王 波，丁 震，王 軍

(1.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719315；2.國家能源集團(tuán)煤炭運(yùn)輸部，北京市東城區(qū)，100011)

0 引言

在工業(yè)通訊控制領(lǐng)域，尤其是礦山信息化通信網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)行著來自不同廠商各種類型的生產(chǎn)設(shè)備。起初不同廠商的設(shè)備都設(shè)計(jì)了私有的互聯(lián)總線技術(shù)，這使得各自廠商的解決方案在內(nèi)部設(shè)備之間能夠互聯(lián)互通，但是作為設(shè)備采購方的煤礦企業(yè)，為了保證其供應(yīng)鏈體系的安全性和多樣性，就不得不面對不同廠商設(shè)備間的協(xié)同工作問題。同時(shí)，我國也存在大量小企業(yè)私有協(xié)議，比如煤礦行業(yè)的傳感器、分站器和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)接口協(xié)議等，各個(gè)廠家之間的協(xié)議互不相同，數(shù)據(jù)也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和格式；因此，很難實(shí)現(xiàn)煤礦各設(shè)備數(shù)據(jù)的集中采集、交互和價(jià)值挖掘。

當(dāng)前煤礦設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議“七國八制”多達(dá)幾十種，例如控制器OPC UA、Modbus TCP分別是OPC基金會和施耐德電氣廣泛推廣的標(biāo)準(zhǔn)；井下生產(chǎn)設(shè)備多數(shù)采用國外的羅克韋爾公司制定的EIP和西門子公司制定的Profinet的標(biāo)準(zhǔn)；工控機(jī)多采用EPSG標(biāo)準(zhǔn)化組織主導(dǎo)的POWERLINK的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。而要實(shí)現(xiàn)智能化煤礦的各項(xiàng)功能性指標(biāo)，就必須獲取煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，通過標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議接口的方式實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸和共享應(yīng)用，繼而開發(fā)全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)。

1 智能化礦山通信協(xié)議接口的重要性

1.1 通信協(xié)議接口在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用

煤礦井下有大量的生產(chǎn)設(shè)備和安全監(jiān)測設(shè)備，涉及到許多不同的設(shè)備廠家，要正常開展煤礦井下的生產(chǎn)，需要多臺設(shè)備協(xié)調(diào)協(xié)同作業(yè)才能完成。協(xié)同作業(yè)需要設(shè)備或系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高效、可靠交互，通過通信協(xié)議接口按照一定規(guī)則才能完成數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議接口在整個(gè)智能化礦山建設(shè)的全場景都有著廣泛的應(yīng)用，每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集或傳輸都少不了通信協(xié)議接口。煤礦企業(yè)通信協(xié)議接口應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 煤礦企業(yè)通信協(xié)議接口應(yīng)用場景

(1)場景1：煤礦側(cè)數(shù)據(jù)中心與集團(tuán)側(cè)云數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)交互場景。該場景中集團(tuán)側(cè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心與煤礦側(cè)數(shù)據(jù)中心根據(jù)業(yè)務(wù)需求傳輸和交換數(shù)據(jù)，為各類智能化應(yīng)用提供安全可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)模式，一般使用以太網(wǎng)、OPC UA、MQTT、SFTP、RTSP等應(yīng)用層通信協(xié)議接口。

(2)場景2：生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)/安全集中監(jiān)測系統(tǒng)與煤礦側(cè)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)交互場景。該場景中生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)集成分散運(yùn)行的采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等設(shè)備控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)一體化遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、跨系統(tǒng)智能聯(lián)動控制；安全集中監(jiān)測系統(tǒng)集成礦井瓦斯、水、火、頂板、礦壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立綜合的智能安全監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測、分級報(bào)警和融合分析。生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)/安全集中監(jiān)測系統(tǒng)中集成的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集到煤礦側(cè)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、安全類數(shù)據(jù)的集中管理和應(yīng)用。一般使用工業(yè)以太網(wǎng)、OPC UA、MQTT等應(yīng)用層通信協(xié)議接口。

