通信协议接口标准化在智能煤矿的应用研究

王 波，丁 震，王 军

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西省榆林市，719315；2.国家能源集团煤炭运输部，北京市东城区，100011)

0 引言

在工业通讯控制领域，尤其是矿山信息化通信网络中，运行着来自不同厂商各种类型的生产设备。起初不同厂商的设备都设计了私有的互联总线技术，这使得各自厂商的解决方案在内部设备之间能够互联互通，但是作为设备采购方的煤矿企业，为了保证其供应链体系的安全性和多样性，就不得不面对不同厂商设备间的协同工作问题。同时，我国也存在大量小企业私有协议，比如煤矿行业的传感器、分站器和上位机之间的数据接口协议等，各个厂家之间的协议互不相同，数据也缺乏统一的标准和格式；因此，很难实现煤矿各设备数据的集中采集、交互和价值挖掘。

当前煤矿设备标准协议“七国八制”多达几十种，例如控制器OPC UA、Modbus TCP分别是OPC基金会和施耐德电气广泛推广的标准；井下生产设备多数采用国外的罗克韦尔公司制定的EIP和西门子公司制定的Profinet的标准；工控机多采用EPSG标准化组织主导的POWERLINK的协议标准。而要实现智能化煤矿的各项功能性指标，就必须获取煤矿生产现场的第一手数据，通过标准化通信协议接口的方式实现高效、准确的现场数据采集、传输和共享应用，继而开发全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统。

1 智能化矿山通信协议接口的重要性

1.1 通信协议接口在矿山领域的应用

煤矿井下有大量的生产设备和安全监测设备，涉及到许多不同的设备厂家，要正常开展煤矿井下的生产，需要多台设备协调协同作业才能完成。协同作业需要设备或系统间实现大量数据的高效、可靠交互，通过通信协议接口按照一定规则才能完成数据通信，通信协议接口在整个智能化矿山建设的全场景都有着广泛的应用，每个环节的数据采集或传输都少不了通信协议接口。煤矿企业通信协议接口应用场景如图1所示。

图1 煤矿企业通信协议接口应用场景

(1)场景1：煤矿侧数据中心与集团侧云数据中心业务交互场景。该场景中集团侧云计算数据中心与煤矿侧数据中心根据业务需求传输和交换数据，为各类智能化应用提供安全可靠的数据服务模式，一般使用以太网、OPC UA、MQTT、SFTP、RTSP等应用层通信协议接口。

(2)场景2：生产集中控制系统/安全集中监测系统与煤矿侧数据中心业务交互场景。该场景中生产集中控制系统集成分散运行的采、掘、机、运、通等设备控制子系统，实现煤矿生产一体化远程集中监控、跨系统智能联动控制；安全集中监测系统集成矿井瓦斯、水、火、顶板、矿压等监测数据，建立综合的智能安全监测体系，实现集中监测、分级报警和融合分析。生产集中控制系统/安全集中监测系统中集成的数据统一汇集到煤矿侧数据中心实现生产、安全类数据的集中管理和应用。一般使用工业以太网、OPC UA、MQTT等应用层通信协议接口。

(3)场景3：现场生产设备与监测监控平台的远程业务交互场景。该场景中生产网络(以太网、工业以太网现场总线等)中的各类信息化设备与集中监测监控平台实现远距离数据采集与传输通信。一般使用工业以太网、OPC UA、EIP、Modbus等应用层通信协议接口。

(4)场景4：现场安全感知系统与监测监控平台的远程业务交互场景。该场景中通过生产网络和通信协议接口获取安全监测类设备实时数据，并通过API等接口方式获取煤矿设备供应商服务信息、气象信息、互联网信息、其他公共服务部门信息、安全监管部门信息等。非实时数据可采用API接口、数据库同步等方式集成数据。

(5)场景5：设备间业务交互场景。该场景中面向有实时通信要求的本地局域网内的业务交互场景，在生产网络环境中通过通信协议接口实现现场设备之间的实时本地联动和协同控制，以及支持无线手持设备(比如巡检设备)与被控设备间的现场实时点检与控制，一般使用EIP、Modbus等应用层通信协议接口。

(6)场景6：工业现场总线及异构系统接入场景。该场景中实现工业现场总线型传感器及执行器跨分站或网关的数据交互。

1.2 通信协议接口在煤矿机电设备内部通信的应用

以采煤机系统内部数据采集与传输架构为例，内部通信主要采用通信协议接口或硬接线的方式，实现主控制器和其他执行部件的数据交互。

主控制器是采煤机控制系统的核心，其他执行部件都需要通过通信接口或硬接线的方式与主控制器交互信息才能完成统一协调的动作。硬接线方式一般应用于重要且数据量较少的场景，当需要进行大量数据的实时、可靠传输就需要各类现场总线或工业以太网的通信协议接口来完成。采煤机系统内部通信协议接口应用情况如图2所示。

