摘 要： DGUS多媒體屏是一種可二次開發(fā)的顯示屏，為了快速有效地開發(fā)煤礦井下坑道鉆機(jī)的人機(jī)界面（HMI），以可編程控制器為控制核心，通過RS 232通信接口采用Modbus協(xié)議，在DGUS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用OS的軟件架構(gòu)方法來實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成、硬件接口以及人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)以主界面和故障界面為例說明顯示軟件的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、頁(yè)面切換、動(dòng)畫顯示和觸摸輸入等功能，連續(xù)運(yùn)行3天，無(wú)白屏、死屏和參數(shù)不正常的現(xiàn)象，參數(shù)和動(dòng)畫顯示正常，頁(yè)面切換流暢，觸摸輸入準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞： 坑道鉆機(jī)； 多媒體屏； Modbus協(xié)議； OS

中圖分類號(hào)： TN911?34； TD40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0096?04

Abstract： The DGUS multimedia screen is a screen which can be developed secondly. In order to quickly and efficiently develop the human?machine interface （HMI） of the underground drilling rig of the coal mine， the programmable logic controller （PLC） is taken as the control core of the system. On the basis of the DGUS system， the software architecture of OS is used to implement the HMI with RS 232 communication interface by using the Modbus protocol for RS 232 communication interface. The hardware composition and hardware interface of the system， and software design of the HMI are introduced in detail. The design method of the display software is illustrated by taking the main interface and fault interface as the instances. The experiment results show that the method can realize the functions of parameter display， page switching， animation display and touch input， and in continuous running in 3 days， there are no phenomena of white screen， halted screen and abnormal parameters， the parameters and animation are displayed normally， pages are switched smoothly， and the touch input is accurate and reliable.

Keywords： underground drill rig； multimedia screen； Modbus protocol； OS

0 引 言

2015年6月國(guó)家安全監(jiān)管總局號(hào)召“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)[1]，通過示范企業(yè)（礦井）建設(shè)，建立較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)煤礦等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域機(jī)械化、自動(dòng)化程度大幅提升，到2018年6月底，實(shí)現(xiàn)高危作業(yè)場(chǎng)所作業(yè)人員減少30%以上，大幅提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平。煤礦生產(chǎn)過程中瓦斯一直危害著煤礦的安全生產(chǎn)，坑道鉆機(jī)作為瓦斯抽采鉆孔的重要機(jī)具，其性能的提升越來越重要。隨著該科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)的實(shí)施，坑道鉆機(jī)急需在自動(dòng)化控制上加快發(fā)展步伐[2?3]?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種用戶可以二次再編程的控制器，它的出現(xiàn)極大地提高了開發(fā)效率和系統(tǒng)可靠性，而且為了提升產(chǎn)品檔次，越來越多的煤礦高端產(chǎn)品使用顯示屏作為人機(jī)界面，特別是多媒體顯示屏[4]。由于煤礦井下的防爆要求，其應(yīng)用設(shè)計(jì)中要進(jìn)行電路的防爆設(shè)計(jì)[2]?；诖?，本文以PLC為核心，以煤礦井下坑道鉆機(jī)為例，重點(diǎn)闡述該多媒體屏在坑道鉆機(jī)上的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，由PLC、傳感器、開關(guān)、手柄以及開關(guān)閥、比例閥、DGUS多媒體屏、信號(hào)調(diào)理電路和隔離安全柵組成。

信號(hào)調(diào)理電路將各輸入信號(hào)進(jìn)行變換和隔離處理，變換成PLC可處理的信號(hào)。DGUS屏與PLC之間采用隔離安全柵進(jìn)行相應(yīng)的隔離和處理。

1.1 控制器的選型

控制器是坑道鉆機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其選型極大地影響著鉆機(jī)的控制性能。為了使控制器便于與鉆機(jī)緊密貼合，這里選擇工程機(jī)械上廣泛應(yīng)用的PLC，它們基于CoDeSys平臺(tái)，支持 IEC61131?3語(yǔ)言。

目前市場(chǎng)上PLC控制器的種類繁多，在本系統(tǒng)中選擇德國(guó)STW公司的IOXP控制器，該P(yáng)LC以Infineon公司16位單片機(jī)XC2287為核心，主頻80 MHz， 內(nèi)含RS 232，CAN，最多26通道數(shù)字量輸入，最多6通道轉(zhuǎn)速輸入，6通道0～10 V和8通道4～20 mA模擬量輸入，可選4A低側(cè)開關(guān)，可選4通道4A高側(cè)開關(guān)DO或8通道PWM，1通道電壓輸出。

1.2 DGUS多媒體屏的選型

DGUS多媒體屏是DWIN公司生產(chǎn)的一種可供用戶二次開發(fā)的組態(tài)屏，該屏內(nèi)含控制器，采用擴(kuò)展的串口方便與外圍設(shè)備通信，具有TLL，RS 232和RS 485三種通信接口。由于PLC的串口通常是RS 232，因此，多媒體屏選擇RS 232通信接口，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。本文選擇DMT80600T080_07WT型多媒體電容觸摸TFT彩屏，其參數(shù)為8英寸、K600+內(nèi)核、65K色5R6G5B調(diào)色板、800×600分辨率、顯示尺寸為162.0 mm×

