煤礦井下連續運輸系統的Modbus多機通信

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國煤礦生產能力的提高和安全高效生產的需要，連續采煤機、掘錨機等短壁高效采掘設備的廣泛應用[1]，對與之相匹配的輔助運輸設備要求越來越高。傳統的掘錨后配套產品(如梭車、運煤車)都是斷式運輸設備，而連續采煤機在截割煤炭時受到中間運輸的限制，無法連續工作，降低了連續采煤機的生產效率。

結合現代高產高效礦井的特點和發展趨勢以及建設的要求，中國煤炭科工集團太原研究院研制的連續運輸系統是實現高產高效煤炭短壁開采的后配套設備。連續運輸系統由5臺具有獨立行走、破碎和運輸功能的履帶式自移轉載機及5臺跨接橋式轉載機組成。系統與連續采煤機配套使用，可實現煤炭的采、裝、運的機械化、連續化，取消了間斷運輸的周期性等待時間，延長了采煤機截割時間，從而提高了采煤機的開機率，在一定程序上實現了連續采煤機連續采煤的目標。

電氣控制系統是連續運輸系統最重要的組成部分之一，通過Modbus通信網絡實現單元間信息交流，實現連續運輸系統各單元的協同運輸作業，以及對電動機、預警、照明、急停等輔助設備的控制與保護。通過基于Modbus總線的控制系統，可實現對連續運輸設備各單元的邏輯控制、保護和組網通信。

現場應用結果表明，設計的控制系統不僅實現了多種復合邏輯控制功能，而且任務分工明確、實時性好、控制系統集成度強。

1 運輸電氣系統組成和功能

電氣控制系統主要由電氣控制箱、操作箱、顯示箱、傳感器及多個大功率電機等組成，如圖1所示。

圖1 電控系統組成

連續運輸設備的電氣控制系統[2]在滿足單臺獨立運輸作業的基礎上，通過Modbus總線實現了系統逆煤流啟動、順煤流停止智能邏輯控制，保證各單元協同高效運輸作業。同時，系統配有完善的故障診斷功能和強大的數據顯示功能。

1.1 電氣控制箱

電氣控制箱是連續運輸設備的核心控制部分，主要由煤礦用防爆箱體、PLC控制器、斷路器、接觸器、繼電器、綜合保護器、電流傳感器等器件組成。控制箱具有過載、短路、缺相保護以及電機超溫及漏電等多種保護功能，具有單系統及多系統控制工作模式。在連續運輸系統中，5臺履帶式自移轉載機分別配有相對獨立的電氣控制箱，能實現多個電機復合邏輯控制與保護以及傳感器采集與處理，還可與操作箱、顯示箱進行數據通信。

1.2 操作箱

操作箱是系統各執行器件的開關，主要由煤礦用防爆箱體、控制按鈕、急停開關及萬轉開關等組成。操作箱通過控制電纜直接與PLC輸入點相連。開關按鈕主要包括電機啟停控制、照明控制、通信控制、故障查詢、復位等。萬轉開關主要包括選擇電機運轉方向及電氣控制箱工作模式。急停開關的作用是當機器處于危險狀態時，通過急停開關切斷電源，停止設備運轉，達到保護人身和設備安全的目的。

1.3 傳感器

連續運輸設備上裝有多個傳感器。電流傳感器用于采集各個電機運行時的工作電流。Pt100用于采集電機溫度，其采集信號傳給PLC模擬量輸入模塊，通過PLC控制器對信號進行運算處理，以達到對電機運行狀態監測和保護。溫度和壓力傳感器負責監測液壓系統工作狀態，以達到對液壓系統的監測和保護，并通過顯示器實時顯示電機電流、溫度及液壓系統壓力、溫度。傳感器的應用提高了系統狀態監測的實時性、可靠性，對保證設備的安全運行具有積極意義。

1.4 顯示箱

顯示箱由煤礦用防爆箱體及顯示器等組成。顯示器通過RS- 485接口與S7-200 PLC的P1口相連，通過PPI協議將PLC狀態信息傳輸到顯示器。顯示器顯示連續運輸系統電機電流及溫度、液壓系統壓力及油溫等系統運行狀態參數；系統故障時顯示故障信息，供用戶參考。顯示器是操作者與系統進行信息交換的窗口。

1.5 通信功能

連續運輸電氣系統中各個電氣控制箱之間通過Modbus總線進行信息交流。1號車為主站，采用主站輪詢機制查詢各子站運行狀態，從而實現系統邏輯控制，以及系統高性能化、高可靠化、保養簡便化，節省配線。

2 Modbus協議及其數據傳輸

Modbus[3]是工業領域通信協議的業界標準，是現今工業電子設備之間常用的連接方式。通過Modbus協議，控制器之間、控制器和其他設備之間可以通信。不同廠商生產的控制設備可通過Modbus協議連成工業網絡，進行集中監控。