图2 采煤机内部通信协议接口应用情况

采煤机各类执行部件均需要通过各类通信协议接口完成与控制器的交互，只有通过各类通信协议接口实现传输大量数据的采集与传输，才能让整个采煤机系统高效、准确的运转。主要用到的采煤机内部通信协议接口为：一是变频器采用PowerLink协议完成与主控制器的通信交互；二是电机保护器、遥控器、I/O模块通过CAN协议完成与主控制器的通信交互；三是采煤机显示器、无线发射基站通过Ethernet协议完成与主控制器的通信交互。

1.3 智能化煤矿建设中数据采集与传输难点

(1)现场数据获取难。煤矿生产现场设备多、数据量大、环境复杂，导致数据采集难以保证全面完整性。尤其体现在以下几个方面：一是数量多，煤矿机电设备种类多、数量大，人工进行数据采集时对各类设备的管理难度较大；二是数据点表乱，同一类型、不同厂商的设备，采集的数据点数量不统一、名称各异、数据格式(单位、精度等)不统一，造成每采集1台设备需要大量的时间与设备厂家协商数据点表，大大增加了数据采集时间，设备使用周期结束时，数据采集还未完成；三是采集的实时性、及时性差，面对如此庞大且复杂的设备群，在设备投用后，要实现即时、快速、稳定、全面、低维护成本的设备接入，并完成高质量的数据采集难度较大[1]。

(2)通信协议接口种类多。工业领域有多种通信协议、标准及通信方式，应用在不同环境中，难以找到通用统一的工业通信协议标准。当前国内煤矿设备接口协议“七国八制”，制约数据价值的挖掘和应用。烟囱式的系统建设且独立部署，维护成本高，并严重制约了数据的流通与协同应用。

(3)设备控制的实时性难保证。当前市场上在用的通信协议接口多种多样，分别拥有不同数据传输特性，有些比较适合传输实时数据，有些比较适合传输文本数据，在实际使用中，并没有对这些协议的使用场景按照优势进行分类和规定，导致现场协议需要多次转换才能最终集成并实现采集和传输，这就大大增加了数据采集和传输的延时。再者，当前工业通信协议接口标准与满足智能化煤矿新场景需求间存在差距，传统技术对高精度、低时延的工业场景难以满足重要的信息实时采集和上传的要求，技术难度较高。

(4)现场人工维护量大。目前每采集一台设备都需要具体的人员去配置静态网络地址，配置上位数据采集软件，配置组态、配置数据点表等，人工劳动量巨大，维护难度大。现场数据上传时，需要设备厂家深入参与，依赖设备厂家技术人员的配合，这样往往造成生产单位付出过多的人力、财力、物力的成本，并且效果仍不明显。

2 《智能化矿山数据融合共享规范》架构体系

当前，智能化矿山建设过程中面临数据编码不统一、传输协议不开放、系统集成难度大等突出问题，导致煤矿企业在进行智能化煤矿建设时各自为政、重复投入，浪费了大量的人力、物力、财力，最后实现的效果也不好，无法统一管理，数据利用效率较低。

为了全面推进矿山智能化建设，建立统一的矿山数据采集、传输融合、共享规范体系，实现矿山安全、生产、经营、管理等环节的数据融合和共享应用，2022年3月，国家矿山安全监察局统一部署，应急管理部信息研究院组织智能化矿山建设领域的专家、高校、矿山核心企业及核心设备供应商，共同研究编制了《智能化矿山数据融合共享规范》(以下简称《规范》)系列标准[2-5]。

其中，《智能化矿山数据融合共享 通信接口与协议规范》(以下简称《通信接口与协议规范》)是《规范》的第三部分，通过建立统一的矿山数据采集、传输、融合、共享规范体系，可解决智能化矿山建设过程中传输协议不开放、数据孤岛林立等突出问题。《通信接口与协议规范》定义了当前智能化矿山主要的数据类型，以数据流的采集、传输和应用为主线，针对当前工业现场使用的主流通信接口协议在采集层、传输层和应用层分别进行了梳理和应用分析，规范了智能化矿山数据采集、传输、协同共享过程中的接口方式和通信协议基本要求，明确了不同通信接口协议之间的转换规则，保障了数据高效、有序、精准传输，从而实现矿山安全、生产、经营、管理等环节的数据融合和共享应用。《规范》的编制为整个矿山行业数据采集与传输业务提出了规范性的指导，对矿山行业智能化建设进程有着重要意义。