121.5 mm，內(nèi)部256 B寄存器空間、56 KB變量空間、32 MB字庫(kù)和圖標(biāo)庫(kù)空間，圖片存儲(chǔ)空間為2 GB，可保存1 896幅全屏圖片。

1.3 PLC與多媒體屏的接口設(shè)計(jì)

由于PLC和DUGS多媒體屏的通信信號(hào)都是RS 232，所以兩者電平一致，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，收發(fā)對(duì)應(yīng)起來即可。如圖2所示為兩者通信的硬件通信接口電路。隔離安全柵用于將PLC與DGUS屏進(jìn)行隔離和處理，一方面可以實(shí)現(xiàn)兩者本安隔離，另一方面可以減小干擾。

2 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

2.1 DGUS多媒體屏軟件架構(gòu)

DGUS多媒體屏的軟件系統(tǒng)由DGUS系統(tǒng)和OS組成，在進(jìn)行可視化配置時(shí)可選擇關(guān)閉OS系統(tǒng)或啟用OS。OS程序是用戶利用OS指令集編寫的，用以擴(kuò)充DGUS多媒體屏現(xiàn)有功能的自定義程序。DGUS系統(tǒng)和OS共用同一刷新周期，在時(shí)間順序上DGUS程序與OS程序是串聯(lián)關(guān)系。事先可視化配置好的界面缺乏足夠的靈活性，OS匯編程序可在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)修改界面配置，可靈活實(shí)現(xiàn)界面顯示的多樣性[5]。軟件界面所有顯示元素依靠變量直接驅(qū)動(dòng)，變量類型的不同構(gòu)成不同的配置文件。用戶只需通過SD卡更新配置文件即可更新程序。其配置文件主要由13.bin，CONFIG.TXT，14.bin，23.bin等目標(biāo)程序文件組成。

2.2 DGUS系統(tǒng)可視化界面配置

本文采用在DGUS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上啟用OS，使其界面開發(fā)更加靈活豐富多樣。在進(jìn)行二次開發(fā)前，需提前合理規(guī)劃好DGUS系統(tǒng)要顯示的變量元素的惟一地址，才能更好進(jìn)行界面設(shè)計(jì)并生成界面配置。根據(jù)應(yīng)用需求，坑道鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要包括5個(gè)顯示界面，依次命名為0_xxx～4_xxx號(hào)圖片，在此僅代表性選取“0_主界面.bmp”界面來簡(jiǎn)述變量規(guī)劃及配置。如圖3所示為主界面配置界面圖。該界面由按鈕、儀表工作區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、RTC時(shí)間顯示區(qū)組成。在此將選項(xiàng)卡按鈕及上下頁(yè)按鈕設(shè)置為淡黃色的基礎(chǔ)觸控區(qū)域，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕切換到相應(yīng)的圖片。淡青色數(shù)據(jù)顯示區(qū)10個(gè)數(shù)據(jù)變量地址依次設(shè)置為0x0000～0x0009。儀表工作區(qū)含3個(gè)圓形儀表盤，為了能動(dòng)態(tài)顯示儀表的指針位置，將所對(duì)應(yīng)的變量配置成圖標(biāo)藝術(shù)字形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。每一小刻度做一個(gè)小圖片，共需主泵壓力（變量地址規(guī)劃為0x0800）、泵量（變量地址規(guī)劃為0x0400）、轉(zhuǎn)速（變量地址規(guī)劃為0x0100）三組小圖標(biāo)，實(shí)時(shí)刷新加載相應(yīng)值的小圖標(biāo)。右下角淡黃色空白區(qū)域已配置為RTC日歷時(shí)間顯示，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前日期時(shí)間。

2.3 DGUS系統(tǒng)與OS數(shù)據(jù)接收及解析

多媒體屏主界面主要使用Modbus的0x03指令操作，該指令是將數(shù)據(jù)從PLC中讀取出來，然后OS后臺(tái)程序?qū)⑺钄?shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。DGUS系統(tǒng)與OS均依靠寄存器地址來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需規(guī)劃好DGUS系統(tǒng)與OS的寄存器地址。OS讀取主界面數(shù)據(jù)顯示及主界面接收函數(shù)的匯編程序截圖如圖4所示。

