露天煤矿机电设备通信接口和协议标准化研究

2024-01-04陈大伟杨彦飞宋泽南

中国煤炭 2023年12期

崔文，陈大伟，杨彦飞，宋泽南

(1.国能准能集团有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司数字与智能产业中心，辽宁省沈阳市，110000)

0 引言

近年来，露天煤矿机电设备通信协议的发展得到广泛关注。目前，包括远程挖机智能操控、智能供配电系统、智能防排水系统、矿卡无人驾驶等矿山设备智能化应用已相对成熟。对于未来的发展，露天煤矿的开采工艺综合化、装备系统智能化以及开采与生态重建一体化将成为主要发展方向。然而要实现这些目标，还需要解决通信接口协议不统一等问题，以避免新的“信息孤岛”形成，从而增大矿山数据融合共享的难度。因此，制定规范统一的数据采集、传输与共享标准，设计智能化矿山通信接口与协议规范成为当前矿山智能化建设的关键问题之一。

目前，我国露天煤矿基本已实现自动化生产，正由自动化向智能化快速转型发展。在转型发展过程中，露天煤矿企业投入大量的设备及设施用于智能矿山建设，涉及露天煤矿的穿孔爆破、采煤、运输、岩土排弃、安全监测、供配电等各子系统。在提升露天煤矿生产效率的同时，智能化装备的使用也越来越广泛，需要随之增加远程监控的数据。然而随着加入智能矿山网络系统设备数量的不断攀升，一系列问题也随之出现。因为露天煤矿的智能化建设缺乏统一的机电设备通信接口和协议标准，各种设备制造商使用了不同的设备接口和协议，导致系统整合难度增大、通信稳定性下降、数据质量下滑。

露天煤矿机电设备主要采用Modbus RTU、Modbus TCP、CAN、串行RS485、以太网等通信接口与协议，部分机电设备制造商甚至还采用自定义协议。这种现状存在以下问题：一是通信带宽普遍偏小，无法满足较大数据的传输及实时控制的要求；二是没有统一的标准，设备在对外应用层的数据难以互通，导致设备间互操作性不佳，这也使得无法在整套设备上部署高级智能化系统。

2022年3月，由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《智能化矿山数据融合共享规范》系列标准[1-4]。2023年6月26日，国家矿山安全监察局发布了《智能化矿山数据融合共享通信接口与协议规范》[5]，该规范第三部分主要针对智能化矿山前端设备与监测监控等系统感知数据的采集、传输和协同共享进行规范，是智能化矿山数据融合共享规范体系的关键，对矿山行业数据采集和传输业务起到指导作用。

结合《智能化矿山数据融合共享通信接口与协议规范》，需要研究出一种能够满足露天煤矿发展需求的机电设备通信协议标准化方案，在生产设备层导入以太网的相互连通性和开放性，有助于机电设备实现统一的工业以太网通信接口和协议，使得现场生产数据能够顺利融入露天煤矿智能化系统。具体做法为：一是对比分析常用的现场总线和工业以太网协议，结合煤矿生产智能化对大数据量、高带宽应用的需求越来越多的情况，提出在露天煤矿机电设备应用EtherNet/IP协议工业以太网通信技术，并实施统一的通信协议规约标准，增强煤矿机电设备间的互操作性；二是分析国内外EtherNet/IP协议的应用和标准化情况，设计和研发适用于EtherNet/IP协议标准化的机电设备技术方案和通信接口协议转换技术；三是研究面向露天煤矿业务需求的EtherNet/IP通信协议规约；四是通过实验验证和现场测试，对EtherNet/IP协议规约进行实际应用和性能评估，不断完善和优化协议规约标准，使其满足露天煤矿生产智能化的发展需求。

通过以上研究，为露天煤矿提供一种能够满足发展需求的机电设备通信协议标准化方案，使露天煤矿的智能化建设更加便捷、高效、安全。同时，也为其他矿山行业的智能化建设提供参考和借鉴。

1 露天煤矿机电设备通信存在的问题

实现自动化采矿是智能化煤矿的建设目标，并且在当前国际采矿界已经有很多研究基础和成果。自2001年起，澳大利亚Landmark项目实施以来，Landmark科学技术与工业研究机构成功设计并应用了一套综合自动化系统，该系统能够在无人看守的情况下安全地进行日常采矿、运输、岩土排放和维护等操作，这些成果为行业提供了标准化的解决方案。Landmark项目成果于2006年开始投入实际使用，截至2014年，澳大利亚已经有超过2/3的工作面在使用这项技术，这对选择通信协议提供了实践依据。