(3)場景3：現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備與監(jiān)測監(jiān)控平臺的遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)交互場景。該場景中生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線等)中的各類信息化設(shè)備與集中監(jiān)測監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集與傳輸通信。一般使用工業(yè)以太網(wǎng)、OPC UA、EIP、Modbus等應(yīng)用層通信協(xié)議接口。

(4)場景4：現(xiàn)場安全感知系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控平臺的遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)交互場景。該場景中通過生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議接口獲取安全監(jiān)測類設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過API等接口方式獲取煤礦設(shè)備供應(yīng)商服務(wù)信息、氣象信息、互聯(lián)網(wǎng)信息、其他公共服務(wù)部門信息、安全監(jiān)管部門信息等。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可采用API接口、數(shù)據(jù)庫同步等方式集成數(shù)據(jù)。

(5)場景5：設(shè)備間業(yè)務(wù)交互場景。該場景中面向有實(shí)時(shí)通信要求的本地局域網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)交互場景，在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通過通信協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間的實(shí)時(shí)本地聯(lián)動和協(xié)同控制，以及支持無線手持設(shè)備(比如巡檢設(shè)備)與被控設(shè)備間的現(xiàn)場實(shí)時(shí)點(diǎn)檢與控制，一般使用EIP、Modbus等應(yīng)用層通信協(xié)議接口。

(6)場景6：工業(yè)現(xiàn)場總線及異構(gòu)系統(tǒng)接入場景。該場景中實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場總線型傳感器及執(zhí)行器跨分站或網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互。

1.2 通信協(xié)議接口在煤礦機(jī)電設(shè)備內(nèi)部通信的應(yīng)用

以采煤機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)為例，內(nèi)部通信主要采用通信協(xié)議接口或硬接線的方式，實(shí)現(xiàn)主控制器和其他執(zhí)行部件的數(shù)據(jù)交互。

主控制器是采煤機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其他執(zhí)行部件都需要通過通信接口或硬接線的方式與主控制器交互信息才能完成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的動作。硬接線方式一般應(yīng)用于重要且數(shù)據(jù)量較少的場景，當(dāng)需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠傳輸就需要各類現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議接口來完成。采煤機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信協(xié)議接口應(yīng)用情況如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)內(nèi)部通信協(xié)議接口應(yīng)用情況

采煤機(jī)各類執(zhí)行部件均需要通過各類通信協(xié)議接口完成與控制器的交互，只有通過各類通信協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)傳輸大量數(shù)據(jù)的采集與傳輸，才能讓整個(gè)采煤機(jī)系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確的運(yùn)轉(zhuǎn)。主要用到的采煤機(jī)內(nèi)部通信協(xié)議接口為：一是變頻器采用PowerLink協(xié)議完成與主控制器的通信交互；二是電機(jī)保護(hù)器、遙控器、I/O模塊通過CAN協(xié)議完成與主控制器的通信交互；三是采煤機(jī)顯示器、無線發(fā)射基站通過Ethernet協(xié)議完成與主控制器的通信交互。

1.3 智能化煤礦建設(shè)中數(shù)據(jù)采集與傳輸難點(diǎn)

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取難。煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備多、數(shù)據(jù)量大、環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集難以保證全面完整性。尤其體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是數(shù)量多，煤礦機(jī)電設(shè)備種類多、數(shù)量大，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)對各類設(shè)備的管理難度較大；二是數(shù)據(jù)點(diǎn)表亂，同一類型、不同廠商的設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量不統(tǒng)一、名稱各異、數(shù)據(jù)格式(單位、精度等)不統(tǒng)一，造成每采集1臺設(shè)備需要大量的時(shí)間與設(shè)備廠家協(xié)商數(shù)據(jù)點(diǎn)表，大大增加了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，設(shè)備使用周期結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)采集還未完成；三是采集的實(shí)時(shí)性、及時(shí)性差，面對如此龐大且復(fù)雜的設(shè)備群，在設(shè)備投用后，要實(shí)現(xiàn)即時(shí)、快速、穩(wěn)定、全面、低維護(hù)成本的設(shè)備接入，并完成高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集難度較大[1]。

