基于MODBUS现场总线的大型设备监测监控系统的研究

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。

　　数据域：数据域包括本帧数据域的字节数量、数据字节l～n，这些数据可以是I/O值、状态数据或其它测量控制信息。

　　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