礦用總線式按鈕信號采集器的設(shè)計(jì)

張戰(zhàn)國

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礦用總線式按鈕信號采集器的設(shè)計(jì)

張戰(zhàn)國

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

隔爆兼本安型PLC控制箱是煤礦控制系統(tǒng)中的常用設(shè)備，針對其中PLC輸入口占用多和內(nèi)部走線多的問題，設(shè)計(jì)了一種基于總線的面板按鈕信號采集器，將按鈕的動(dòng)作信號轉(zhuǎn)換為總線信號傳入PLC。該設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約PLC的輸入口點(diǎn)數(shù)，還可以減少隔爆兼本安型PLC控制箱內(nèi)部走線，方便生產(chǎn)與調(diào)試。

煤礦；按鈕信號；采集器；PLC

1 引言

隨著微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)和可編程邏輯控制器（PLC）通信技術(shù)也在日趨成熟，并在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用[1]。PLC在煤礦井下的應(yīng)用也越來越多，以PLC為核心的控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定[2]。目前，國內(nèi)在煤礦井下使用的PLC有隔爆兼本安型PLC控制箱和本安型PLC控制箱兩種[3]，其中以隔爆兼本安型PLC控制箱的應(yīng)用居多。

隔爆兼本安型PLC控制箱就是將通用PLC放入隔爆殼內(nèi)以滿足煤礦安全要求，這種方式可以最大限度地保持通用PLC穩(wěn)定可靠的特性，同時(shí)在設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)有隔離電路，保證本安電路和非安電路在電氣上的隔離。隔爆兼本安型PLC控制箱作為控制核心，其需要設(shè)計(jì)操作按鈕，對于控制對象多的場所，比如水泵房集控系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)等，需要設(shè)計(jì)十幾個(gè)甚至幾十個(gè)按鈕，這些按鈕在多數(shù)情況下直接介入PLC的輸入點(diǎn)，這會(huì)帶來以下2個(gè)問題：①占用PLC輸入口較多，增加設(shè)備成本；②操作面板與PLC之間的配線較多，容易導(dǎo)致內(nèi)部走線混亂，不利于生產(chǎn)和調(diào)試。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于總線的按鈕信號采集器，采集器與控制面板布置在一起，按鈕信號通過較短的連線接入采集器，采集器通過總線與PLC通信，將按鈕的動(dòng)作信號傳遞給PLC。在國內(nèi)煤礦井下使用較多的現(xiàn)場總線協(xié)議是Modbus[4]，本文就以Modbus作為應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 Modbus通信技術(shù)

Modbus是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣 Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表的。現(xiàn)在，Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。Modbus協(xié)議無版權(quán)要求，其簡單易懂，易于部署和維護(hù)。

大多數(shù)Modbus設(shè)備通信通過串口EIA-485物理層進(jìn)行。對于串行連接，存在2個(gè)變種，它們在數(shù)值數(shù)據(jù)表示和協(xié)議細(xì)節(jié)上略有不同。Modbus RTU是一種緊湊的、采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)的方式，Modbus ASCII是一種人類可讀的、冗長的表示方式[5]。Modbus協(xié)議是一個(gè)主從架構(gòu)的協(xié)議，總線網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是主站，其他使用Modbus協(xié)議參與通信的節(jié)點(diǎn)是從站。每個(gè)從站設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，主站根據(jù)這個(gè)地址來區(qū)分不同的從站。

3 硬件設(shè)計(jì)

按鈕信號采集器的信號流如圖1所示。操作面板上按鈕的動(dòng)作信號（開關(guān)量）接入采集器的輸入口，采集器內(nèi)部集成Modbus，PLC根據(jù)與采集器之間約定的數(shù)據(jù)協(xié)議，定時(shí)讀取采集器上按鈕信號。PLC作為Modbus主站，可能需要接多個(gè)從站設(shè)備，因此，PLC采用輪詢的方式讀取每個(gè)從站的數(shù)據(jù)。按鈕信號采集器的硬件組成情況如圖2所示。按鈕信號采集器的硬件主要包括MCU、監(jiān)控電路、RS485通信等幾個(gè)部分。

圖1 信號流

圖2 硬件組成

MCU（單片機(jī)）是采集器的核心，其正常工作至少需要供電和時(shí)鐘源配置正確。時(shí)鐘源選用外部石英晶振，相比于芯片內(nèi)部時(shí)鐘，其具有更好的穩(wěn)定性和更高的精度。監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)對MCU工作狀態(tài)的簡單監(jiān)控，MCU通過一個(gè)管腳給監(jiān)控芯片發(fā)送周期性的電平翻轉(zhuǎn)信號，這種情況下，監(jiān)控芯片認(rèn)為MCU工作是正常的；如果在一定時(shí)間內(nèi)監(jiān)視到MCU管腳的電平保持不變，則監(jiān)控芯片認(rèn)為MCU工作出現(xiàn)故障，需要將其復(fù)位。這種機(jī)制可以防止MCU長時(shí)間處于故障狀態(tài)，當(dāng)MCU出現(xiàn)故障時(shí)，第一時(shí)間讓其從正確位置重新開始運(yùn)行。

