設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)方案整理課案

1、臨礦集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備層接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解決方案1 國(guó)內(nèi)煤礦設(shè)備層傳輸現(xiàn)狀分析隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）及工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。通?？紤]將控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，主要將網(wǎng)絡(luò)化與現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)系在一起。在控制領(lǐng)域較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有：Profibus、CAN、HART,以及RS485的總線網(wǎng)絡(luò)等傳輸方式，而在煤礦主要采用的也大都是這種方式。對(duì)于專有系統(tǒng)如安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)煤礦都采

2、用都還是各個(gè)廠家各自為政、各自組網(wǎng)、專用且不開放傳輸協(xié)議。1.1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性在40年代，過程控制是基于315PSI的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。其后，由于420mA模擬信號(hào)的使用，使得模擬控制器得到了廣泛應(yīng)用，但是并不是所有的傳感儀表和驅(qū)動(dòng)裝置都使用統(tǒng)一的420mA信號(hào)。70年代，由于在檢測(cè)、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生了集中控制。進(jìn)入80年代，由于微處理器的出現(xiàn)，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數(shù)字化和智能化的時(shí)代，420mA模擬信號(hào)傳輸逐步被數(shù)字化通信代替，加之分布式控制以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了控制、調(diào)度、優(yōu)化、決策等功能一體化的發(fā)展。然而由于檢測(cè)、變送、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)大都采用模擬信號(hào)

3、連接，其傳送方式是一對(duì)一結(jié)構(gòu)，這使得接線復(fù)雜，工程費(fèi)用高，維護(hù)困難，而信號(hào)傳輸精度底，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統(tǒng)的功能發(fā)揮。另一方面，由于智能儀表的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，如對(duì)量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定，儀表工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自診斷，能進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量和對(duì)環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)?。由此可見，智能儀表和控制系統(tǒng)的發(fā)展，都要求上層系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。但是由于商業(yè)利潤(rùn)、技術(shù)壟斷等原因，現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面，這對(duì)降低系統(tǒng)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍產(chǎn)生不利影響。因此，我們考慮將Internet及其相關(guān)技術(shù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，利用Internet上開放的、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)

4、行升級(jí)改造，加快工業(yè)企業(yè)的信息-控制一體化進(jìn)程，制定統(tǒng)一的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，即為可行的問題解決方案。1.2 國(guó)內(nèi)煤礦子系統(tǒng)傳輸分析目前，國(guó)內(nèi)煤礦子系統(tǒng)的主要接入方式如下圖所示：專有系統(tǒng)供電系統(tǒng)；其它設(shè)備及系統(tǒng)1.2.1 綜采、連采系統(tǒng)1）綜采設(shè)備（采煤機(jī)、刮板機(jī)、破碎機(jī)，支持ModBus協(xié)議）控制器（支持TCP/IP協(xié)議）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）2）綜采設(shè)備（采煤機(jī)、刮板機(jī)、破碎機(jī)，支持ModBus協(xié)議）控制器（支持ModBus協(xié)議）轉(zhuǎn)換設(shè)備（ModBus轉(zhuǎn)TCP/IP）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）3）綜采設(shè)備（CAN-BUS、Interbus、ModB

5、us）中央控制器（ModBus、專有協(xié)議）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）4）液壓支架（廠商專有協(xié)議）控制器（廠商專有協(xié)議TCP/IP）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、電力規(guī)約IEC60870數(shù)據(jù)發(fā)布）1.2.2 生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)1）保護(hù)器（傳感設(shè)備，支持ModBus協(xié)議）控制器（支持ModBus協(xié)議）轉(zhuǎn)換設(shè)備（ModBus轉(zhuǎn)TCP/IP）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）2）保護(hù)器（傳感設(shè)備，支持ModBus協(xié)議）控制器（支持ModBus協(xié)議）PLC工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）3）變頻器PLC工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布

6、）1.2.3 供電系統(tǒng)開關(guān)柜（廠商專有協(xié)議）電力分站（廠商專有協(xié)議TCP/IP）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作立（OPC、電力規(guī)約IEC60870數(shù)據(jù)發(fā)布）1.2.4 供排水系統(tǒng)傳感設(shè)備PLC工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）1.2.5 通風(fēng)系統(tǒng)傳感設(shè)備PLC工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）1.2.6 安全監(jiān)測(cè)、人員定位系統(tǒng)傳感器（廠商專有協(xié)議）分站（廠商專有協(xié)議）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）1.2.7 其他輔助類系統(tǒng)傳感設(shè)備PLC工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)地面操作站（OPC、其他方式數(shù)據(jù)發(fā)布）2 設(shè)備層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定要求由于目前煤礦系統(tǒng)、設(shè)備間各廠商大都采用了不

7、同的傳輸協(xié)議，它們各自使用了不同的方法來連接各廠商生產(chǎn)的傳感設(shè)備和執(zhí)行器。由于采用互不兼容的傳輸協(xié)議，導(dǎo)致他們之間雖可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但沒有直接的兼容性。通過制定統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范煤礦設(shè)備、跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺(tái)的設(shè)備之間的信息，以達(dá)到信息共享的目的。將統(tǒng)一解決目前各廠商之前的各種協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、操作平臺(tái)和電腦設(shè)備之間各自為政、互不兼容的混亂局面。要在統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)、設(shè)備選型，充分整合現(xiàn)有信息資源，在保護(hù)投資的前提下，規(guī)范建設(shè)，逐步提升信息化應(yīng)用效益。通過標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的集成，達(dá)到信息共享的目的。3 公司系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀通過調(diào)研，神東公司大柳塔礦主要系統(tǒng)主要設(shè)備的數(shù)據(jù)接入方式如下