我国露天煤矿企业正积极利用各种与煤炭开采相关联的机电设备接口，其中一些仍在采用Modbus RTU异步串行协议传送数据的设备不能直接连接到工业网络中。尽管有些设备已经开始使用Modbus TCP协议，但是在多台设备需要分享数据时仍然存在问题。例如，采矿系统和电液控制系统会采用OPC协议完成数据共享，但其效率并不高效，稳定性也有待提高。

露天煤矿机电设备通信存在如下主要问题：一是通信协议多种多样，大部分使用 Modbus协议的设备都要将采集器或 PLC安装到采坑下，然后在地面上配置服务器，层级多、维护工作量大。若将 Modbus协议直接应用于地面服务器，由交换机读取采坑下设备的数据则无法得到稳定、可靠的传输；二是缺乏面向应用层的数据协议规范，在项目建设过程中，经常会遇到由于设计不合理导致的数据点表修改、协议多次协商等问题，极大拖延了项目的开发时间，同时也很难保障系统的运行稳定与可靠；三是设备拥有单模光纤、多模光纤、RJ45、双绞线等多种接口，为与上级通信设备进行连接，还需增加专用通讯网关，从而导致高昂的成本、高故障率和维修困难。

2 工业以太网技术比较

2.1 露天煤矿主要通信协议比较

露天煤矿机电设备的通信协议众多且各有特点，较为常见的协议包括ModbusRTU、ModbusTCP、EtherNet/IP、BB22444等，这些协议各有所长，适用于不同的环境和需求。Modbus协议确立了控制器所能理解和操控的消息结构，且能够支持RS232、RS422、RS485接口以及以太网设备，但未对物理层设定明确的规定。Modbus RTU是Modbus协议在串行链路上的实现，而Modbus TCP是Modbus协议在以太网TCP上的实现。就像现场总线协议DeviceNet和ControlNet一样，EtherNet/IP协议也是基于CIP协议。然而，EtherNet/IP协议建立在TCP/IP协议之上，这使得它具备将以太网融入设备层面的能力。因此，设备的通用配置、实时信息和控制数据可以在多个网络中传输，并能够接入全球互联网或公司内网，从而形成各个工作层级之间全面连续的信息流。这种能力为设备的互联互通提供了更广阔的可能性，使得设备之间的数据交换更加高效和便捷。同时，这也为企业的生产和管理提供了更大的灵活性和可扩展性，使得信息的传递和共享更加便利和迅速。EtherNet/IP、Modbus TCP和Modbus RTU协议技术对比见表1。

表1 EtherNet/IP、Modbus TCP和Modbus RTU协议技术对比

由表1可以看出，相较于Modbus RTU协议和EtherNet/IP协议，EtherNet/IP具有如下特点：一是具有更好的通信实时性、二是具有更高的通信可靠性、三是在接入AB PLC时具有较好的经济性、四是能够直接接入“一网一站”综合分站、五是虽然传输距离较Modbus串行电缆短，但是能够利用5G和WiFi无线通信技术进行接入，大大提高了设备移动的灵活性，省去了链路维护成本。

2.2 Ethernet/IP的优势

Ethernet/IP协议将CIP协议规范、以太网和TCP/IP技术融合在一起，从而具备广泛优势。通过这些不同技术信息结合，Ethernet/IP协议能够提供更高的灵活性、可扩展性和互操作性。它允许设备在工业控制网络中进行快速、可靠的通信和交互，同时还可提供更高的数据传输速度和带宽。此外，Ethernet/IP协议还具备更强大的安全性和可靠性，能够保护设备和网络免受潜在的威胁和攻击。总之，Ethernet/IP协议的技术融合为工业控制系统带来许多优势，使其更加先进、高效和可靠。

(1)Ethernet/IP协议通过提供一致性规范解决了设备间协议接口的一致性问题。在工业控制网络中，设备通信和交互已经不再是传统的数据传输，而是基于面向对象和开放性思想的网络应用。Ethernet/IP协议为网络设备提供了一致性规范，使得设备之间的互通成为可能。然而，与EtherNet/IP协议网络相比，Modbus TCP协议缺乏通用的对象库和标准设备描述类型。在Modbus TCP协议网络中，通信双方需要事先约定信息的含义和指令代码，以便正确解析信息。相比之下，在EtherNet/IP协议网络中，设备不仅可以相互通信，还能准确理解信息的含义。