2.1 《通信接口与协议规范》总体架构

《通信接口与协议规范》规定了智能化矿山数据采集、传输和协同共享的协议规范结构、总体要求和对设备模型以及传输数据的要求；共分为主体规范、服务规范和管理规范3个板块、9个部分。其中，主体规范包括基本要求和接口；服务规范包括服务、发现、连接、报文和配置；管理规范包括安全和管理。《通信接口与协议规范》总体架构如图3所示。

图3 《通信接口与协议规范》总体架构

(1)主体规范。主体规范明确了智能化矿山数据采集、传输、协同共享过程中的接口方式和通信协议，规定了感知层协议转换和应用层数据共享的接口和协议。明确了数据采集、传输、协同共享过程中的通信接口与协议总体要求，描述了智能化矿山设备抽象后的理论模型。

(2)服务规范。服务规范为智能化矿山数据采集、传输及上层应用的通信接口与协议配置提供支撑。其中，服务部分规定了发现服务集、安全服务集、连接服务集、配置服务集、文件传输服务集和告警服务集等，实现对服务的分组管理；发现部分规定了感知层和应用层的发现方式、发现流程以及发现服务基本属性及格式；连接部分规定了感知层数据采集的连接方式、连接过程以及传输层的连接建立/断开过程；规定了应用层协议解析、控制下发及数据共享过程；发现部分还规定了感知层和应用层的发现方式、发现流程以及发现服务基本属性及格式；连接部分还规定了感知层数据采集的连接方式、连接过程以及传输层的连接建立/断开过程；规定了应用层协议解析、控制下发及数据共享过程[6-7]。

(3)管理规范。管理规范为数据采集过程的安全、透明、可靠传输提供保障。其中，安全部分规定了智能化矿山设备通信的安全模型、安全接入要求、安全传输要求、访问控制要求及安全审计要求；管理部分规定了智能化矿山数据采集、传输与协同共享过程中的管理参考模型、管理技术要求。

2.2 《通信接口与协议规范》中通信协议接口规定

《通信接口与协议规范》规定智能化矿山通信接口与协议的网络模型按照数据采集、传输、协同共享的应用需求分为感知层、传输层、应用层3层，并分别规范了各层中通信协议与接口的使用要求。智能化矿山通信接口与协议的网络模型如图4所示。

图4 智能化矿山通信接口与协议的网络模型

(1)感知层规定。感知层通过定义物理接口规范和建立数据连接，采用有线接口通过标准工业物联网协议接入上层交换机或使用无线网络对智能化矿山生产现场的传感器、机电设备和各类应用系统的感知数据、文本数据、音视频数据实现数据采集。感知层中使用非IP寻址的协议时，一般将地址转换为IP向传输层提供统一的工业物联网接口。感知层常用的通信接口与协议包括有线直连接口协议(Ethernet/IP和MQTT)、有线非直连接口协议(Modbus、CAN、Profibus、RS485)、无线网络接口协议(WiFi、4G、5G、RFID、UWB、BT、NB-IoT)

(2)传输层规定。传输层通过路由协议和地址解析，实现数据传输，并为层应用(如矿端管控平台、矿端数据中心及其它应用系统)提供透明可靠的数据传输服务，常用通信接口与协议包括IPv4/IPv6协议和TCP/UDP协议。

(3)应用层规定。应用层通过发现、连接、服务、配置、安全功能，提供应用程序数据访问，实现智能矿山不同类型数据的融合共享。应用层常用的通信接口与协议包括数据解析协议(OPC UA、MQTT、Modbus TCP、RTSP、Onvif、IEC-104、EPA等)以及数据共享协议(OPC UA 、MQTT、SFTP、RTSP)，其中，OPC UA用于感知数据中实时/历史数据和控制命令的数据交互，MQTT用于感知数据中自定义格式的数据传输、SFTP用于文本数据传输，RTSP用于音视频数据传输。