8、表所示：對(duì)上述設(shè)備的接入方式進(jìn)行分析，主要有3種類型：A.傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過硬連接（模擬量4-20mA或開關(guān)量）或RS485（ModbusRTU協(xié)議）的方式接入PLC,PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)接入上位機(jī)，上位機(jī)為組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，與PLC通過組態(tài)軟件內(nèi)部協(xié)議或ModbusTCP協(xié)議通信。典型系統(tǒng)有通風(fēng)系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)等；B.傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過硬連接（模擬量4-20mA或開關(guān)量）、RS485（ModbusRTU協(xié)議）或內(nèi)部協(xié)議的方式接入控制站，控制站與變頻器、PLC等單系統(tǒng)控制設(shè)備通過ModbusRTU或DeviceNet、Ethernet/IP等協(xié)議接入集中控制PLC,集中控制PL

9、C通過工業(yè)以太網(wǎng)接入上位機(jī)，上位機(jī)為組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，與PLC通過組態(tài)軟件內(nèi)部協(xié)議或ModbusTCP協(xié)議通信。典型系統(tǒng)有綜采系統(tǒng)、連采系統(tǒng)、主運(yùn)系統(tǒng)等；C.傳感器通過內(nèi)部協(xié)議接入分站，分站通過工業(yè)以太網(wǎng)以內(nèi)部協(xié)議接入上位機(jī)，典型系統(tǒng)有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。設(shè)備接入方式如下圖所示：也打湍4建議采用的標(biāo)準(zhǔn)4.1 專用系統(tǒng)通訊協(xié)議對(duì)于專用系統(tǒng)，如安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、調(diào)度通訊系統(tǒng)等，由于系統(tǒng)的專業(yè)性及廠家的技術(shù)獨(dú)特性，比較難以統(tǒng)一規(guī)范，但是可以對(duì)設(shè)備傳感層制定標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（ModBus）。4.2 供電系統(tǒng)通訊協(xié)議對(duì)于供電系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)各個(gè)廠商的傳輸協(xié)議也五花八門，考慮供

10、電系統(tǒng)的特殊性，可采用IEC60870標(biāo)準(zhǔn)電力規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。4.3 其他工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)于專用系統(tǒng)和供電系統(tǒng)以外系統(tǒng)均可考慮采用ModBus數(shù)據(jù)通信協(xié)議。傳感器類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接入方式 硬連接方式，通過4-20mA模擬量或開關(guān)量信號(hào)接入； 數(shù)字式傳感器通過RS485鏈路接入，采用ModbusRTU協(xié)議。單一控制設(shè)備接入集中控制設(shè)備的接入方式： 通過RS485鏈路接入，采用ModbusRTU協(xié)議；通過以太網(wǎng)接入，采用ModbusTCP協(xié)議。集中控制設(shè)備接入上位機(jī)的接入方式：通過工業(yè)以太網(wǎng)接入，采用ModbusTCP協(xié)議。4.4 數(shù)據(jù)流設(shè)備采用上述規(guī)定接口標(biāo)準(zhǔn)接入，則整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如下圖所示:4.5

11、采用MODBUSS訊協(xié)議可行性分析通過對(duì)國(guó)內(nèi)廠商數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及大柳塔礦、補(bǔ)連塔礦、上灣礦及哈拉溝礦各系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀及采用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分析，國(guó)內(nèi)目前大多采用的通信協(xié)議及方式為專用不開放協(xié)議、Profibus、ModBus數(shù)據(jù)通信協(xié)議。但各個(gè)廠商定義的功能碼又五花八門，無法滿足信息共享的目的。通過設(shè)備層的接入標(biāo)準(zhǔn)的制定，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議設(shè)備間信息傳輸，這將是首次把現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)真正統(tǒng)一起來。統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)基于ModBus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議延伸而來，可以將用來規(guī)范煤礦設(shè)備、跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺(tái)的設(shè)備之間的信息，以達(dá)到信息共享的目的。此舉將統(tǒng)一目前各種協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、操作平臺(tái)和電腦設(shè)備之間各自為政、互

12、不兼容的混亂局面。但由于目前煤礦系統(tǒng)、設(shè)備間大都采用了不同的傳輸協(xié)議，它們各自使用了不同的方法來連接各廠商生產(chǎn)的傳感設(shè)備和執(zhí)行器。由于采用互不兼容的傳輸協(xié)議，導(dǎo)致他們之間雖可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但沒有直接的兼容性。根據(jù)大柳塔礦的調(diào)研情況，雖然設(shè)備接入的協(xié)議有多種，但是Modbus占據(jù)了大多數(shù)，事實(shí)上已經(jīng)成為了一個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，而且Modbus支持多種接口，一般的PLC、工控機(jī)等都支持Modbus協(xié)議，而如果要使用Ethernet/IP等協(xié)議，支持的廠家較少，硬件設(shè)備改造的成本較高(一個(gè)Ethernet/IP模塊就需要幾千元)。4.6 MODBUSSS訊協(xié)議Modbus是由Modicon在1979年發(fā)明

13、的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。在國(guó)內(nèi)Modbus也有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008做支撐。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控?？啥x一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地

14、址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC,DCS,智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。4.7 協(xié)議特點(diǎn)Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。(2) Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上