(2)通过采用Ethernet/IP协议组建的控制网络，可以相对容易地将其与Internet/Intranet网络集成，从而实现对整个企业网络的管理。这种集成能够带来许多好处。首先，企业能够更加方便地监控和管理控制网络中的设备和系统，通过与Internet/Intranet网络集成，企业可以远程访问和控制控制网络中的设备。其次，这种集成还能够提供更高的数据共享和协作能力，通过将控制网络与企业网络集成，不同部门和团队可以更加方便地共享数据和信息，从而提高工作效率和协作效果。此外，集成后的控制网络还能够更好地与其他企业系统和应用进行集成，实现更高级别的自动化和智能化。通过将Ethernet/IP协议网络与Internet/Intranet网络集成，企业能够更好地管理和利用其网络资源，提高生产效率和竞争力。

(3)Ethernet/IP协议、DeviceNet协议、ControlNet协议共享相同的应用层，其中包括对象库与设备规范，从而受到广泛支持。这种共享性使得不同的设备和系统能够更加无缝地集成和交互，从而实现更高效的工作流程和更好的协同效果。企业和厂商可以更加方便地选择和组合不同的设备和系统，而无需担心兼容性和集成问题。这种广泛的支持也为Ethernet/IP协议的应用和发展提供了坚实基础，推动了其在工业控制领域的广泛应用和不断创新[6]。

综合上述分析，EtherNet/IP协议具有良好的兼容性，易与信息网络无缝集成，而生产者/消费者通信机制保证了系统具有较好的实时性，同时由于采用了先进的面向对象的CIP协议规范，解决了多个厂商设备的互操作问题，使得系统具有良好的开放性。因此，在考虑协议兼容性、构成系统的互操作性和开放性等问题基础上，露天煤矿机电设备采用基于EtherNet/IP协议是最优选择，可为解决设备数据接口不统一问题，全面提高露天煤矿机电设备的数据共享和物物互联能力提供技术保障[7]。

3 面向露天煤矿的EtherNet/IP协议标准研究

3.1 CIP协议构成

CIP(Common Industrial Protocol)协议是一个将端对端的对象导向连接及提供工业设备以及高级设备间联系的协议，CIP协议主要功能可以归结为：一是用于传输与I/O设备相关的控制型数据；二是用于传输与受控系统相关的各类信息，如配置、参数设定以及诊断等。CIP协议由多个组成部分构成，包括对象模型、报文协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置方法和数据管理等。

(1)对象模型。对象模型是CIP协议的一个重要组成部分，它用于描述可实现的通信服务、CIP协议节点的外在可见行为以及IP设备内部数据的访问和交换方法。通过对象模型，CIP协议能够提供一种统一的方式来定义和管理设备之间的通信和交互。对象模型不仅定义了设备的功能和行为，还定义了设备之间的关系和交互方式。它提供了一种标准化方法来描述和访问设备的数据和功能，从而实现了设备之间的互操作性和可扩展性。通过对象模型，CIP协议能够实现设备的自动发现、配置和管理，使得设备的集成和部署变得更加简单和高效。总之，对象模型在CIP协议中扮演了重要的角色，它为设备之间的通信和交互提供了一种统一的框架和标准，促进了工业控制系统的发展和应用。

(2)报文协议。报文协议是CIP协议的最高层，用于在面向连接的网络中提供路径，连接的建立和报文的确认通过双方的连接标识符进行。

(3)通信对象。通信对象是CIP协议的组成部分，负责管理和提供运行时报文的交换。通信对象在CIP协议中起着重要作用，用于管理设备之间的通信和实现报文的传输。

(4)通用对象库。通用对象库是CIP协议簇中包含一些通用定义的对象。这些对象可以被分为通用对象、应用对象和网络特定对象。CIP协议对象的结构由类、示例和属性组成。在进行寻址时，CIP协议对象使用设备标识(MAC ID)、类标识(Class ID)、示例标识(Instance ID)、属性标志(Attribute ID)和服务代码(Service Code)。

(5)设备描述。CIP设备行业规则对设备进行了统一的规格说明，从而更易于设计出符合要求的设备。在 CIP设备规则中，针对对象结构与属性的细化很好地解决了这一难题，为常见的各类设备类型提供了更为详尽的解决方案，每个工业装备都包含了一些对象和某些具体设备的可选属性。

