xié)議通信，主控制器作為Modbus主站，數(shù)據(jù)采集器作為Modbus從站。各數(shù)據(jù)采集器作為從站節(jié)點串接入RS-485總線網(wǎng)絡(luò)中，終端匹配120 Ω的終端電阻。為了保障通信的穩(wěn)定，選用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，并將屏蔽線單點接地來抑制共模干擾。由于系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大，有的數(shù)據(jù)采集器分布較遠，偶爾會出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，故系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時接入RS-485中繼器，延伸了網(wǎng)絡(luò)的通信距離，增強了信號的強度，同時也增強了RS-485系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

圖2 控制器與多個數(shù)據(jù)采集器電氣連接示意圖

2.2 Modbus TCP總線

主控制器通過RJ45接口與顯示器連接，主控制器與顯示器之間采用Modbus TCP協(xié)議通信。Modbus TCP協(xié)議是 Modbus協(xié)議的一種表現(xiàn)形式。將Modbus RTU幀以一種簡單方式嵌入到TCP幀中，使其成為工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)對采煤設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的上傳。設(shè)計中，主控制器作為從站功能的Server端，顯示器作為主站功能的Client端。

3 TwinCAT軟件設(shè)計

TwinCAT是由德國BeckHoff公司開發(fā)的基于PC平臺和Windows操作系統(tǒng)的控制軟件，是以 IEC 61131—3國際標準為基礎(chǔ)設(shè)計的工業(yè)化自動控制系統(tǒng)的軟件，能把工業(yè)PC或嵌入式PC變成一個功能強大的PLC或Motion Controller控制生產(chǎn)設(shè)備。TwinCAT是一套純軟件的控制器，完全利用PC標配的硬件實現(xiàn)邏輯控制和運動控制。

3.1 初始化

利用TwinCAT軟件編寫系統(tǒng)控制程序前，必須要進行一些參數(shù)的設(shè)置:

1) 根據(jù)所選用的控制器具體型號，在軟件設(shè)置中選擇目標系統(tǒng)類型，如在該項目設(shè)計中使用CX8050控制器，對應(yīng)目標系統(tǒng)類型為CX(ARM)。

2) 根據(jù)控制參數(shù)在系統(tǒng)控制中的重要程度，在不同的任務(wù)中，每個項目最多可設(shè)4個任務(wù)，每個任務(wù)單獨設(shè)定循環(huán)時間，時間越短，優(yōu)先級越高。本項目設(shè)計中數(shù)據(jù)采集單元采集的參數(shù)信息為關(guān)鍵，參數(shù)能否實時地被采集到直接決定了系統(tǒng)控制實時性是否滿足，故將采集參數(shù)的RS-485通信程序設(shè)定為高優(yōu)先級，系統(tǒng)控制及顯示等相關(guān)程序設(shè)定為次高優(yōu)先級。

3) 為確保通信正常，必須就串行端口工作方式、通信速率及數(shù)據(jù)幀格式等內(nèi)容對通信接口進行正確配置。本項目基于RS-485接口的Modbus RTU通信參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 通信參數(shù)設(shè)定

4) 自定義變量、定義通信功能模塊而自動生成的通信變量與Process Data之間建立正確的映射。

3.2 數(shù)據(jù)采集及PLC RS-485總線通信

各傳感器信號被數(shù)據(jù)采集器采集后，將采集數(shù)據(jù)放置到采集器CPU的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)采集器執(zhí)行BeckHoff PLC的指令將數(shù)據(jù)發(fā)給PLC。PLC再把數(shù)據(jù)放到定義的內(nèi)存地址中，定義全局變量名，從而方便程序調(diào)用。

由于采掘設(shè)備的系統(tǒng)復(fù)雜，監(jiān)測監(jiān)控點數(shù)很多，需對數(shù)據(jù)采集器設(shè)置不同的ID，通過Modbus RTU協(xié)議與BeckHoff PLC進行通信。BeckHoff PLC作為RS-485通信的主站，調(diào)用TwinCAT自帶庫文件中的串行總線端子Modbus RTU主站功能塊，從而方便基于Modbus RTU協(xié)議的通信程序的編寫。