2.4 PLC與多媒體屏的Modbus通信設(shè)計(jì)

PLC與多媒體屏間的通信廣泛采用Modbus協(xié)議，Modbus協(xié)議是一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用Modbus協(xié)議控制器與設(shè)備之間可進(jìn)行可靠穩(wěn)定的多機(jī)通信。 Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種通信規(guī)約[6?7]，坑道鉆機(jī)控制系統(tǒng)采用RTU通信規(guī)約， Modbus RTU數(shù)據(jù)幀包括1 B地址、1 B功能碼、N B數(shù)據(jù)和2 B的校驗(yàn)碼。依照Modbus RTU數(shù)據(jù)幀格式，將PLC作為主機(jī)，其地址碼設(shè)為0x01，多媒體屏作為從機(jī)，其地址碼設(shè)為0x05，由于多媒體屏所有的顯示都是圍繞著當(dāng)前頁(yè)面來進(jìn)行的，PLC需實(shí)時(shí)查詢多媒體屏當(dāng)前界面頁(yè)數(shù)，多媒體屏收到查詢指令后返回當(dāng)前界面頁(yè)號(hào)。

比如PLC查詢到多媒體屏當(dāng)前頁(yè)面號(hào)為0x00，表明當(dāng)前頁(yè)面為0號(hào)主界面。如表1所示，簡(jiǎn)述一下坑道鉆機(jī)控制系統(tǒng)Modbus RTU通信幀交互過程，并給出PLC端軟件通信流程，如圖5所示。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主界面顯示，然后進(jìn)入主循環(huán)，PLC接收RS 485主CAN數(shù)據(jù)，讀取面板開關(guān)手柄的指令，PLC查詢屏當(dāng)前頁(yè)面時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)幀“0x01 0x81 0x03 0x01”，其中0x03為DGUS的圖片寄存器，多媒體屏接收此幀后返回應(yīng)答“0x05 0x81 0x03 0x01 0x00”表明當(dāng)前頁(yè)面號(hào)為0x00，即0號(hào)主界面。在0號(hào)主界面下如需切換到2號(hào)頁(yè)面時(shí)，只需向屏發(fā)送數(shù)據(jù)幀“0x01 0x80 0x03 0x02”，屏收到此幀不應(yīng)答直接切屏到2號(hào)故障診斷頁(yè)面。

在0號(hào)主界面下想要實(shí)時(shí)顯示“油箱油位（變量地址規(guī)劃為0x0008）”的當(dāng)前值，假設(shè)該當(dāng)前值為0x0050，PLC向屏發(fā)送“0x01 0x82 0x0008 0x0050”，屏接收到該幀后不應(yīng)答，直接將“油箱油位”顯示為十進(jìn)制為80，其他變量地址對(duì)應(yīng)的參數(shù)顯示依次類推。在主循環(huán)過程中，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集濾波和計(jì)算從而獲得鉆機(jī)參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新顯示屏參數(shù)，最后根據(jù)面板指令控制電磁閥的動(dòng)作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6如示為鉆機(jī)運(yùn)行過程中的界面效果。以主泵壓力參數(shù)為例進(jìn)行說明，當(dāng)所監(jiān)測(cè)的主泵參數(shù)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前保持為0，上電后進(jìn)行打鉆時(shí)，其主泵壓力持續(xù)上升，顯示屏的主泵壓力表指針連續(xù)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，到達(dá)12 MPa時(shí)主泵壓力穩(wěn)定，主泵壓力指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察DGUS屏指針指向11.9 MPa。由此可見，當(dāng)前主泵壓力為11.9 MPa。屏幕右下角實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間，經(jīng)過連續(xù)3天的測(cè)試，顯示屏工作正常，沒出現(xiàn)過白屏和死屏現(xiàn)象。當(dāng)觸摸故障診斷選項(xiàng)卡，顯示故障頁(yè)面，如圖7所示，顯示當(dāng)前無(wú)故障，工作正常，在故障頁(yè)面中通過該觸摸可以點(diǎn)擊添加、刪除和查找故障。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過連續(xù)3天的測(cè)試，該方法可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、頁(yè)面切換和動(dòng)畫顯示的功能，參數(shù)、動(dòng)畫和顏色都顯示正常，頁(yè)面切換流暢無(wú)卡頓，觸摸輸入準(zhǔn)確可靠。通過該方法，不僅可提高坑道鉆機(jī)的顯示性能，還能精簡(jiǎn)外圍電路，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊富.在全國(guó)煤礦安全科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新交流大會(huì)上的講話[J].煤礦安全，2015，46（11）：1?2.

[2] 石智軍，李泉新，姚克.煤礦井下水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的新進(jìn)展[J].探礦工程，2015，42（1）：12?16.

[3] 翁寅生，殷新勝，趙良.松軟煤層坑道鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014，42（5）：100?103.

[4] 張新榮，張海堂.基于Modbus協(xié)議的觸摸屏通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007，3（3）：41?43.

[5] 谷靜波，潘洪軍.基于DGUS屏的OS二次開發(fā)及在直流屏上應(yīng)用[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（4）：370?373.

[6] 潘迪夫，習(xí)可.以PLC為通信主站的Modbus控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（5）：142?144.

[7] 袁文波，洪波，尤萬(wàn)方，等.S7?PLC基于Modbus/TCP協(xié)議通信研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35（2）：736?741.