Modbus協議是一個主從架構的協議。一個節點為主節點，其他使用Modbus協議參與通信的節點為從節點。每一個從設備都有唯一的地址。在串行網絡中，只有被指定為主節點的節點可以啟動一個命令(在以太網上，任何一個設備都能發送一個Modbus命令，但是通常也只有一個主節點設備啟動指令),其他的從設備只能通過提供數據響應主節點的查詢或根據查詢作出相應動作。Modbus主、從設備查詢響應原理框圖如圖2所示。

圖2 Modbus主從設備查詢響應原理框圖

連續運輸控制系統采用遠程終端設備(remote terminal unit,RTU)模式，包括串口通信參數(波特率、校驗方式等)。在配置每個控制器時，一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。當連續運輸控制系統1號車發送命令時，符合相應地址碼的設備接收信息。如果信息沒有出錯，則執行相應的任務，然后把執行結果返送給1號車。返回的信息包括地址碼、執行動作的功能碼、執行動作后結果的數據及錯誤校驗碼。信息幀結構如表1所示。

表1 信息幀結構

地址碼是信息幀的第一個字節，是主機將要訪問的從站地址。從站回應信息時，也將自己的地址存入地址碼，以便主機知道信息從哪個從站返回。

主機發送的功能碼告訴從機要執行什么任務。如本控制程序的功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。

數據區是Modbus總線設備完成功能碼必需的附加信息。如保護寄存器地址、將要處理項目的數量和起始地址。

CRC校驗碼是兩字節的錯誤檢測碼。

3 PLC主站與從站的通信配制

主站與從站通過PLC上的通信口Port1組成Modbus通信網絡。編程軟件Step7 MircoWin自帶Modbus子令庫。根據連續運輸系統的工況特點，采用主站輪詢方式進行數據交流。

控制系統1號車為Modbus主站。系統通過控制軟件輪流讀取[4]各從站運行狀態及控制2、3、4、5號運輸單元順序啟停[5]。系統正常時，1號車通過操作箱上的“轉載順啟/停”按鍵可控制整套連續運輸系統。從5號車開始順序啟動，從1號車順序停止。當從站有停機時，其前面運輸單元立即停止運輸，防止堆煤現象產生。控制軟件通信流程如圖3所示。

圖3 軟件通信流程

4 抗干擾設計

應用于煤礦井下的連續運輸系統工作環境惡劣，空氣潮濕。控制系統工作時不僅要受到來自電網的“噪聲”干擾，而且系統內也存在較大的干擾源，如各個主回路電流的頻繁變化和真空接觸器本身的操作過程都會產生高頻噪聲。更為嚴重的是該高頻信號通過導線和空間進入控制系統內部，會造成通信程序中斷，導致控制系統不能正常工作。這對控制系統各單元的抗干擾性能提出了更高的要求[6]。

4.1 硬件抗干擾

為了提高通信的瞬間抗干擾能力，增大通信距離，采用高速光耦6N137實現Modbus總線間的光電隔離。此外，硬件還采用光電隔離、繼電器隔離、電源隔離、濾波、屏蔽、良好的接地及電路板布線等抗干擾措施。

4.2 軟件抗干擾

軟件抗干擾采用數字濾波、軟件攔截技術、去極值平均濾波算法、指令重復執行等措施，可有效減少數據采樣誤差，屏蔽輸入的干擾信號[7]。

5 結束語

隨著工業自動化水平的提高，煤礦采掘設備的控制系統和策略日趨先進。控制技術與網絡、通信等技術的結合與滲透，使總線控制方式成為煤礦電氣控制系統研究和開發的新方向。連續運輸電氣控制系統采用了基于Modbus總線技術的信息交互控制系統，實現了整套系統運行參數信息交流及運輸的集中控制。實踐表明，該控制系統運行穩定、可靠，具有較強的實時性和抗干擾能力，取得了良好的經濟效益和社會效益。

[1] 高云峰，江小軍.淺談我國煤礦巷道掘進裝備技術[J].煤炭工程，2010(10)：111-113.

[2] 呼守信.基于現場總線的煤礦井下采掘設備智能電氣控制系統[J].煤礦機電，2012(1)：15-19.

[3] 汪正果.Modbus協議在S7-200PLC與PC機通信中的應用[J].煤礦機械,2010(2)：192-194.

[4] 王浩君，謝菊芳，姚明君.基于Modbus通訊協議的PLC輪詢數據通信[J].信息通信,2013(4)：215-216.

[5] 張蓉.Modbus協議多機通訊系統設計[J].電子世界,2013(1)：121-122.

[6] 張興，蔡兵，陳勝利.DCS網絡噪聲干擾原因分析及對策[J].自動化儀表,2013,34(2)：38-41.

[7] 李施焜.單片機嵌入式系統的抗干擾技術探討[J].中國電子商務,2013(5)：79.