(2)通信協(xié)議接口種類多。工業(yè)領(lǐng)域有多種通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)及通信方式，應(yīng)用在不同環(huán)境中，難以找到通用統(tǒng)一的工業(yè)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前國內(nèi)煤礦設(shè)備接口協(xié)議“七國八制”，制約數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘和應(yīng)用。煙囪式的系統(tǒng)建設(shè)且獨(dú)立部署，維護(hù)成本高，并嚴(yán)重制約了數(shù)據(jù)的流通與協(xié)同應(yīng)用。

(3)設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性難保證。當(dāng)前市場上在用的通信協(xié)議接口多種多樣，分別擁有不同數(shù)據(jù)傳輸特性，有些比較適合傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有些比較適合傳輸文本數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中，并沒有對這些協(xié)議的使用場景按照優(yōu)勢進(jìn)行分類和規(guī)定，導(dǎo)致現(xiàn)場協(xié)議需要多次轉(zhuǎn)換才能最終集成并實(shí)現(xiàn)采集和傳輸，這就大大增加了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)难訒r(shí)。再者，當(dāng)前工業(yè)通信協(xié)議接口標(biāo)準(zhǔn)與滿足智能化煤礦新場景需求間存在差距，傳統(tǒng)技術(shù)對高精度、低時(shí)延的工業(yè)場景難以滿足重要的信息實(shí)時(shí)采集和上傳的要求，技術(shù)難度較高。

(4)現(xiàn)場人工維護(hù)量大。目前每采集一臺設(shè)備都需要具體的人員去配置靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址，配置上位數(shù)據(jù)采集軟件，配置組態(tài)、配置數(shù)據(jù)點(diǎn)表等，人工勞動量巨大，維護(hù)難度大?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳時(shí)，需要設(shè)備廠家深入?yún)⑴c，依賴設(shè)備廠家技術(shù)人員的配合，這樣往往造成生產(chǎn)單位付出過多的人力、財(cái)力、物力的成本，并且效果仍不明顯。

2 《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享規(guī)范》架構(gòu)體系

當(dāng)前，智能化礦山建設(shè)過程中面臨數(shù)據(jù)編碼不統(tǒng)一、傳輸協(xié)議不開放、系統(tǒng)集成難度大等突出問題，導(dǎo)致煤礦企業(yè)在進(jìn)行智能化煤礦建設(shè)時(shí)各自為政、重復(fù)投入，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，最后實(shí)現(xiàn)的效果也不好，無法統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)利用效率較低。

為了全面推進(jìn)礦山智能化建設(shè)，建立統(tǒng)一的礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸融合、共享規(guī)范體系，實(shí)現(xiàn)礦山安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)融合和共享應(yīng)用，2022年3月，國家礦山安全監(jiān)察局統(tǒng)一部署，應(yīng)急管理部信息研究院組織智能化礦山建設(shè)領(lǐng)域的專家、高校、礦山核心企業(yè)及核心設(shè)備供應(yīng)商，共同研究編制了《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)系列標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。

其中，《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享 通信接口與協(xié)議規(guī)范》(以下簡稱《通信接口與協(xié)議規(guī)范》)是《規(guī)范》的第三部分，通過建立統(tǒng)一的礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、融合、共享規(guī)范體系，可解決智能化礦山建設(shè)過程中傳輸協(xié)議不開放、數(shù)據(jù)孤島林立等突出問題。《通信接口與協(xié)議規(guī)范》定義了當(dāng)前智能化礦山主要的數(shù)據(jù)類型，以數(shù)據(jù)流的采集、傳輸和應(yīng)用為主線，針對當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場使用的主流通信接口協(xié)議在采集層、傳輸層和應(yīng)用層分別進(jìn)行了梳理和應(yīng)用分析，規(guī)范了智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過程中的接口方式和通信協(xié)議基本要求，明確了不同通信接口協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，保障了數(shù)據(jù)高效、有序、精準(zhǔn)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)礦山安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)融合和共享應(yīng)用?！兑?guī)范》的編制為整個(gè)礦山行業(yè)數(shù)據(jù)采集與傳輸業(yè)務(wù)提出了規(guī)范性的指導(dǎo)，對礦山行業(yè)智能化建設(shè)進(jìn)程有著重要意義。

