Modbus協議在礦井頂板監測系統中的應用

        引言

        目前，國內煤礦監測系統種類繁多，其監測的主要目標為瓦斯、一氧化碳和溫度等。礦井頂板監測具有測點多、跨距大等特點。因此，國內礦井頂板監測的設備主要為獨立的監測儀表，費時、費力，無法完成煤礦巷道頂板的在線多點監測。

        本文針對礦井頂板監測的不足，采用Mobus RTU協議和RS485 總線設計了頂板監測系統，實現了礦井頂板網絡監測，從一定程度上提高了礦井頂板監測的自動化水平。

        一、Modbus協議簡介

        Modbus網絡屬于一種主從網絡，允許一個主機和一個或多個從機通信。通信采用命令/ 應答方式。命令幀由主機發出，從機以應答幀的方式響應主機。每個從機都有一個唯一的地址，主機通過從機地址與從機進行數據通訊。 Modbus協議有兩種傳輸模式，其分別為ASCII模式和RTU模式。在ASCII模式的消息中，每8 Bit字節都作為兩個ASCII字符發送;在RTU模式的消息中，每8 Bit 字節包含兩個4 Bit 的l6 進制字符。RTU模式中，1 字節的信息作為一個8位字符被發送, 而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送。因此，相同波特率，RTU 模式比ASCII模式可以傳送更多的數據，字符的密度也更高。就本監測系統而言，其監測點多、傳輸數據量大。因此，本系統選用RTU模式作為系統數據通訊模式，消息結構如表1 所示。

        對于主機，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，如表1 的T1-T2-T3-T4所示。當從機接收到第一字節接后判斷是否發往自己的。在最后一個傳輸字符之后，又一個至少3.5個字符時間的停頓標定了一幀消息結束。此時，從機對收到消息的地址、功能碼、數據段進行CRC校驗。倘若校驗結果與消息包含的CRC校驗吻合，則表示通信正常，否則返回錯誤代碼，表示幀通訊存在錯誤，通知主機重發命令幀。同時，整個報文幀必須以連續的字符流發送，幀內2個字符之間的間隔小于1.5個字符時間 。

        二、網絡結構

        礦井頂板監測系統由1 個主機和30個從機組成，其網絡結構如圖1 所示。主、從機之間的物理層為RS-485總線。主機可以對總線上的任一從機發送查詢和控制命令。主機、從機之間采用Modbus RTU通訊協議。

        三、硬件設計

        從機硬件框圖如圖2 所示，主要由AT89C52單片機、數據采集、LCD 顯示和通信及電源模塊等組成。頂板下沉傳感器經A/D模塊與單片機連接，單片機將采集的數據處理后與頂板安全預警閾值比較、判斷，并依據比較的結果是否聲光報警。通訊波特率、傳輸格式以及從機ID均可通過鍵盤設置。主機硬件除了將從機數據采集模塊換成海量存儲模塊外，其它與從機結構基本相。

        通訊硬件原理圖如圖3 所示。單片機TXD和RXD經由MAX485的RO和DI與RS485 總線進行數據交換;通過P1.6 和P1.7 控制MAX485 的DE和/RE ，從而控制數據接收與發送。

        四、系統軟件設計

        主機通信程序如圖4 所示，從機通信程序如圖5 所示。主機、從機接收和發送均采用中斷方式。主機首先進行總線通信故障測試，如測試正確則根據RTU協議幀的格式給分機發送消息。當從機收到消息后，首先判斷消息中的地址是否與本機相符，如相符則繼續下面的處理，否則拋棄該消息，繼續執行其它應用程序。從機在地址校驗正確后進行CRC 校驗，如果校驗錯則生成錯誤代碼80H 返回，并請求主機重發消息;如果校驗正確，繼續判斷消息中的功能碼是否可以被執行，是則執行這個功能，返回處理結果。否則返回錯誤代碼81H ，通知主機功能碼無效。

        主機發送完消息后等待從機返回消息。主機收到從機返回的消息幀后，首先進行CRC校驗，如果校驗錯，則向從機發送命令請求。如果校驗正確，則對功能碼進行判斷并做相應處理。處理方式有出錯處理和正常處理。出錯處理是主機依據不同的錯誤代碼做出相應的處理;正常處理為主機對收到的數據作進一步處理。

        五、在RTU協議模式下，前后幀之間停頓時間間隔必須大于等于3.5個字符時間、幀內兩個字符之間最大時間間隔小于等于1.5個字符時間。本監測系統采用AT89C52的一個定時器計算起始字符時間, 定時器設置為0.5個字符時間，同時設置2 個變量作為字符時間計數器。在定時器中斷程序中, 分別將2 個變量a 和b 不斷累加并判斷其是否達到7 和3 ，并在該定時器中斷服務程序中設定幀結束標志。如果a 大于3 或b 小于7則說明幀接收不完整，則發送錯誤代碼82H 。

        六、試驗結果

        在實驗室中，利用Modbus調試軟件分別對主機和分機進行了性能測試，測試波特率選取9600 。主機讀取分機(功能碼為03H )測試結果如圖6 所示。最后，本系統進行了實驗室和工業現場測試，測試結果表明系統各項性能指標達到了設計要求。

        七、結論

        經過現場測試表明，礦井頂板監測系統采用Modbus RTU協議可靠的實現了監測分機與總機之間的數據通信以及30個頂板監測點的在線監測，滿足了煤礦井下工作現場實際運行要求。由于目前國內煤礦監測監控系統大部分采用標準的Modbus RTU協議，使得監測分機很方便與國內的監測監控系統聯網，因而具有很好的使用前景。

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