基于MODBUS现场总线的大型设备监控系统的研究

　　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（CPU 226）[3],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[4],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[4],使得测控系统通讯软件的编制简单易行[5].

　　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。