(6)设备配置方法。CIP协议提供的设备配置方法多样，分别有打印数据表、参数对象与参数对象存根等，以上方法可以使设备的配置变得更加灵活和方便。电子数据表是一种标准配置设备的方式，为产品开发信息和配置工具的设计提供了依据。利用简易的EDS文件格式，供应商可向其他供应商提供有关产品的详细资料。这样，使用者设定工具变得友好，并且能够轻松升级，而不需要频繁地修改配置软件工具。

(7)数据管理。CIP协议通过数据管理来定义对象的数据结构和编址类型。在CIP协议对象模型中，使用未连接管理器和连接管理器来处理网络上的信息。EntherNet/IP协议是一种基于高层网络连接的协议，用于多个应用程序之间传递可信任的通信通道。通过这种方式，CIP协议能够实现设备之间的可靠通信和数据交换。总之，CIP协议通过数据管理和连接管理器来定义和处理对象的数据结构和网络通信，EntherNet/IP协议则提供了一种可靠的通信通道，使得设备之间的数据交换变得更加简单和高效。

3.2 CIP协议对象模型规范的研究和制定

EtherNet/IP协议使用了一种概念化的对象模型，此模型描述了一系列可被应用的通信服务、网络节点的表现行为和设备获取及交流信息的常规方法。详细来说，每个EtherNet/IP协议设备都通过包含多个对象的集合来进行描述，利用对象来对设备的功能在逻辑上进行分区，每个分区子集都具有清晰定义的行为。

“类”是一个对象集合，该集合表示同类型特征的系统组件。“对象实例”是在“类”中某个具体对象的实际表现。同一“类”的每个实例的属性都相同，不过它们也有着不同的特征值。从同一个“类”派生出多个实例，可以在同一类EtherNet/IP协议设备中。“类”也可能存在“类属性”，用来描述“类”的详细情况。比如某一指定对象的实例数量。同时，对象实例与“类”呈现出某一特殊的行为，并且允许这些属性、实例或整个类应用某一特定的“服务”。对象导向的结构使得开发人员与用户可以利用简单易用、基于对象并具有多种网络连接端口的网络装置，而对于用户来说，这些网络地址及其内置的数据构建是可见的，这就确保了所有通过以太网连接的设备具备优秀的整体一致性，从而为来自不同制造商的产品提供了互动的可能性。

EtherNet/IP协议包含了大量的通用化对象，构建成一个对象库。所有的对象类别可以划分为3种类型，即通用化对象、应用对象和网络特定对象。为了提供不同厂家同类设备的互操作性，在2个或多个设备上实现相同的对象应从一个设备到另一个设备具有相同的行为。因此，每个对象规范包括对行为的一个严格的定义。每个CIP协议产品包含多个对象，这些对象之间的交互提供了产品的基本行为，因为单个对象的行为是固定的，相同分组的对象行为也是固定的。因此，同一组对象布置在一个指定顺序时会相互作用，以产生从设备到设备的相同行为。

在一个装置中使用的对象的分组被称为该设备的对象模型。因为同类型设备产生相同的行为，所以它们必须具有相同的对象模型。因此，一个对象模型包含在每一个设备配置的文件中，以提供同类型CIP设备间的互操作性。对象模型规范包括：一是标识存在于设备的所有对象类(必选、可选和条件)；二是标明存在于每个对象类的实例数量，若设备具有动态生成和删除实例的功能，那么该对象模型将明确指出在此类别中可以拥有最多实例数量；三是说明对象是否影响了设备的行为，如果对象影响了设备行为，对象模型应说明如何影响。

具体研究内容和标准规范包括：EtherNet/IP协议通用设备最小对象模型、对象对行为的影响、对象接口、I/O数据接口、I/O组合实例、设备配置、扩展的设备描述、设备描述编号方案。

3.3 自卸卡车设备对象模型描述方案

目前露天煤矿业务的机电设备主要分为以下8大业务系统和25类设备，具体包括：穿爆系统2类：钻机、混装炸药车；采装系统6类：电铲、液压铲、轮斗挖掘机、自移破碎机、转载机、吊斗铲；辅运系统1类：车辆；供电系统2类：地面变配电站(高压配电装置、变压器、低压配电装置)、采掘场和排土场变配电站(高压配电装置、变压器、低压配电装置)；采掘场排水系统2类：采掘场排水泵、工作面排水泵；边坡安全监测系统1类：监测分站；排土系统3类：排土机、卸料车、推土机；物料输送系统8类：一次破碎站、带式输送机、分级筛、堆取料机、破碎机、给料机、胶带秤、装车站。