2.1 《通信接口與協(xié)議規(guī)范》總體架構(gòu)

《通信接口與協(xié)議規(guī)范》規(guī)定了智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸和協(xié)同共享的協(xié)議規(guī)范結(jié)構(gòu)、總體要求和對設(shè)備模型以及傳輸數(shù)據(jù)的要求；共分為主體規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和管理規(guī)范3個(gè)板塊、9個(gè)部分。其中，主體規(guī)范包括基本要求和接口；服務(wù)規(guī)范包括服務(wù)、發(fā)現(xiàn)、連接、報(bào)文和配置；管理規(guī)范包括安全和管理?！锻ㄐ沤涌谂c協(xié)議規(guī)范》總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 《通信接口與協(xié)議規(guī)范》總體架構(gòu)

(1)主體規(guī)范。主體規(guī)范明確了智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過程中的接口方式和通信協(xié)議，規(guī)定了感知層協(xié)議轉(zhuǎn)換和應(yīng)用層數(shù)據(jù)共享的接口和協(xié)議。明確了數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過程中的通信接口與協(xié)議總體要求，描述了智能化礦山設(shè)備抽象后的理論模型。

(2)服務(wù)規(guī)范。服務(wù)規(guī)范為智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸及上層應(yīng)用的通信接口與協(xié)議配置提供支撐。其中，服務(wù)部分規(guī)定了發(fā)現(xiàn)服務(wù)集、安全服務(wù)集、連接服務(wù)集、配置服務(wù)集、文件傳輸服務(wù)集和告警服務(wù)集等，實(shí)現(xiàn)對服務(wù)的分組管理；發(fā)現(xiàn)部分規(guī)定了感知層和應(yīng)用層的發(fā)現(xiàn)方式、發(fā)現(xiàn)流程以及發(fā)現(xiàn)服務(wù)基本屬性及格式；連接部分規(guī)定了感知層數(shù)據(jù)采集的連接方式、連接過程以及傳輸層的連接建立/斷開過程；規(guī)定了應(yīng)用層協(xié)議解析、控制下發(fā)及數(shù)據(jù)共享過程；發(fā)現(xiàn)部分還規(guī)定了感知層和應(yīng)用層的發(fā)現(xiàn)方式、發(fā)現(xiàn)流程以及發(fā)現(xiàn)服務(wù)基本屬性及格式；連接部分還規(guī)定了感知層數(shù)據(jù)采集的連接方式、連接過程以及傳輸層的連接建立/斷開過程；規(guī)定了應(yīng)用層協(xié)議解析、控制下發(fā)及數(shù)據(jù)共享過程[6-7]。

(3)管理規(guī)范。管理規(guī)范為數(shù)據(jù)采集過程的安全、透明、可靠傳輸提供保障。其中，安全部分規(guī)定了智能化礦山設(shè)備通信的安全模型、安全接入要求、安全傳輸要求、訪問控制要求及安全審計(jì)要求；管理部分規(guī)定了智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸與協(xié)同共享過程中的管理參考模型、管理技術(shù)要求。

2.2 《通信接口與協(xié)議規(guī)范》中通信協(xié)議接口規(guī)定

《通信接口與協(xié)議規(guī)范》規(guī)定智能化礦山通信接口與協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型按照數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享的應(yīng)用需求分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層3層，并分別規(guī)范了各層中通信協(xié)議與接口的使用要求。智能化礦山通信接口與協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

