DGUS多媒體屏在煤礦井下坑道鉆機的應用

摘 要： DGUS多媒體屏是一種可二次開發的顯示屏，為了快速有效地開發煤礦井下坑道鉆機的人機界面（HMI），以可編程控制器為控制核心，通過RS 232通信接口采用Modbus協議，在DGUS系統的基礎上采用OS的軟件架構方法來實現。詳細介紹了系統的硬件組成、硬件接口以及人機界面的軟件設計，重點以主界面和故障界面為例說明顯示軟件的設計方法。實驗結果表明，該方法可實現參數顯示、頁面切換、動畫顯示和觸摸輸入等功能，連續運行3天，無白屏、死屏和參數不正常的現象，參數和動畫顯示正常，頁面切換流暢，觸摸輸入準確可靠。

關鍵詞： 坑道鉆機； 多媒體屏； Modbus協議； OS

中圖分類號： TN911?34； TD40 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0096?04

Abstract： The DGUS multimedia screen is a screen which can be developed secondly. In order to quickly and efficiently develop the human?machine interface （HMI） of the underground drilling rig of the coal mine， the programmable logic controller （PLC） is taken as the control core of the system. On the basis of the DGUS system， the software architecture of OS is used to implement the HMI with RS 232 communication interface by using the Modbus protocol for RS 232 communication interface. The hardware composition and hardware interface of the system， and software design of the HMI are introduced in detail. The design method of the display software is illustrated by taking the main interface and fault interface as the instances. The experiment results show that the method can realize the functions of parameter display， page switching， animation display and touch input， and in continuous running in 3 days， there are no phenomena of white screen， halted screen and abnormal parameters， the parameters and animation are displayed normally， pages are switched smoothly， and the touch input is accurate and reliable.

Keywords： underground drill rig； multimedia screen； Modbus protocol； OS

0 引 言

2015年6月國家安全監管總局號召“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動[1]，通過示范企業（礦井）建設，建立較為完善的標準體系，推動煤礦等重點行業領域機械化、自動化程度大幅提升，到2018年6月底，實現高危作業場所作業人員減少30%以上，大幅提高企業安全生產水平。煤礦生產過程中瓦斯一直危害著煤礦的安全生產，坑道鉆機作為瓦斯抽采鉆孔的重要機具，其性能的提升越來越重要。隨著該科技強安專項行動的實施，坑道鉆機急需在自動化控制上加快發展步伐[2?3]?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種用戶可以二次再編程的控制器，它的出現極大地提高了開發效率和系統可靠性，而且為了提升產品檔次，越來越多的煤礦高端產品使用顯示屏作為人機界面，特別是多媒體顯示屏[4]。由于煤礦井下的防爆要求，其應用設計中要進行電路的防爆設計[2]?；诖耍疚囊訮LC為核心，以煤礦井下坑道鉆機為例，重點闡述該多媒體屏在坑道鉆機上的應用。

1 系統硬件組成

該系統的硬件組成如圖1所示，由PLC、傳感器、開關、手柄以及開關閥、比例閥、DGUS多媒體屏、信號調理電路和隔離安全柵組成。

信號調理電路將各輸入信號進行變換和隔離處理，變換成PLC可處理的信號。DGUS屏與PLC之間采用隔離安全柵進行相應的隔離和處理。

1.1 控制器的選型

控制器是坑道鉆機控制系統的核心，其選型極大地影響著鉆機的控制性能。為了使控制器便于與鉆機緊密貼合，這里選擇工程機械上廣泛應用的PLC，它們基于CoDeSys平臺，支持 IEC61131?3語言。

目前市場上PLC控制器的種類繁多，在本系統中選擇德國STW公司的IOXP控制器，該PLC以Infineon公司16位單片機XC2287為核心，主頻80 MHz， 內含RS 232，CAN，最多26通道數字量輸入，最多6通道轉速輸入，6通道0～10 V和8通道4～20 mA模擬量輸入，可選4A低側開關，可選4通道4A高側開關DO或8通道PWM，1通道電壓輸出。

1.2 DGUS多媒體屏的選型

DGUS多媒體屏是DWIN公司生產的一種可供用戶二次開發的組態屏，該屏內含控制器，采用擴展的串口方便與外圍設備通信，具有TLL，RS 232和RS 485三種通信接口。由于PLC的串口通常是RS 232，因此，多媒體屏選擇RS 232通信接口，采用Modbus協議進行通信。本文選擇DMT80600T080_07WT型多媒體電容觸摸TFT彩屏，其參數為8英寸、K600+內核、65K色5R6G5B調色板、800×600分辨率、顯示尺寸為162.0 mm×

121.5 mm，內部256 B寄存器空間、56 KB變量空間、32 MB字庫和圖標庫空間，圖片存儲空間為2 GB，可保存1 896幅全屏圖片。

1.3 PLC與多媒體屏的接口設計

由于PLC和DUGS多媒體屏的通信信號都是RS 232，所以兩者電平一致，無需電平轉換，收發對應起來即可。如圖2所示為兩者通信的硬件通信接口電路。隔離安全柵用于將PLC與DGUS屏進行隔離和處理，一方面可以實現兩者本安隔離，另一方面可以減小干擾。