其中自卸卡车为露天煤矿的主要运输设备，现以自卸卡车为例，给出一种拟定的自卸卡车控制系统设备对象模型描述方案为：自卸卡车控制系统(供应商特定设备)：EtherNet/IP协议设备类型0x00。

(1)自卸卡车CIP对象模型。自卸卡车对象模型的应用基础是作为CIP应用对象的自卸卡车控制对象、自卸卡车状态对象和自卸卡车故障对象，核心是对象模型组合对象，组合对象的定义规则是按照实际的自卸卡车应用功能将应用对象中分散独立的数据属性组合为一个功能性整体，如货箱控制、行驶状态监测等功能[8]。自卸卡车设备对象模型拓扑图如图1所示，自卸卡车设备对象模型见表2。

图1 自卸卡车对象模型拓扑图

表2 自卸卡车设备对象模型

(2)对象对自卸卡车行为的影响。自卸卡车设备对象行为影响见表3。

表3 自卸卡车设备对象行为影响

(3)定义对象接口。自卸卡车设备对象接口见表4。

表4 自卸卡车设备对象接口

(4)定义I/O组合实例。I/O组合实例的定义应该根据露天煤矿实际应用需求，针对要实现的功能(如自卸卡车的货箱控制、行驶状态检测等功能)将多个自卸卡车应用对象中的属性值合理地分组，每一组构成一个I/O组合对象的实例。自卸卡车设备I/O组合实例见表5。

表5 自卸卡车设备I/O组合实例

“自卸卡车监控对象”描述自卸卡车的基本信息。根据定义，设备应只支持一个自卸卡车监控对象实例，无需定义类属性，因而多数情况只需要定义实例属性。自卸卡车监控对象的实例属性共有247项，其中，1～152项已定义，153～199项为保留，200～247项为扩展。

“属性ID”作为一种独特的标记方法来确定对象实例的定位码，“实例”则为对协议规范的需求或提议提供了说明，其中包含了必要和可选的的数据要求[9-11]。“访问属性”包括Get和Set这2个选项，这表示该属性不仅能被读取，还能被写入。数据类型UINT代表无符号整数，而INT代表有符号整数。实例属性详细说明为：属性1的状态字主要包括实时车速、轮胎温度、前进挡信号、驻车挡信号、倒挡信号、驾驶模式等信息的实时状态；属性2的状态字主要包括货箱角度、货箱落下信号、超载信号、牵引信号、制动信号、增压风机信号等信息的实时状态；属性3的报警字主要包括发动机水温报警、低电压报警、称重传感器错误报警、轮胎胎压报警等的报警实时状态；属性4的故障字主要包括发动机故障、集中润滑故障、车梯故障报警、超温故障等的故障实时状态；属性5的控制字主要包括自卸卡车各个部件的启动请求，如发动机、雨刷、灯光、泵、牵引部、风机等；属性6的控制字主要包括自卸卡车各个部件的停止请求，如发动机、雨刷、灯光、泵、牵引部、风机等；属性7的控制字主要包括请求前进、电制动、车梯上升下降、货箱举升、转向蓄能等；属性8～10的控制保护字是预防误操作而设置，相应的控制字需结合控制保护字判断控制命令能否执行；属性11～14为保留；属性15～25分别为ACU软件版本、当前发电机电压、牵引方向、实际速度、货箱高度、天线状态等10项，访问属性均为只可读。所有的行驶驱动系统、转向系统、液压系统以及照明系统等都涵盖了各个系统的状态字、报警字、故障字和控制字。此外，还包括与各种功能相关的状态字、故障字、控制字和程序段参数等。

4 应用情况

目前，国能准能集团有限责任公司下属的黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿累计有4种型号69台卡车实现了无安全员常态化自动驾驶，利用EtherNet/IP协议进行数据共享，数据传输速率快、数据量大，且运行可靠、稳定，为推动露天煤矿采装、穿孔爆破、推土机作业的室内远控技术应用及带式输送机运输智能化升级改造提供了可借鉴的经验。下一步将到国家能源集团下属各露天煤矿、国内露天采矿设备制造商等单位调研交流，搜集相关设备通信接口和协议规范，制定一套统一的EtherNet/IP协议标准，逐步形成国家能源集团企业标准，并进一步推动团体/行业标准乃至国家标准制定，为我国露天煤矿设备远程操控、集中控制、故障预测分析、自主运行奠定数据互联互通基础。