圖4 智能化礦山通信接口與協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型

(1)感知層規(guī)定。感知層通過定義物理接口規(guī)范和建立數(shù)據(jù)連接，采用有線接口通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入上層交換機(jī)或使用無線網(wǎng)絡(luò)對智能化礦山生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器、機(jī)電設(shè)備和各類應(yīng)用系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。感知層中使用非IP尋址的協(xié)議時(shí)，一般將地址轉(zhuǎn)換為IP向傳輸層提供統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接口。感知層常用的通信接口與協(xié)議包括有線直連接口協(xié)議(Ethernet/IP和MQTT)、有線非直連接口協(xié)議(Modbus、CAN、Profibus、RS485)、無線網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議(WiFi、4G、5G、RFID、UWB、BT、NB-IoT)

(2)傳輸層規(guī)定。傳輸層通過路由協(xié)議和地址解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并為層應(yīng)用(如礦端管控平臺、礦端數(shù)據(jù)中心及其它應(yīng)用系統(tǒng))提供透明可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，常用通信接口與協(xié)議包括IPv4/IPv6協(xié)議和TCP/UDP協(xié)議。

(3)應(yīng)用層規(guī)定。應(yīng)用層通過發(fā)現(xiàn)、連接、服務(wù)、配置、安全功能，提供應(yīng)用程序數(shù)據(jù)訪問，實(shí)現(xiàn)智能礦山不同類型數(shù)據(jù)的融合共享。應(yīng)用層常用的通信接口與協(xié)議包括數(shù)據(jù)解析協(xié)議(OPC UA、MQTT、Modbus TCP、RTSP、Onvif、IEC-104、EPA等)以及數(shù)據(jù)共享協(xié)議(OPC UA 、MQTT、SFTP、RTSP)，其中，OPC UA用于感知數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)和控制命令的數(shù)據(jù)交互，MQTT用于感知數(shù)據(jù)中自定義格式的數(shù)據(jù)傳輸、SFTP用于文本數(shù)據(jù)傳輸，RTSP用于音視頻數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸應(yīng)用場景分類

通過對感知層、傳輸層和應(yīng)用層通信協(xié)議與接口使用要求的規(guī)范，在理論上實(shí)現(xiàn)了協(xié)議使用的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)化，但具體應(yīng)用還需要針對不同的現(xiàn)場場景來匹配合適的通信協(xié)議接口，《通信接口與協(xié)議規(guī)范》也對智能化煤礦數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹饕獔鼍斑M(jìn)行了梳理，主要包括直接采集方式、協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式、系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式3種[8-10]。直接采集方式的數(shù)據(jù)傳輸接口支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議(如Ethernet/IP、Modbus TCP、OPC UA等)的礦山設(shè)備或子系統(tǒng)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接口直接接入礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信。協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式的數(shù)據(jù)傳輸接口是總線接口(如Modbus RTU、CAN、Profibus或RS485)的礦山設(shè)備或子系統(tǒng)，將總線接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接口后接入礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式的數(shù)據(jù)傳輸接口不是標(biāo)準(zhǔn)通信接口但具有上位機(jī)或服務(wù)器的子系統(tǒng)，由上位機(jī)或服務(wù)器端中轉(zhuǎn)接入礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信。

針對不同的使用場景，相應(yīng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層都配置了不同的設(shè)備，所以在實(shí)際應(yīng)用中要注意每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)配置的設(shè)備，以及該設(shè)備應(yīng)當(dāng)支持的協(xié)議類型要符合智能化礦山通信接口與協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型中的相關(guān)要求。

2.4 設(shè)備間數(shù)據(jù)交互通信的應(yīng)答模式

在智能化煤礦數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場景中，各設(shè)備之間通信的應(yīng)答模式應(yīng)統(tǒng)一采用“客戶端-服務(wù)端”模式，設(shè)備應(yīng)能同時(shí)充當(dāng)客戶端和服務(wù)端?？蛻舳酥С滞粫r(shí)刻與一個(gè)或多個(gè)服務(wù)端進(jìn)行交互；服務(wù)端也支持同一時(shí)刻與一個(gè)或多個(gè)客戶端進(jìn)行交互。智能化煤礦數(shù)據(jù)采集和傳輸協(xié)議的客戶端/服務(wù)端交互模型如圖5所示。