2.3 数据采集与传输应用场景分类

通过对感知层、传输层和应用层通信协议与接口使用要求的规范，在理论上实现了协议使用的规范性和标准化，但具体应用还需要针对不同的现场场景来匹配合适的通信协议接口，《通信接口与协议规范》也对智能化煤矿数据采集和传输的主要场景进行了梳理，主要包括直接采集方式、协议转换采集方式、系统中转采集方式3种[8-10]。直接采集方式的数据传输接口支持标准工业物联网通信协议(如Ethernet/IP、Modbus TCP、OPC UA等)的矿山设备或子系统，应采用标准工业物联网接口直接接入矿山工业环网进行通信。协议转换采集方式的数据传输接口是总线接口(如Modbus RTU、CAN、Profibus或RS485)的矿山设备或子系统，将总线接口转换为标准工业物联网接口后接入矿山工业环网进行通信。系统中转采集方式的数据传输接口不是标准通信接口但具有上位机或服务器的子系统，由上位机或服务器端中转接入矿山工业环网进行通信。

针对不同的使用场景，相应的感知层、传输层和应用层都配置了不同的设备，所以在实际应用中要注意每个通信节点配置的设备，以及该设备应当支持的协议类型要符合智能化矿山通信接口与协议的网络模型中的相关要求。

2.4 设备间数据交互通信的应答模式

在智能化煤矿数据采集和传输的业务场景中，各设备之间通信的应答模式应统一采用“客户端-服务端”模式，设备应能同时充当客户端和服务端。客户端支持同一时刻与一个或多个服务端进行交互；服务端也支持同一时刻与一个或多个客户端进行交互。智能化煤矿数据采集和传输协议的客户端/服务端交互模型如图5所示。

图5 客户端/服务端交互模型

3 应用案例

3.1 连续采煤机电控系统自主研发与应用

3.1.1 连采机电控系统自主开发背景

国能神东煤炭集团有限责任公司(以下简称“神东公司”)现有50余台连续采煤机，其中绝大部分为进口设备，无法实现数据上传和远程控制，这对综采工作面智能化建设造成严重制约。连续采煤机控制程序作为连续采煤机研发、生产的核心技术，一直掌握在国外主机厂商及国内少数煤机电控改造厂商手里，自主研发连续采煤机控制系统，可根本上解决进口连续采煤机存在的问题，推动神东公司综采工作面智能化建设。

3.1.2 PLC控制器与执行机构通信控制研究

研究连续采煤机核心PLC控制与电机保护器、变频器、分布式IO模块、遥控器等执行机构部件的通信协议接口技术，打通通信链路。其中，连续采煤机共有6台电机保护器、4组IO通信模块、2台倾角仪、1台语音报警器和2台遥控器通过CAN总线协议与控制器实现通信；2台牵引变频器通过POWERLINK协议实现与控制器通信；人机交互显示器通过IMA(工业以太网)与控制器实现通信。连续采煤机PLC控制器与执行机构通信连接示意如图6所示。

图6 连续采煤机PLC控制器与执行机构通信连接示意

3.1.3 连续采煤机控制程序结构设计

连续采煤机控制程序全部使用模块化结构设计，程序设计有本地控制(遥控器控制)、泵控制、风机控制、截割控制、运输控制、牵引控制、液压控制、保护功能、CAN通信驱动、语音预警控制、数据处理共计11个程序模块，各模块功能划分明确，模块间独立运行、相互调用，具有故障易查找、功能易修改升级等特点。

3.2 协议系列标准研究

3.2.1 EtherNet/IP协议研究背景

煤炭生产是一个多设备的工作体系和统一调度运行的复杂过程，目前神东公司的煤炭开采机械化程度已经达到100%，但是设备的协调运行还需要人员就地进行操作，自动化程度还有待提高，而设备之间具有的通信接口和协议种类繁多，使得配套的开采装备系统变得复杂、难以维护，可靠性也较差。神东公司智能矿山的建设和实施亟需统一标准的工业以太网通信接口与协议，通过将以太网的开放和互联特性引入到生产设备层，使机电设备具有统一的工业以太网通信接口和协议，将使实时生产数据集成到企业信息化系统中，增强对煤炭生产和矿井各系统的集中监控能力。

目前，国内外煤炭机电设备所采用多种通信接口与协议，较为典型的有串行RS485、CAN总线、以太网，Modbus RTU、Modbus TCP、BB22444等协议，部分厂家也采用自定义协议。由于设备的接口形式多种多样，单模光纤、多模光纤、RJ45、双绞线等并行使用，因此上联设备需要定制通信分站，不仅成本高，而且故障率高且维护难度大。因此，制定适应于神东公司，乃至国内煤炭行业数字矿山发展需求的机电设备通信协议标准化方案是亟待解决的重要问题。

