基于Modbus协议的煤矿安全监控系统数据集成研究与设计

张爱绒,谢斌红,张英俊

(1.太原理工大学期刊中心,太原030024;2.太原科技大学计算机学院,太原030024)

随着煤矿监控系统从单一监控功能向性能可靠、功能强大的网络化、标准化、智能化的发展,要求各井下分站必须能相互配合,协同工作,同时也要求各分站与井上监控中心交互数据,以保证连续生产,实现全局的监控和优化。而目前,由于不同的监控系统相互独立,兼容性差,且网络化的监控系统采用了不同的通信技术和信息交换标准,难以做到信息共享和统一管理,容易形成“信息孤岛”[1]。此外,现用井下分站大多采用不同的开发平台、由不同的厂家开发,彼此之间形成了由不同通信协议和通信接口组成的异构系统。针对上述问题,在对传统方法分析研究的基础上,提出了基于Modbus协议的煤矿安全监控系统数据集成方案,井下分站采用Modbus标准通用协议实现数据实时通信,将异构设备接口通信归一化,有效实现分站间相互操作和数据共享,解决了传统方法在分站和协议较多时既繁琐又效率低下的问题。

1 Modbus通信网络设计

1.1 Modbus协议简介

Modbus协议是1978年由Modicon公司制定的应用于电子控制器上的一种应用层报文传输协议,与底层的物理接口及电气规范无关,支持传统的RS-232/422/485设备和以太网设备等。从功能上看,可被认为是一种现场总线,不同厂家生产的控制器设备通过Modbus接口可以相互连成工业网络,进行整个系统的集中监控。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以进行通信,它的开放性使其逐步成为一种自动控制的通信协议标准[2]。

1.2 Modbus通信机制分析

Modbus协议定义了一个控制器能识别和使用的报文结构,而不管它们通过何种网络类型进行通信。该协议描述了控制器如何请求访问其它设备,如何响应来自其它设备的请求,以及错误怎样被检测及报告的过程[3]。此外,Modbus协议采用Master-Slave技术,是一种应答方式的通信协议,将通信参与者规定为“主站(MASTER)”和“从站”(SLAVE),数据通信时,主站发出数据请求消息,从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求;主站亦可直接发消息修改从站的数据,实现双向读写。每个从站都有相应的地址编号,数量最多可达274个。它通过多达24种的总线命令实现主站和从站之间的信息交换,具有简单、高效、可靠和容易实现等优点。因为协议良好的适用性,已经得到了众多大公司的支持,都把它作为一种标准的通信接口提供给用户,并且作为与主系统通信的主要途径[4]。

2 基于Modbus协议的煤矿安全监控系统数据集成

2.1 系统架构设计

系统的数据采集软件主要由下位机驱动模块、分站配置管理模块以及数据采集模块三部分组成,上位机与井下分站之间通过Modbus协议进行通信,其架构如图1所示。其中,下位机驱动模块的实现基于Modbus协议的开源NModbus库,在此基础上进行封装和扩展,作为数据采集软件的“基础设施”,并以接口的方式为其它模块提供服务;在下位机配置管理模块中,针对目前监控系统中的下位机存在配置不灵活、扩充性较差和不能很好适应系统环境和用户需求变化等问题,利用XML文档规范统一、互操作性强且与平台无关等特点,把相关参数以XML文件进行描述,其中Slave.xml文件中保存了下位机的连接方式、速率、校验方式、IP地址等信息;Register.xml文件中保存了各类传感器的类型、闭锁输出通道、信号类型、量程、告警值、闭锁值等参数,并设计专用的辅助类(Helper)对下位机及其各种参数进行配置管理,使得系统具有较好的适应性、灵活性和可配置性;数据采集模块以下位机驱动模块为基础,并与下位机配置管理模块相互协作,通过Modbus协议与下位机通信,实现井下各种传感器参数的实时采集,并对采集到数据进行相应处理和持久化。三个模块都以动态连接库(DLL)的形式发布,以此可节省系统资源,也有利于软件部署和安装。

图1 数据采集软件总体架构

2.2 井下分站硬件设计与实现

井下分站电路结构如图2所示,主要包括数据处理、通讯、模拟量采集、开关量输入采集、开关量输出采集、人机接口等六大电路模块。在外部电器信号和处理器之间采用光电隔离的保护措施,确保了外部干扰不会影响CPU的正常数据流程,所有接口设计采用三级或以上的电磁兼容标准,大大提高了电路系统的抗干扰能力,确保分站能在复杂电磁环境下稳定运行。以下分模块阐述各部分电路系统设计：

