设备接入标准方案整理

临矿集团有限责任公司设备层接口协议标准解决方案1国内煤矿设备层传输现状分析随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）及工业以太环网。通常考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。在控制领域较有影响的现场总线系统有：Profibus、CAN、HART，以及RS485的总线网络等传输方式，而在煤矿主要采用的也大都是这种方式。对于专有系统如安全监测系统、人员定位系统、调度通信系统等，国内煤矿都采用都还是各个厂家各自为政、各自组网、专用且不开放传输协议。1.1统一标准制定的必要性在40年代，过程控制是基于3～15PSI的气动标准信号。其后，由于4～20mA模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4～20mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4～20mA模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。但是由于商业利润、技术垄断等原因，现场总线产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。因此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用Internet上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加快工业企业的信息-控制一体化进程，制定统一的传输标准，即为可行的问题解决方案。1.2国内煤矿子系统传输分析目前，国内煤矿子系统的主要接入方式如下图所示：1.2.1综采、连采系统1)综采设备（采煤机、刮板机、破碎机…，支持ModBus协议）－控制器（支持TCP/IP协议）－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）2)综采设备（采煤机、刮板机、破碎机…，支持ModBus协议）－控制器（支持ModBus协议）－转换设备（ModBus转TCP/IP）－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）3)综采设备（CAN-BUS、Interbus、ModBus）－中央控制器（ModBus、专有协议）－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）4)液压支架（厂商专有协议）－控制器（厂商专有协议TCP/IP）－工业以太环网－地面操作站（OPC、电力规约IEC60870数据发布）1.2.2生产运输系统1)保护器（传感设备，支持ModBus协议）－控制器（支持ModBus协议）－转换设备（ModBus转TCP/IP）－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）2)保护器（传感设备，支持ModBus协议）－控制器（支持ModBus协议）－PLC－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）3)变频器－PLC－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）1.2.3供电系统开关柜（厂商专有协议）－电力分站（厂商专有协议TCP/IP）－工业以太环网－地面操作站（OPC、电力规约IEC60870数据发布）1.2.4供排水系统传感设备－PLC－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）1.2.5通风系统传感设备－PLC－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）1.2.6安全监测、人员定位系统传感器（厂商专有协议）－分站（厂商专有协议）－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）1.2.7其他辅助类系统传感设备－PLC－工业以太环网－地面操作站（OPC、其他方式数据发布）2设备层协议标准制定要求由于目前煤矿系统、设备间各厂商大都采用了不同的传输协议，它们各自使用了不同的方法来连接各厂商生产的传感设备和执行器。由于采用互不兼容的传输协议，导致他们之间虽可以进行数据交换，但没有直接的兼容性。通过制定统一的协议标准，规范煤矿设备、跨网络、跨平台的设备之间的信息，以达到信息共享的目的。将统一解决目前各厂商之前的各种协议、设备、网络、操作平台和电脑设备之间各自为政、互不兼容的混乱局面。要在统一的协议标准指导下进行系统、设备选型，充分整合现有信息资源，在保护投资的前提下，规范建设，逐步提升信息化应用效益。通过标准化建设，实现系统间的集成，达到信息共享的目的。3公司系统建设现状通过调研，神东公司大柳塔矿主要系统主要设备的数据接入方式如下表所示：对上述设备的接入方式进行分析，主要有3种类型：A.传感器、执行器等现场设备通过硬连接（模拟量4-20mA或开关量）或RS485(ModbusRTU协议)的方式接入PLC，PLC通过工业以太网接入上位机，上位机为组态软件实现，与PLC通过组态软件内部协议或ModbusTCP协议通信。典型系统有通风系统、供排水系统等；B.传感器、执行器等现场设备通过硬连接（模拟量4-20mA或开关量）、RS485(ModbusRTU协议)或内部协议的方式接入控制站，控制站与变频器、PLC等单系统控制设备通过ModbusRTU或DeviceNet、Ethernet/IP等协议接入集中控制PLC，集中控制PLC通过工业以太网接入上位机，上位机为组态软件实现，与PLC通过组态软件内部协议或ModbusTCP协议通信。典型系统有综采系统、连采系统、主运系统等；C.传感器通过内部协议接入分站，分站通过工业以太网以内部协议接入上位机，典型系统有安全监测系统、人员定位系统等。设备接入方式如下图所示：4建议采用的标准4.1专用系统通讯协议对于专用系统，如安全监测系统、人员定位系统、液压支架监测系统、调度通讯系统等，由于系统的专业性及厂家的技术独特性，比较难以统一规范，但是可以对设备传感层制定标准通讯协议（ModBus）。4.2供电系统通讯协议对于供电系统，目前国内各个厂商的传输协议也五花八门，考虑供电系统的特殊性，可采用IEC60870标准电力规约标准协议。4.3其他工业控制系统对于专用系统和供电系统以外系统均可考虑采用ModBus数据通信协议。传感器类现场设备的接入方式①硬连接方式，通过4-20mA模拟量或开关量信号接入；②数字式传感器通过RS485链路接入，采用ModbusRTU协议。单一控制设备接入集中控制设备的接入方式：①通过RS485链路接入，采用ModbusRTU协议；②通过以太网接入，采用ModbusTCP协议。集中控制设备接入上位机的接入方式：通过工业以太网接入，采用ModbusTCP协议。4.4数据流设备采用上述规定接口标准接入，则整个系统的数据流如下图所示：4.5采用MODBUS通讯协议可行性分析通过对国内厂商数据传输协议以及大柳塔矿、补连塔矿、上湾矿及哈拉沟矿各系统建设现状及采用的数据传输协议分析，国内目前大多采用的通信协议及方式为专用不开放协议、Profibus、ModBus数据通信协议。但各个厂商定义的功能码又五花八门，无法满足信息共享的目的。通过设备层的接入标准的制定，实现不同通信协议设备间信息传输，这将是首次把现有的数据传输协议标准真正统一起来。统一的协议标准基于ModBus数据传输协议延伸而来，可以将用来规范煤矿设备、跨网络、跨平台的设备之间的信息，以达到信息共享的目的。此举将统一目前各种协议、设备、网络、操作平台和电脑设备之间各自为政、互不兼容的混乱局面。但由于目前煤矿系统、设备间大都采用了不同的传输协议，它们各自使用了不同的方法来连接各厂商生产的传感设备和执行器。由于采用互不兼容的传输协议，导致他们之间虽可以进行数据交换，但没有直接的兼容性。根据大柳塔矿的调研情况，虽然设备接入的协议有多种，但是Modbus占据了大多数，事实上已经成为了一个内部标准，而且Modbus支持多种接口，一般的PLC、工控机等都支持Modbus协议，而如果要使用Ethernet/IP等协议，支持的厂家较少，硬件设备改造的成本较高(一个Ethernet/IP模块就需要几千元)。4.6MODBUS通讯协议Modbus是由Modicon在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。在国内Modbus也有国家标准GB/T19582-2008做支撑。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由工业以太环网网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。可定义一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。4.7协议特点Modbus具有以下几个特点：（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。4.8数据编码标准化由于Modbus为开放的标准协议，因而各个厂商在使用该协议的时候各自定义了自己的传输标准编码，所以为了统一，可进行对该协议标准化，以达到信息共享的目的。所以需要针对不同系统、不同设备进行统一编码。实现针对不同系统、不同设备之间的协议标准化。目前，PSI项目组正在对数据进行筛选，筛选后的数据可以作为统一数据编码的基础。