DGUS多媒体屏在煤矿井下坑道钻机的应用

摘 要： DGUS多媒体屏是一种可二次开发的显示屏，为了快速有效地开发煤矿井下坑道钻机的人机界面（HMI），以可编程控制器为控制核心，通过RS 232通信接口采用Modbus协议，在DGUS系统的基础上采用OS的软件架构方法来实现。详细介绍了系统的硬件组成、硬件接口以及人机界面的软件设计，重点以主界面和故障界面为例说明显示软件的设计方法。实验结果表明，该方法可实现参数显示、页面切换、动画显示和触摸输入等功能，连续运行3天，无白屏、死屏和参数不正常的现象，参数和动画显示正常，页面切换流畅，触摸输入准确可靠。
关键词： 坑道钻机； 多媒体屏； Modbus协议； OS
中图分类号： TN911?34； TD40 文献标识码： A 文章编号： 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月国家安全监管总局号召“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动[1]，通过示范企业（矿井）建设，建立较为完善的标准体系，推动煤矿等重点行业领域机械化、自动化程度大幅提升，到2018年6月底，实现高危作业场所作业人员减少30%以上，大幅提高企业安全生产水平。煤矿生产过程中瓦斯一直危害着煤矿的安全生产，坑道钻机作为瓦斯抽采钻孔的重要机具，其性能的提升越来越重要。随着该科技强安专项行动的实施，坑道钻机急需在自动化控制上加快发展步伐[2?3]。可编程控制器（PLC）是一种用户可以二次再编程的控制器，它的出现极大地提高了开发效率和系统可靠性，而且为了提升产品档次，越来越多的煤矿高端产品使用显示屏作为人机界面，特别是多媒体显示屏[4]。由于煤矿井下的防爆要求，其应用设计中要进行电路的防爆设计[2]。基于此，本文以PLC为核心，以煤矿井下坑道钻机为例，重点阐述该多媒体屏在坑道钻机上的应用。
1 系统硬件组成
该系统的硬件组成如图1所示，由PLC、传感器、开关、手柄以及開关阀、比例阀、DGUS多媒体屏、信号调理电路和隔离安全栅组成。
信号调理电路将各输入信号进行变换和隔离处理，变换成PLC可处理的信号。DGUS屏与PLC之间采用隔离安全栅进行相应的隔离和处理。
1.1 控制器的选型
控制器是坑道钻机控制系统的核心，其选型极大地影响着钻机的控制性能。为了使控制器便于与钻机紧密贴合，这里选择工程机械上广泛应用的PLC，它们基于CoDeSys平台，支持 IEC61131?3语言。
目前市场上PLC控制器的种类繁多，在本系统中选择德国STW公司的IOXP控制器，该PLC以Infineon公司16位单片机XC2287为核心，主频80 MHz， 内含RS 232，CAN，最多26通道数字量输入，最多6通道转速输入，6通道0～10 V和8通道4～20 mA模拟量输入，可选4A低侧开关，可选4通道4A高侧开关DO或8通道PWM，1通道电压输出。
1.2 DGUS多媒体屏的选型
DGUS多媒体屏是DWIN公司生产的一种可供用户二次开发的组态屏，该屏内含控制器，采用扩展的串口方便与外围设备通信，具有TLL，RS 232和RS 485三种通信接口。由于PLC的串口通常是RS 232，因此，多媒体屏选择RS 232通信接口，采用Modbus协议进行通信。本文选择DMT80600T080_07WT型多媒体电容触摸TFT彩屏，其参数为8英寸、K600+内核、65K色5R6G5B调色板、800×600分辨率、显示尺寸为162.0 mm×
121.5 mm，内部256 B寄存器空间、56 KB变量空间、32 MB字库和图标库空间，图片存储空间为2 GB，可保存1 896幅全屏图片。
1.3 PLC与多媒体屏的接口设计
由于PLC和DUGS多媒体屏的通信信号都是RS 232，所以两者电平一致，无需电平转换，收发对应起来即可。如图2所示为两者通信的硬件通信接口电路。隔离安全栅用于将PLC与DGUS屏进行隔离和处理，一方面可以实现两者本安隔离，另一方面可以减小干扰。
2 人机界面软件设计
2.1 DGUS多媒体屏软件架构
DGUS多媒体屏的软件系统由DGUS系统和OS组成，在进行可视化配置时可选择关闭OS系统或启用OS。OS程序是用户利用OS指令集编写的，用以扩充DGUS多媒体屏现有功能的自定义程序。DGUS系统和OS共用同一刷新周期，在时间顺序上DGUS程序与OS程序是串联关系。事先可视化配置好的界面缺乏足够的灵活性，OS汇编程序可在运行过程中实时修改界面配置，可灵活实现界面显示的多样性[5]。软件界面所有显示元素依靠变量直接驱动，变量类型的不同构成不同的配置文件。用户只需通过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等目标程序文件组成。
