張戰(zhàn)國

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礦用總線式按鈕信號采集器的設計

張戰(zhàn)國

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

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

煤礦；按鈕信號；采集器；PLC

1 引言

隨著微電子技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術和可編程邏輯控制器（PLC）通信技術也在日趨成熟，并在自動化工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用[1]。PLC在煤礦井下的應用也越來越多，以PLC為核心的控制系統(tǒng)運行狀況良好，性能穩(wěn)定[2]。目前，國內在煤礦井下使用的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，同時在設備內部設計有隔離電路，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，其需要設計操作按鈕，對于控制對象多的場所，比如水泵房集控系統(tǒng)、帶式輸送機集控系統(tǒng)等，需要設計十幾個甚至幾十個按鈕，這些按鈕在多數(shù)情況下直接介入PLC的輸入點，這會帶來以下2個問題：①占用PLC輸入口較多，增加設備成本；②操作面板與PLC之間的配線較多，容易導致內部走線混亂，不利于生產(chǎn)和調試。

為了解決上述問題，本文設計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，將按鈕的動作信號傳遞給PLC。在國內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作為應用協(xié)議進行設計。

2 Modbus通信技術

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?，F(xiàn)在，Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領域通信協(xié)議的業(yè)界標準，是工業(yè)電子設備之間常用的連接方式。Modbus協(xié)議無版權要求，其簡單易懂，易于部署和維護。

大多數(shù)Modbus設備通信通過串口EIA-485物理層進行。對于串行連接，存在2個變種，它們在數(shù)值數(shù)據(jù)表示和協(xié)議細節(jié)上略有不同。Modbus RTU是一種緊湊的、采用二進制表示數(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)議是一個主從架構的協(xié)議，總線網(wǎng)絡中有一個節(jié)點是主站，其他使用Modbus協(xié)議參與通信的節(jié)點是從站。每個從站設備都有一個唯一的地址，主站根據(jù)這個地址來區(qū)分不同的從站。

3 硬件設計

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作信號（開關量）接入采集器的輸入口，采集器內部集成Modbus，PLC根據(jù)與采集器之間約定的數(shù)據(jù)協(xié)議，定時讀取采集器上按鈕信號。PLC作為Modbus主站，可能需要接多個從站設備，因此，PLC采用輪詢的方式讀取每個從站的數(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通信等幾個部分。

圖1 信號流

圖2 硬件組成

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

RS485通信部分分為隔離電路和電平轉換2個部分，隔離電路包括信號隔離和電源隔離，電平轉換實現(xiàn)TTL電平跟RS485差分信號的轉換。RS485電平轉換芯片選用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。由于信號進行了隔離，RS485通信部分需要單獨供電，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備出現(xiàn)故障時對采集器的MCU部分造成影響，同時可以防止采集器電路出現(xiàn)故障時對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，有可能導致短時間的動作信號無法采集到，因此通信速率和輪詢周期需要合理設定。一般情況下，PLC的RS485通信速率最高為115 200 bps，此通信速率下，讀取幾十個按鈕的數(shù)據(jù)在5 ms以內可以完成。經(jīng)過實驗室的測試，人操作按鈕的最短動作時間為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作。

4 軟件設計

按鈕信號采集器的軟件設計流程如圖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輸入口的數(shù)據(jù)，輸入口的數(shù)據(jù)需要濾波，采用定時濾波的方式，若在10 ms內每個主循環(huán)采集的輸入口狀態(tài)都是一致的，則更新相應的輸入口狀態(tài)。輸入口狀態(tài)存儲在為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MCU收到一幀輪詢數(shù)據(jù)的時候，觸發(fā)一次中斷，在中斷服務程序中，判斷主站的數(shù)據(jù)內容，若是查詢按鈕狀態(tài)，則根據(jù)用戶協(xié)議回復按鈕數(shù)據(jù)。如果主站是查詢采集器當前的工作狀態(tài)，或是查詢故障數(shù)據(jù)，則根據(jù)用戶協(xié)議回復相應的數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程圖

對于煤礦井下控制設備而言，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)控數(shù)據(jù)、看門狗復位數(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，一方面有利于PLC及時了解采集器的工作狀態(tài)，以便出現(xiàn)故障時采取應急措施，另一方面有利于事后故障排查和工作狀況評估。

5 結束語

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

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

［2］宮學東，陳威，朱亞坤.煤礦強排自動控制系統(tǒng)設計［J］.工礦自動化，2017，43（5）：75-78.

［3］洪振宇，田煒，劉嘉.基于DP/LIN總線的采煤機控制鍵盤設計［J］.工礦自動化，2016，42（3）：78-80.

［4］馬小平，吳新忠，任子暉.基于移動互聯(lián)的煤礦通風機遠程監(jiān)控技術［J］.工礦自動化，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

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.132

〔編輯：嚴麗琴〕