功能塊函數(shù)MODBUSRTUMASTER_KL6X22B功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。此功能塊可實現(xiàn)主站對從站的信息讀寫雙向操作，而該系統(tǒng)程序設(shè)計中只涉及到對數(shù)據(jù)采集從站數(shù)據(jù)的讀取，不對從站進行寫數(shù)據(jù)操作。編寫程序過程中，功能塊對Modbus RTU通信主站BeckHoff PLC、各數(shù)據(jù)采集器通信從站進行相應(yīng)的設(shè)置，包括數(shù)據(jù)采集器從站的地址，從數(shù)據(jù)采集器從站讀取的系列數(shù)據(jù)的起始存放地址、讀取數(shù)據(jù)字的多少，數(shù)據(jù)被讀取后在PLC中存放地址，功能塊啟動讀取功能的控制位，從站通信超時時間等。功能塊被執(zhí)行后，輸出一系列變量，用以判斷Modbus RTU通信的當前狀態(tài)。

圖3 ModbusRTU主站功能模塊

3.3 信號處理

BeckHoff PLC從數(shù)據(jù)采集器取得各傳感器的數(shù)據(jù)信息后，需在程序中對各數(shù)據(jù)進行線性化處理，以得到各傳感器的實時參數(shù)值。

自定義模擬量采集功能塊：AI_TRAN_V01_WORD。該功能塊對傳感器輸出的電流信號(4～20 mA、0～20 mA)、電壓信號(0～5 V、1～5 V、0～10 V、2～10 V)進行線性變換。為了得到更準確的傳感器參數(shù)值，在功能塊中對采集到的傳感信號進行了軟件濾波處理，即對計算結(jié)果取平均值，提高系統(tǒng)的控制精度。模擬量采集功能模塊如圖4所示。

圖4 模擬量采集功能模塊

4 顯示器軟件設(shè)計

選用臺達公司的DOP_B Series系列產(chǎn)品DOP-B07E515顯示器，其具有高速的硬件架構(gòu)，功能強大且品質(zhì)穩(wěn)定，支持多種控制器的多種通信方式。此系統(tǒng)中通過RJ45接口與PLC以Modbus TCP/IP協(xié)議進行通信。

顯示器軟件編寫包括了模塊參數(shù)的設(shè)置、通訊參數(shù)的設(shè)定、報警信息的設(shè)置、Clock宏命令的編寫。顯示界面根據(jù)需求劃分為多個畫面：參數(shù)設(shè)定界面、各傳感器參數(shù)當前數(shù)值顯示界面、傳感器狀態(tài)及通信狀態(tài)顯示界面、報警信息顯示界面。自復(fù)位按鈕實現(xiàn)各顯示界面之間的切換。

顯示器軟件設(shè)計了對多個系統(tǒng)參數(shù)的修改功能，如報警限值、通信速率、截割整定值、電機啟動報警時間、過載報警時間等。修改后的最新參數(shù)傳輸給PLC并存入永久存儲區(qū)中，按照最新設(shè)定的參數(shù)對系統(tǒng)進行控制，方便在系統(tǒng)調(diào)試、工業(yè)性試驗中對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

歷史緩沖區(qū)設(shè)置需要斷電保持的信息地址，歷史數(shù)據(jù)可存儲在外置的大容量的U盤或SD卡中，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的半年或更長時間的存儲。歷史數(shù)據(jù)存儲功能，可清楚地了解故障的發(fā)生點與發(fā)生時間，為事故分析處理、系統(tǒng)功能改進提供了便利。

5 結(jié)論

1) 本文簡述了采掘設(shè)備信息監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，明確了多信號采集單元與PLC的通信方式、顯示器與PLC的通信方式。以基于IEC61131-3的軟件平臺TwinCAT為核心，詳細介紹了系統(tǒng)軟件的編寫。基于DOP-B07E515顯示器開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)大量長期存儲、系統(tǒng)參數(shù)便捷設(shè)置及掉電存儲。

2) 應(yīng)用結(jié)果表明，該信息監(jiān)測系統(tǒng)在很大程度上解決了多個傳感信號采集時線路繁雜、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大的問題，具有較高的實時性、穩(wěn)定性及工作效率。