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。
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,支持传统的一232/422/485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。
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Mas——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”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。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XMI。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。
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