2 人機界面軟件設計

2.1 DGUS多媒體屏軟件架構

DGUS多媒體屏的軟件系統由DGUS系統和OS組成，在進行可視化配置時可選擇關閉OS系統或啟用OS。OS程序是用戶利用OS指令集編寫的，用以擴充DGUS多媒體屏現有功能的自定義程序。DGUS系統和OS共用同一刷新周期，在時間順序上DGUS程序與OS程序是串聯關系。事先可視化配置好的界面缺乏足夠的靈活性，OS匯編程序可在運行過程中實時修改界面配置，可靈活實現界面顯示的多樣性[5]。軟件界面所有顯示元素依靠變量直接驅動，變量類型的不同構成不同的配置文件。用戶只需通過SD卡更新配置文件即可更新程序。其配置文件主要由13.bin，CONFIG.TXT，14.bin，23.bin等目標程序文件組成。

2.2 DGUS系統可視化界面配置

本文采用在DGUS系統的基礎上啟用OS，使其界面開發更加靈活豐富多樣。在進行二次開發前，需提前合理規劃好DGUS系統要顯示的變量元素的惟一地址，才能更好進行界面設計并生成界面配置。根據應用需求，坑道鉆機控制系統主要包括5個顯示界面，依次命名為0_xxx～4_xxx號圖片，在此僅代表性選取“0_主界面.bmp”界面來簡述變量規劃及配置。如圖3所示為主界面配置界面圖。該界面由按鈕、儀表工作區、數據顯示區、RTC時間顯示區組成。在此將選項卡按鈕及上下頁按鈕設置為淡黃色的基礎觸控區域，點擊相應的按鈕切換到相應的圖片。淡青色數據顯示區10個數據變量地址依次設置為0x0000～0x0009。儀表工作區含3個圓形儀表盤，為了能動態顯示儀表的指針位置，將所對應的變量配置成圖標藝術字形式進行動態加載。每一小刻度做一個小圖片，共需主泵壓力（變量地址規劃為0x0800）、泵量（變量地址規劃為0x0400）、轉速（變量地址規劃為0x0100）三組小圖標，實時刷新加載相應值的小圖標。右下角淡黃色空白區域已配置為RTC日歷時間顯示，可實時顯示當前日期時間。

2.3 DGUS系統與OS數據接收及解析

多媒體屏主界面主要使用Modbus的0x03指令操作，該指令是將數據從PLC中讀取出來，然后OS后臺程序將所需數據進行處理并顯示。DGUS系統與OS均依靠寄存器地址來進行數據交換，因此需規劃好DGUS系統與OS的寄存器地址。OS讀取主界面數據顯示及主界面接收函數的匯編程序截圖如圖4所示。

2.4 PLC與多媒體屏的Modbus通信設計

PLC與多媒體屏間的通信廣泛采用Modbus協議，Modbus協議是一種通用的工業標準，采用Modbus協議控制器與設備之間可進行可靠穩定的多機通信。 Modbus協議有ASCII和RTU兩種通信規約[6?7]，坑道鉆機控制系統采用RTU通信規約， Modbus RTU數據幀包括1 B地址、1 B功能碼、N B數據和2 B的校驗碼。依照Modbus RTU數據幀格式，將PLC作為主機，其地址碼設為0x01，多媒體屏作為從機，其地址碼設為0x05，由于多媒體屏所有的顯示都是圍繞著當前頁面來進行的，PLC需實時查詢多媒體屏當前界面頁數，多媒體屏收到查詢指令后返回當前界面頁號。

比如PLC查詢到多媒體屏當前頁面號為0x00，表明當前頁面為0號主界面。如表1所示，簡述一下坑道鉆機控制系統Modbus RTU通信幀交互過程，并給出PLC端軟件通信流程，如圖5所示。系統上電后，進行系統初始化，主界面顯示，然后進入主循環，PLC接收RS 485主CAN數據，讀取面板開關手柄的指令，PLC查詢屏當前頁面時，發送數據幀“0x01 0x81 0x03 0x01”，其中0x03為DGUS的圖片寄存器，多媒體屏接收此幀后返回應答“0x05 0x81 0x03 0x01 0x00”表明當前頁面號為0x00，即0號主界面。在0號主界面下如需切換到2號頁面時，只需向屏發送數據幀“0x01 0x80 0x03 0x02”，屏收到此幀不應答直接切屏到2號故障診斷頁面。

在0號主界面下想要實時顯示“油箱油位（變量地址規劃為0x0008）”的當前值，假設該當前值為0x0050，PLC向屏發送“0x01 0x82 0x0008 0x0050”，屏接收到該幀后不應答，直接將“油箱油位”顯示為十進制為80，其他變量地址對應的參數顯示依次類推。在主循環過程中，PLC進行數據的采集濾波和計算從而獲得鉆機參數，并實時更新顯示屏參數，最后根據面板指令控制電磁閥的動作。

3 實驗結果

如圖6如示為鉆機運行過程中的界面效果。以主泵壓力參數為例進行說明，當所監測的主泵參數在電動機啟動前保持為0，上電后進行打鉆時，其主泵壓力持續上升，顯示屏的主泵壓力表指針連續正轉，轉動平穩，到達12 MPa時主泵壓力穩定，主泵壓力指針停止轉動，觀察DGUS屏指針指向11.9 MPa。由此可見，當前主泵壓力為11.9 MPa。屏幕右下角實時顯示當前時間，經過連續3天的測試，顯示屏工作正常，沒出現過白屏和死屏現象。當觸摸故障診斷選項卡，顯示故障頁面，如圖7所示，顯示當前無故障，工作正常，在故障頁面中通過該觸摸可以點擊添加、刪除和查找故障。

4 結 語

通過連續3天的測試，該方法可以實現參數顯示、頁面切換和動畫顯示的功能，參數、動畫和顏色都顯示正常，頁面切換流暢無卡頓，觸摸輸入準確可靠。通過該方法，不僅可提高坑道鉆機的顯示性能，還能精簡外圍電路，節省設計時間，降低開發成本。

參考文獻

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