RS485通信部分分為隔離電路和電平轉(zhuǎn)換2個(gè)部分，隔離電路包括信號隔離和電源隔離，電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)TTL電平跟RS485差分信號的轉(zhuǎn)換。RS485電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX487，其支持的最高通信速率為250 kbps，可以滿足隔爆兼本安型PLC控制箱按鈕信號響應(yīng)的要求。MAX487與MCU通信有數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收使能和發(fā)送使能4路信號，其中，由于RS485是半雙工通信方式，在同一時(shí)刻，要么發(fā)送要么接收，因此接收使能和發(fā)送使能可以用MCU的一個(gè)輸出口控制，最終MAX487與MCU之間有3路信號，這3路信號采用光耦進(jìn)行隔離。

光耦隔離具有更好的EMC性能，有助于提高RS485通信的抗干擾能力。由于信號進(jìn)行了隔離，RS485通信部分需要單獨(dú)供電，即需要隔離電源。隔離電源選用金升陽公司的B0505S-W2R2的DC-DC模塊，隔離耐壓為1 500 VDC。電源和信號的隔離，可以防止總線上其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)對采集器的MCU部分造成影響，同時(shí)可以防止采集器電路出現(xiàn)故障時(shí)對RS485總線造成影響，這種處理方式可以大大提高RS485通信的抗干擾性和穩(wěn)定性。

對于傳統(tǒng)的按鈕直接接入PLC輸入口的方式，PLC可以在10 ms內(nèi)快速捕獲端口的電平變化，采集器是通過主從通信的方式將按鈕動(dòng)作信號傳遞到PLC，如果通信速率過低或者輪詢周期過長，有可能導(dǎo)致短時(shí)間的動(dòng)作信號無法采集到，因此通信速率和輪詢周期需要合理設(shè)定。一般情況下，PLC的RS485通信速率最高為115 200 bps，此通信速率下，讀取幾十個(gè)按鈕的數(shù)據(jù)在5 ms以內(nèi)可以完成。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的測試，人操作按鈕的最短動(dòng)作時(shí)間為50 ms，PLC讀取采集器數(shù)據(jù)的輪詢周期小于50 ms，即可保證捕獲到所有的按鈕動(dòng)作。

4 軟件設(shè)計(jì)

按鈕信號采集器的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。初始化部分完成MCU的基本功能的配置包括：晶振初始化、端口初始化、UART通信參數(shù)設(shè)定、Modbus協(xié)議初始化等。在完成初始化后，首先采集按鈕接入的相應(yīng)輸入口的數(shù)據(jù)，輸入口的數(shù)據(jù)需要濾波，采用定時(shí)濾波的方式，若在10 ms內(nèi)每個(gè)主循環(huán)采集的輸入口狀態(tài)都是一致的，則更新相應(yīng)的輸入口狀態(tài)。輸入口狀態(tài)存儲(chǔ)在為Modbus從站協(xié)議開辟的數(shù)據(jù)區(qū)中，等待主站輪詢。在Modbus協(xié)議處理部分，當(dāng)MCU收到一幀輪詢數(shù)據(jù)的時(shí)候，觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序中，判斷主站的數(shù)據(jù)內(nèi)容，若是查詢按鈕狀態(tài)，則根據(jù)用戶協(xié)議回復(fù)按鈕數(shù)據(jù)。如果主站是查詢采集器當(dāng)前的工作狀態(tài)，或是查詢故障數(shù)據(jù)，則根據(jù)用戶協(xié)議回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程圖

對于煤礦井下控制設(shè)備而言，其穩(wěn)定性直接影響煤礦生產(chǎn)安全，因此要求其具有一定的故障診斷功能。采集器作為煤礦井下控制設(shè)備的一部分，不僅要采集按鈕的狀態(tài)，還要根據(jù)電源電壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、看門狗復(fù)位數(shù)據(jù)、串口通信狀態(tài)等綜合判斷故障狀態(tài)。對故障信息的判斷存儲(chǔ)，一方面有利于PLC及時(shí)了解采集器的工作狀態(tài)，以便出現(xiàn)故障時(shí)采取應(yīng)急措施，另一方面有利于事后故障排查和工作狀況評估。

5 結(jié)束語

介紹了基于總線的礦用按鈕信號采集器的硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟件設(shè)計(jì)流程。此設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約隔爆兼本安型PLC控制箱的輸入口點(diǎn)數(shù)，還可以減少內(nèi)部走線，方便生產(chǎn)與調(diào)試。隔爆兼本安型PLC控制箱在煤礦井下的應(yīng)用廣泛，按鈕信號采集器的應(yīng)用將大大降低物料和人力成本，對于煤礦井下自動(dòng)化水平的提升具有一定促進(jìn)作用。

［1］馮偉，王林，董健.隔離式安全柵與PLC的通訊設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)［J］.儀器儀表用戶，2017，24（9）：5-8.

［2］宮學(xué)東，陳威，朱亞坤.煤礦強(qiáng)排自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2017，43（5）：75-78.

［3］洪振宇，田煒，劉嘉.基于DP/LIN總線的采煤機(jī)控制鍵盤設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2016，42（3）：78-80.

［4］馬小平，吳新忠，任子暉.基于移動(dòng)互聯(lián)的煤礦通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)［J］.工礦自動(dòng)化，2016，42（3）：7-12.

［5］Zheng Y，Wen K，Zhang H，et al. The Design of a Upper Machine Software Based on MODBUS Protocol［J］. Electronics Quality，2018.

2095－6835（2018）23－0132－02

TD67

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.132

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