2.2 DGUS系统可视化界面配置
本文采用在DGUS系统的基础上启用OS，使其界面开发更加灵活丰富多样。在进行二次开发前，需提前合理规划好DGUS系统要显示的变量元素的惟一地址，才能更好进行界面设计并生成界面配置。根据应用需求，坑道钻机控制系统主要包括5个显示界面，依次命名为0_xxx～4_xxx号图片，在此仅代表性选取“0_主界面.bmp”界面来简述变量规划及配置。如图3所示为主界面配置界面图。该界面由按钮、仪表工作区、数据显示区、RTC时间显示区组成。在此将选项卡按钮及上下页按钮设置为淡黄色的基础触控区域，点击相应的按钮切换到相应的图片。淡青色数据显示区10个数据变量地址依次设置为0x0000～0x0009。仪表工作区含3个圆形仪表盘，为了能动态显示仪表的指针位置，将所对应的变量配置成图标艺术字形式进行动态加载。每一小刻度做一个小图片，共需主泵压力（变量地址规划为0x0800）、泵量（变量地址规划为0x0400）、转速（变量地址规划为0x0100）三组小图标，实时刷新加载相应值的小图标。右下角淡黄色空白区域已配置为RTC日历时间显示，可实时显示当前日期时间。
2.3 DGUS系统与OS数据接收及解析
多媒体屏主界面主要使用Modbus的0x03指令操作，该指令是将数据从PLC中读取出来，然后OS后台程序将所需数据进行处理并显示。DGUS系统与OS均依靠寄存器地址来进行数据交换，因此需规划好DGUS系统与OS的寄存器地址。OS读取主界面数据显示及主界面接收函数的汇编程序截图如图4所示。
2.4 PLC与多媒体屏的Modbus通信设计
PLC与多媒体屏间的通信广泛采用Modbus协议，Modbus协议是一种通用的工业标准，采用Modbus协议控制器与设备之间可进行可靠稳定的多机通信。 Modbus协议有ASCII和RTU两种通信规约[6?7]，坑道钻机控制系统采用RTU通信规约， Modbus RTU数据帧包括1 B地址、1 B功能码、N B数据和2 B的校验码。依照Modbus RTU数据帧格式，将PLC作为主机，其地址码设为0x01，多媒体屏作为从机，其地址码设为0x05，由于多媒体屏所有的显示都是围绕着当前页面来进行的，PLC需實时查询多媒体屏当前界面页数，多媒体屏收到查询指令后返回当前界面页号。
比如PLC查询到多媒体屏当前页面号为0x00，表明当前页面为0号主界面。如表1所示，简述一下坑道钻机控制系统Modbus RTU通信帧交互过程，并给出PLC端软件通信流程，如图5所示。系统上电后，进行系统初始化，主界面显示，然后进入主循环，PLC接收RS 485主CAN数据，读取面板开关手柄的指令，PLC查询屏当前页面时，发送数据帧“0x01 0x81 0x03 0x01”，其中0x03为DGUS的图片寄存器，多媒体屏接收此帧后返回应答“0x05 0x81 0x03 0x01 0x00”表明当前页面号为0x00，即0号主界面。在0号主界面下如需切换到2号页面时，只需向屏发送数据帧“0x01 0x80 0x03 0x02”，屏收到此帧不应答直接切屏到2号故障诊断页面。
在0号主界面下想要实时显示“油箱油位（变量地址规划为0x0008）”的当前值，假设该当前值为0x0050，PLC向屏发送“0x01 0x82 0x0008 0x0050”，屏接收到该帧后不应答，直接将“油箱油位”显示为十进制为80，其他变量地址对应的参数显示依次类推。在主循环过程中，PLC进行数据的采集滤波和计算从而获得钻机参数，并实时更新显示屏参数，最后根据面板指令控制电磁阀的动作。
3 实验结果
如图6如示为钻机运行过程中的界面效果。以主泵压力参数为例进行说明，当所监测的主泵参数在电动机启动前保持为0，上电后进行打钻时，其主泵压力持续上升，显示屏的主泵压力表指针连续正转，转动平稳，到达12 MPa时主泵压力稳定，主泵压力指针停止转动，观察DGUS屏指针指向11.9 MPa。由此可见，当前主泵压力为11.9 MPa。屏幕右下角实时显示当前时间，经过连续3天的测试，显示屏工作正常，没出现过白屏和死屏现象。当触摸故障诊断选项卡，显示故障页面，如图7所示，显示当前无故障，工作正常，在故障页面中通过该触摸可以点击添加、删除和查找故障。
4 结 语
通过连续3天的测试，该方法可以实现参数显示、页面切换和动画显示的功能，参数、动画和颜色都显示正常，页面切换流畅无卡顿，触摸输入准确可靠。通过该方法，不仅可提高坑道钻机的显示性能，还能精简外围电路，节省设计时间，降低开发成本。
参考文献
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