圖5 客戶端/服務(wù)端交互模型

3 應(yīng)用案例

3.1 連續(xù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)自主研發(fā)與應(yīng)用

3.1.1 連采機(jī)電控系統(tǒng)自主開發(fā)背景

國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱“神東公司”)現(xiàn)有50余臺連續(xù)采煤機(jī)，其中絕大部分為進(jìn)口設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程控制，這對綜采工作面智能化建設(shè)造成嚴(yán)重制約。連續(xù)采煤機(jī)控制程序作為連續(xù)采煤機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)的核心技術(shù)，一直掌握在國外主機(jī)廠商及國內(nèi)少數(shù)煤機(jī)電控改造廠商手里，自主研發(fā)連續(xù)采煤機(jī)控制系統(tǒng)，可根本上解決進(jìn)口連續(xù)采煤機(jī)存在的問題，推動神東公司綜采工作面智能化建設(shè)。

3.1.2 PLC控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信控制研究

研究連續(xù)采煤機(jī)核心PLC控制與電機(jī)保護(hù)器、變頻器、分布式IO模塊、遙控器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件的通信協(xié)議接口技術(shù)，打通通信鏈路。其中，連續(xù)采煤機(jī)共有6臺電機(jī)保護(hù)器、4組IO通信模塊、2臺傾角儀、1臺語音報(bào)警器和2臺遙控器通過CAN總線協(xié)議與控制器實(shí)現(xiàn)通信；2臺牽引變頻器通過POWERLINK協(xié)議實(shí)現(xiàn)與控制器通信；人機(jī)交互顯示器通過IMA(工業(yè)以太網(wǎng))與控制器實(shí)現(xiàn)通信。連續(xù)采煤機(jī)PLC控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信連接示意如圖6所示。

圖6 連續(xù)采煤機(jī)PLC控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信連接示意

3.1.3 連續(xù)采煤機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)采煤機(jī)控制程序全部使用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)有本地控制(遙控器控制)、泵控制、風(fēng)機(jī)控制、截割控制、運(yùn)輸控制、牽引控制、液壓控制、保護(hù)功能、CAN通信驅(qū)動、語音預(yù)警控制、數(shù)據(jù)處理共計(jì)11個(gè)程序模塊，各模塊功能劃分明確，模塊間獨(dú)立運(yùn)行、相互調(diào)用，具有故障易查找、功能易修改升級等特點(diǎn)。

3.2 協(xié)議系列標(biāo)準(zhǔn)研究

3.2.1 EtherNet/IP協(xié)議研究背景

煤炭生產(chǎn)是一個(gè)多設(shè)備的工作體系和統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行的復(fù)雜過程，目前神東公司的煤炭開采機(jī)械化程度已經(jīng)達(dá)到100%，但是設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行還需要人員就地進(jìn)行操作，自動化程度還有待提高，而設(shè)備之間具有的通信接口和協(xié)議種類繁多，使得配套的開采裝備系統(tǒng)變得復(fù)雜、難以維護(hù)，可靠性也較差。神東公司智能礦山的建設(shè)和實(shí)施亟需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口與協(xié)議，通過將以太網(wǎng)的開放和互聯(lián)特性引入到生產(chǎn)設(shè)備層，使機(jī)電設(shè)備具有統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口和協(xié)議，將使實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成到企業(yè)信息化系統(tǒng)中，增強(qiáng)對煤炭生產(chǎn)和礦井各系統(tǒng)的集中監(jiān)控能力。

目前，國內(nèi)外煤炭機(jī)電設(shè)備所采用多種通信接口與協(xié)議，較為典型的有串行RS485、CAN總線、以太網(wǎng)，Modbus RTU、Modbus TCP、BB22444等協(xié)議，部分廠家也采用自定義協(xié)議。由于設(shè)備的接口形式多種多樣，單模光纖、多模光纖、RJ45、雙絞線等并行使用，因此上聯(lián)設(shè)備需要定制通信分站，不僅成本高，而且故障率高且維護(hù)難度大。因此，制定適應(yīng)于神東公司，乃至國內(nèi)煤炭行業(yè)數(shù)字礦山發(fā)展需求的機(jī)電設(shè)備通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方案是亟待解決的重要問題。