1)分站选用ST公司的STR710FZ2T6微处理器作为核心数据处理单元,该处理器采用了ARM 7TDMI内核结构,并在内部集成了64KRAM、512KFlash、定时器及常见的通讯总线和多达64个GPIO口等。其丰富的片上外围简化了系统电路设计,使得分站电路结构更加简洁稳固。

2)系统在逻辑层面实现了 Modbus协议的ASCII、RTU和TCP等 3种传输模式,并提供了RS485、100BaseTX和 100BaseFX等多种通讯接口。其中RS485选用Maxim公司的MAX3485电平转化芯片并与CPU之间采用高速光电隔离;以太网PH Y层采用DM9161;MAC层采用DM 9000连接于CPU的EMI总线接口上。PHY层和MAC层之间采用MII总线连接。

3)模拟量输入信号为(200～1 000 Hz)方波,经光电隔离后连接于CPU的外部中断引脚上,由FirmWare实现频率的采集。

4)开关量输入和输出采用光电隔离的方案连接于CPU的GPIO引脚,由FirmWare来实现输入输出控制逻辑。

5)电路系统采用按键作为信息输入接口,采集用户的输入,并通过一块12864点阵的单色LED屏把系统的设置信息和采集数据等显示给用户,这部分电路直接连接于CPU的GPIO口上,由 Firm-ware来实现按键的采集和数据的展示。

系统采用模块化设计,既提高了电路系统的可靠性和可维护性,也给日后系统电路的功能扩展和故障检修提供了方便。

图2 井下分站硬件电路结构图

2.3 数据采集模块设计与实现

根据分层模式的软件体系结构和业务功能,数据采集模块采用三层架构,包括表示层、业务层、数据访问层,其架构如图3所示。其中,表示层通过GUI技术提供用户与系统的交互接口;业务逻辑层主要通过数据采集类中提供的方法完成了包括正常数据、告警数据、历史数据、闭锁四类数据的采集;数据访问层把业务逻辑层采集的数据保存到后台数据库,并提供了相关数据的查询、浏览等操作。三层架构降低了层与层之间的依赖关系,能够保持各层逻辑上相对独立性,从而使整个系统的逻辑结构更为清晰,提高系统和软件的可维护性和可扩展性。

图3 数据采集模块架构

数据采集程序的流程如图4所示,首先,从下位机配置文件Slave.xml中读取所有下位机的连接信息,存放到SlaveList数组中;然后采用轮询方法遍历每一台下位机,根据当前下位机的编号从Regis-ter.xml中获取与该下位机连接的各传感器参数,并存放到PointList数组中;若当前待采集的下位机连接正常,则分别采集对应传感器的正常数据、告警数据、闭锁数据和历史数据。同时,对采集过程中关键信息在日志文件中进行记录。

图4 数据采集程序流程图

3 结束语

针对目前煤矿安全监控系统中井下分站具有开发平台异构、通信协议多样性,以及存在着配置不灵活、扩充性较差和不能很好适应系统环境和用户需求变化等问题,通过对Modbus协议特点和通信过程的分析,本文提出并实现了基于Modbus协议的煤矿安全监控系统数据集成方案,设计了井下分站,编制了数采程序,研发的系统在某大型企业的应用达到了预期效果,但还是满足不了用户数据集成和共享快速发展的需求。通过统一接口,实现从工厂底层的设备信息到高层的企业决策信息都能有效集成的OPCUA产品的研发将是下一步研究工作的重点。

[1] 司马莉萍,贺贵明,陈明榜.基于Modbus/TCP协议的工业控制通信[J].计算机应用,2005,25(12)：29-31.

[2] 王念春.基于Modbus协议的PC与下位机PLC间的通信程序[J].自动化仪表,2001,22(8)：44-46.

[3] 刘沛津,谷立臣.基于Modbus/TCP的火电厂实时数据集成及网络通信控制器研制[J].电力自动化设备,2009,29(8)：129.

[4] 卢文俊,冷杉,杨建军.基于Modbus协议的控制器远程监控系统[J].电力自动化设备,2003,23(6)：56-57.