3.2.2 EtherNet/IP协议研究成果

针对上述情况，神东公司组织编制了并实践了《煤矿机电设备通信接口和EtherNet/IP协议系列标准》(共11项)，对煤矿综采和供电机电设备的数据标准化采集接口、寻址层级、语义标书进行了规定，并研制开发了协议转换装置，现场使用后证实了该标准的可用性。本标准的相关技术成果致力于解决数字矿山机电设备之间的互操作、数据共享、自由接入难题，为产品的配套、设备之间的协同工作提供技术支撑，进而利于在此基础上开发建设更高技术水平的自动化、信息化煤炭采掘系统，进一步提高工效，保障安全生产。

2018年11月，神东公司正式发布了《矿山机电设备通信接口和协议》(Q/GNSD J100801060310-2018)企业标准,并于2019年1月1日开始实施。2021年,该标准由国家能源集团正式发布《煤矿机电设备通信接口和协议》(Q/GN 0033.1-2021～Q/GN 0033.11-2021)企业标准，共11项。2023年，该标准正式发布为能源行业标准，名称为《煤矿综采工作面机电设备EtherNet/IP通信接口和协议》(NB/T 11118.X-2023)，共11部分，开始在煤炭行业推广实施。

3.2.3 EtherNet/IP协议关键技术

EtherNet/IP协议能在煤矿生产现场实际应用，关键技术支撑主要有以下2个方面：

(1)EtherNet/IP协议技术。根据煤矿机电设备数据通信需求，按照高内聚、低耦合的思想，设计了26个新的CIP对象模型，覆盖综采、供电系统的主要机电设备的数据通信需求。EtherNet/IP 协议使用抽象的对象模型来描述可供使用的一系列通信服务、网络节点的外部可见行为、设备获取及交换信息的通用方法。每个EtherNet/IP设备用若干对象的一个集合来描述，用对象将设备的功能分成逻辑相关的子集，每个都有确切定义的行为。

(2)协议转换和接口改造技术。为了适应神东公司矿井设备的接口改造需求，神东公司研发了智能网关，具有多路RS485、RS232、CAN接口，并将包括Modbus在内的多种工业通信协议转换为EtherNet/IP协议，直接接入“一网一站”。同时，智能网关具备WiFi等无线通信技术，能够与“一网一站”综合分站数据无线数据通信，也兼具通过人员定位模块进行数据上传的功能。

4 实践应用

目前，神东公司所有综采工作面设备都利用EtherNet/IP协议实现了数据上传，神东公司在布尔台煤矿、寸草塔煤矿、寸草塔二矿、乌兰木伦煤矿等矿井的配电点、泵房等地点的馈电、照明综保、磁力启动器等设备也都实现了用智能网关将Modbus协议转换为EtherNet/IP协议的数据采集功能，设备运行稳定、可靠。经过长时间实践证明，综采自动化系统的EtherNet/IP通讯平台具有以下特点。

(1)数据上传实现了“即插即用”。在采煤机、刮板输送机、液压支架等大型设备搬家倒面期间，只要工作面网络畅通、配置相应IP就能实现数据上传。

(2)数据量大、传输速率快。单台液压支架数据点位达到了200多个，整个综采工作面数据点位将近3万个，2019年，在哈拉沟煤矿实测结果表明，从下发控制命令至收到接触器闭合反馈点用时不到300 ms，响应速率是ModbusRTU协议的6倍。

(3)统一了矿用各类设备通信协议和接口的标准。任何厂家同一类设备EtherNet/IP协议的点表都相同，减轻了数据采集人员工作量，为实现远程控制、故障判断、大数据分析、数字矿山奠定了坚实的基础。

5 结语

统一的、规范的、标准的智能化煤矿通信协议接口可以减轻设备厂商的协议实现投入，加速设备的数据通信协议归一，降低通信成本。通过建立统一的智能化煤矿数据采集、传输、融合、共享标准规范，最终解决目前智能化建设中面临的子系统分散建设、兼容性差等突出问题，破除“数据壁垒”和“信息烟囱”，实现数据融合、共享和智能化应用，打破信息壁垒。同时有利于解决数字矿山机电设备之间的互操作、数据共享、自由接入难题，为产品的配套、设备之间的协同作业提供技术支撑，进而利于在此基础上开发建设更高技术水平的自动化、信息化煤炭采掘系统，进一步提高工效，保障安全生产。随着煤矿智能化建设进程的不断推进，逐渐由人工现场作业向远程监测监控的智能化生产转变，采用远程集中控制、智能化装备等新技术和新装备，通过全作业流程标准化、数字化的煤矿企业将极大提升作业安全和生产效率[11-13]。