矿用总线式按钮信号采集器的设计

2018-12-18张战国

科技与创新 2018年23期

张战国

矿用总线式按钮信号采集器的设计

张战国

（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

隔爆兼本安型PLC控制箱是煤矿控制系统中的常用设备，针对其中PLC输入口占用多和内部走线多的问题，设计了一种基于总线的面板按钮信号采集器，将按钮的动作信号转换为总线信号传入PLC。该设计不仅可以节约PLC的输入口点数，还可以减少隔爆兼本安型PLC控制箱内部走线，方便生产与调试。

煤矿；按钮信号；采集器；PLC

1 引言

随着微电子技术、网络技术、通信技术和现代控制技术的发展，现场总线技术和可编程逻辑控制器（PLC）通信技术也在日趋成熟，并在自动化工业生产中发挥着重要的作用[1]。PLC在煤矿井下的应用也越来越多，以PLC为核心的控制系统运行状况良好，性能稳定[2]。目前，国内在煤矿井下使用的PLC有隔爆兼本安型PLC控制箱和本安型PLC控制箱两种[3]，其中以隔爆兼本安型PLC控制箱的应用居多。

隔爆兼本安型PLC控制箱就是将通用PLC放入隔爆壳内以满足煤矿安全要求，这种方式可以最大限度地保持通用PLC稳定可靠的特性，同时在设备内部设计有隔离电路，保证本安电路和非安电路在电气上的隔离。隔爆兼本安型PLC控制箱作为控制核心，其需要设计操作按钮，对于控制对象多的场所，比如水泵房集控系统、带式输送机集控系统等，需要设计十几个甚至几十个按钮，这些按钮在多数情况下直接介入PLC的输入点，这会带来以下2个问题：①占用PLC输入口较多，增加设备成本；②操作面板与PLC之间的配线较多，容易导致内部走线混乱，不利于生产和调试。

为了解决上述问题，本文设计了一种基于总线的按钮信号采集器，采集器与控制面板布置在一起，按钮信号通过较短的连线接入采集器，采集器通过总线与PLC通信，将按钮的动作信号传递给PLC。在国内煤矿井下使用较多的现场总线协议是Modbus[4]，本文就以Modbus作为应用协议进行设计。

2 Modbus通信技术

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表的。现在，Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus协议无版权要求，其简单易懂，易于部署和维护。

大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。对于串行连接，存在2个变种，它们在数值数据表示和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的、采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的、冗长的表示方式[5]。Modbus协议是一个主从架构的协议，总线网络中有一个节点是主站，其他使用Modbus协议参与通信的节点是从站。每个从站设备都有一个唯一的地址，主站根据这个地址来区分不同的从站。

3 硬件设计

按钮信号采集器的信号流如图1所示。操作面板上按钮的动作信号（开关量）接入采集器的输入口，采集器内部集成Modbus，PLC根据与采集器之间约定的数据协议，定时读取采集器上按钮信号。PLC作为Modbus主站，可能需要接多个从站设备，因此，PLC采用轮询的方式读取每个从站的数据。按钮信号采集器的硬件组成情况如图2所示。按钮信号采集器的硬件主要包括MCU、监控电路、RS485通信等几个部分。

图1 信号流

图2 硬件组成

MCU（单片机）是采集器的核心，其正常工作至少需要供电和时钟源配置正确。时钟源选用外部石英晶振，相比于芯片内部时钟，其具有更好的稳定性和更高的精度。监控电路实现对MCU工作状态的简单监控，MCU通过一个管脚给监控芯片发送周期性的电平翻转信号，这种情况下，监控芯片认为MCU工作是正常的；如果在一定时间内监视到MCU管脚的电平保持不变，则监控芯片认为MCU工作出现故障，需要将其复位。这种机制可以防止MCU长时间处于故障状态，当MCU出现故障时，第一时间让其从正确位置重新开始运行。

RS485通信部分分为隔离电路和电平转换2个部分，隔离电路包括信号隔离和电源隔离，电平转换实现TTL电平跟RS485差分信号的转换。RS485电平转换芯片选用MAX487，其支持的最高通信速率为250 kbps，可以满足隔爆兼本安型PLC控制箱按钮信号响应的要求。MAX487与MCU通信有数据接收、数据发送、接收使能和发送使能4路信号，其中，由于RS485是半双工通信方式，在同一时刻，要么发送要么接收，因此接收使能和发送使能可以用MCU的一个输出口控制，最终MAX487与MCU之间有3路信号，这3路信号采用光耦进行隔离。

光耦隔离具有更好的EMC性能，有助于提高RS485通信的抗干扰能力。由于信号进行了隔离，RS485通信部分需要单独供电，即需要隔离电源。隔离电源选用金升阳公司的B0505S-W2R2的DC-DC模块，隔离耐压为1 500 VDC。电源和信号的隔离，可以防止总线上其他设备出现故障时对采集器的MCU部分造成影响，同时可以防止采集器电路出现故障时对RS485总线造成影响，这种处理方式可以大大提高RS485通信的抗干扰性和稳定性。

对于传统的按钮直接接入PLC输入口的方式，PLC可以在10 ms内快速捕获端口的电平变化，采集器是通过主从通信的方式将按钮动作信号传递到PLC，如果通信速率过低或者轮询周期过长，有可能导致短时间的动作信号无法采集到，因此通信速率和轮询周期需要合理设定。一般情况下，PLC的RS485通信速率最高为115 200 bps，此通信速率下，读取几十个按钮的数据在5 ms以内可以完成。经过实验室的测试，人操作按钮的最短动作时间为50 ms，PLC读取采集器数据的轮询周期小于50 ms，即可保证捕获到所有的按钮动作。

4 软件设计

按钮信号采集器的软件设计流程如图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通信参数设定、Modbus协议初始化等。在完成初始化后，首先采集按钮接入的相应输入口的数据，输入口的数据需要滤波，采用定时滤波的方式，若在10 ms内每个主循环采集的输入口状态都是一致的，则更新相应的输入口状态。输入口状态存储在为Modbus从站协议开辟的数据区中，等待主站轮询。在Modbus协议处理部分，当MCU收到一帧轮询数据的时候，触发一次中断，在中断服务程序中，判断主站的数据内容，若是查询按钮状态，则根据用户协议回复按钮数据。如果主站是查询采集器当前的工作状态，或是查询故障数据，则根据用户协议回复相应的数据。

图3 软件流程图

对于煤矿井下控制设备而言，其稳定性直接影响煤矿生产安全，因此要求其具有一定的故障诊断功能。采集器作为煤矿井下控制设备的一部分，不仅要采集按钮的状态，还要根据电源电压监控数据、看门狗复位数据、串口通信状态等综合判断故障状态。对故障信息的判断存储，一方面有利于PLC及时了解采集器的工作状态，以便出现故障时采取应急措施，另一方面有利于事后故障排查和工作状况评估。