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)煤礦井下坑道鉆機的人機界面（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)方法來實現(xiàn)。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件組成、硬件接口以及人機界面的軟件設(shè)計，重點以主界面和故障界面為例說明顯示軟件的設(shè)計方法。實驗結(jié)果表明，該方法可實現(xiàn)參數(shù)顯示、頁面切換、動畫顯示和觸摸輸入等功能，連續(xù)運行3天，無白屏、死屏和參數(shù)不正常的現(xiàn)象，參數(shù)和動畫顯示正常，頁面切換流暢，觸摸輸入準確可靠。

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

中圖分類號： TN911?34； TD40 文獻標識碼： A 文章編號： 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月國家安全監(jiān)管總局號召“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動[1]，通過示范企業(yè)（礦井）建設(shè)，建立較為完善的標準體系，推動煤礦等重點行業(yè)領(lǐng)域機械化、自動化程度大幅提升，到2018年6月底，實現(xiàn)高危作業(yè)場所作業(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)，坑道鉆機作為瓦斯抽采鉆孔的重要機具，其性能的提升越來越重要。隨著該科技強安專項行動的實施，坑道鉆機急需在自動化控制上加快發(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，其應用設(shè)計中要進行電路的防爆設(shè)計[2]。基于此，本文以PLC為核心，以煤礦井下坑道鉆機為例，重點闡述該多媒體屏在坑道鉆機上的應用。

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、信號調(diào)理電路和隔離安全柵組成。

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

1.1 控制器的選型

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

目前市場上PLC控制器的種類繁多，在本系統(tǒng)中選擇德國STW公司的IOXP控制器，該PLC以Infineon公司16位單片機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字庫和圖標庫空間，圖片存儲空間為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

由于PLC和DUGS多媒體屏的通信信號都是RS 232，所以兩者電平一致，無需電平轉(zhuǎn)換，收發(fā)對應起來即可。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屏進行隔離和處理，一方面可以實現(xiàn)兩者本安隔離，另一方面可以減小干擾。

2 人機界面軟件設(shè)計

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，在進行可視化配置時可選擇關(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匯編程序可在運行過程中實時修改界面配置，可靈活實現(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，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，才能更好進行界面設(shè)計并生成界面配置。根據(jù)應用需求，坑道鉆機控制系統(tǒng)主要包括5個顯示界面，依次命名為0_xxx～4_xxx號圖片，在此僅代表性選取“0_主界面.bmp”界面來簡述變量規(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時間顯示區(qū)組成。在此將選項卡按鈕及上下頁按鈕設(shè)置為淡黃色的基礎(chǔ)觸控區(qū)域，點擊相應的按鈕切換到相應的圖片。淡青色數(shù)據(jù)顯示區(qū)10個數(shù)據(jù)變量地址依次設(shè)置為0x0000～0x0009。儀表工作區(qū)含3個圓形儀表盤，為了能動態(tài)顯示儀表的指針位置，將所對應的變量配置成圖標藝術(shù)字形式進行動態(tài)加載。每一小刻度做一個小圖片，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，實時刷新加載相應值的小圖標。右下角淡黃色空白區(qū)域已配置為RTC日歷時間顯示，可實時顯示當前日期時間。

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后臺程序?qū)⑺钄?shù)據(jù)進行處理并顯示。DGUS系統(tǒng)與OS均依靠寄存器地址來進行數(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

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)標準，采用Modbus協(xié)議控制器與設(shè)備之間可進行可靠穩(wěn)定的多機通信。 Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種通信規(guī)約[6?7]，坑道鉆機控制系統(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的校驗碼。依照Modbus RTU數(shù)據(jù)幀格式，將PLC作為主機，其地址碼設(shè)為0x01，多媒體屏作為從機，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前頁面來進行的，PLC需實時查詢多媒體屏當前界面頁數(shù)，多媒體屏收到查詢指令后返回當前界面頁號。

比如PLC查詢到多媒體屏當前頁面號為0x00，表明當前頁面為0號主界面。如表1所示，簡述一下坑道鉆機控制系統(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，進行系統(tǒng)初始化，主界面顯示，然后進入主循環(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查詢屏當前頁面時，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答“0x05 0x81 0x03 0x01 0x00”表明當前頁面號為0x00，即0號主界面。在0號主界面下如需切換到2號頁面時，只需向屏發(fā)送數(shù)據(jù)幀“0x01 0x80 0x03 0x02”，屏收到此幀不應答直接切屏到2號故障診斷頁面。

在0號主界面下想要實時顯示“油箱油位（變量地址規(guī)劃為0x0008）”的當前值，假設(shè)該當前值為0x0050，PLC向屏發(fā)送“0x01 0x82 0x0008 0x0050”，屏接收到該幀后不應答，直接將“油箱油位”顯示為十進制為80，其他變量地址對應的參數(shù)顯示依次類推。在主循環(huán)過程中，PLC進行數(shù)據(jù)的采集濾波和計算從而獲得鉆機參數(shù)，并實時更新顯示屏參數(shù)，最后根據(jù)面板指令控制電磁閥的動作。

3 實驗結(jié)果

如圖6如示為鉆機運行過程中的界面效果。以主泵壓力參數(shù)為例進行說明，當所監(jiān)測的主泵參數(shù)在電動機啟動前保持為0，上電后進行打鉆時，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)動平穩(wěn)，到達12 MPa時主泵壓力穩(wěn)定，主泵壓力指針停止轉(zhuǎn)動，觀察DGUS屏指針指向11.9 MPa。由此可見，當前主泵壓力為11.9 MPa。屏幕右下角實時顯示當前時間，經(jīng)過連續(xù)3天的測試，顯示屏工作正常，沒出現(xiàn)過白屏和死屏現(xiàn)象。當觸摸故障診斷選項卡，顯示故障頁面，如圖7所示，顯示當前無故障，工作正常，在故障頁面中通過該觸摸可以點擊添加、刪除和查找故障。

4 結(jié) 語

通過連續(xù)3天的測試，該方法可以實現(xiàn)參數(shù)顯示、頁面切換和動畫顯示的功能，參數(shù)、動畫和顏色都顯示正常，頁面切換流暢無卡頓，觸摸輸入準確可靠。通過該方法，不僅可提高坑道鉆機的顯示性能，還能精簡外圍電路，節(jié)省設(shè)計時間，降低開發(fā)成本。

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