3.2.2 EtherNet/IP協(xié)議研究成果

針對上述情況，神東公司組織編制了并實(shí)踐了《煤礦機(jī)電設(shè)備通信接口和EtherNet/IP協(xié)議系列標(biāo)準(zhǔn)》(共11項(xiàng))，對煤礦綜采和供電機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集接口、尋址層級、語義標(biāo)書進(jìn)行了規(guī)定，并研制開發(fā)了協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，現(xiàn)場使用后證實(shí)了該標(biāo)準(zhǔn)的可用性。本標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)成果致力于解決數(shù)字礦山機(jī)電設(shè)備之間的互操作、數(shù)據(jù)共享、自由接入難題，為產(chǎn)品的配套、設(shè)備之間的協(xié)同工作提供技術(shù)支撐，進(jìn)而利于在此基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)更高技術(shù)水平的自動化、信息化煤炭采掘系統(tǒng)，進(jìn)一步提高工效，保障安全生產(chǎn)。

2018年11月，神東公司正式發(fā)布了《礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》(Q/GNSD J100801060310-2018)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并于2019年1月1日開始實(shí)施。2021年,該標(biāo)準(zhǔn)由國家能源集團(tuán)正式發(fā)布《煤礦機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》(Q/GN 0033.1-2021～Q/GN 0033.11-2021)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，共11項(xiàng)。2023年，該標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布為能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，名稱為《煤礦綜采工作面機(jī)電設(shè)備EtherNet/IP通信接口和協(xié)議》(NB/T 11118.X-2023)，共11部分，開始在煤炭行業(yè)推廣實(shí)施。

3.2.3 EtherNet/IP協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)

EtherNet/IP協(xié)議能在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)支撐主要有以下2個(gè)方面：

(1)EtherNet/IP協(xié)議技術(shù)。根據(jù)煤礦機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)通信需求，按照高內(nèi)聚、低耦合的思想，設(shè)計(jì)了26個(gè)新的CIP對象模型，覆蓋綜采、供電系統(tǒng)的主要機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)通信需求。EtherNet/IP 協(xié)議使用抽象的對象模型來描述可供使用的一系列通信服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外部可見行為、設(shè)備獲取及交換信息的通用方法。每個(gè)EtherNet/IP設(shè)備用若干對象的一個(gè)集合來描述，用對象將設(shè)備的功能分成邏輯相關(guān)的子集，每個(gè)都有確切定義的行為。

(2)協(xié)議轉(zhuǎn)換和接口改造技術(shù)。為了適應(yīng)神東公司礦井設(shè)備的接口改造需求，神東公司研發(fā)了智能網(wǎng)關(guān)，具有多路RS485、RS232、CAN接口，并將包括Modbus在內(nèi)的多種工業(yè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherNet/IP協(xié)議，直接接入“一網(wǎng)一站”。同時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)具備WiFi等無線通信技術(shù)，能夠與“一網(wǎng)一站”綜合分站數(shù)據(jù)無線數(shù)據(jù)通信，也兼具通過人員定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳的功能。

4 實(shí)踐應(yīng)用

目前，神東公司所有綜采工作面設(shè)備都利用EtherNet/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳，神東公司在布爾臺煤礦、寸草塔煤礦、寸草塔二礦、烏蘭木倫煤礦等礦井的配電點(diǎn)、泵房等地點(diǎn)的饋電、照明綜保、磁力啟動器等設(shè)備也都實(shí)現(xiàn)了用智能網(wǎng)關(guān)將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為EtherNet/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集功能，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過長時(shí)間實(shí)踐證明，綜采自動化系統(tǒng)的EtherNet/IP通訊平臺具有以下特點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)上傳實(shí)現(xiàn)了“即插即用”。在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等大型設(shè)備搬家倒面期間，只要工作面網(wǎng)絡(luò)暢通、配置相應(yīng)IP就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

(2)數(shù)據(jù)量大、傳輸速率快。單臺液壓支架數(shù)據(jù)點(diǎn)位達(dá)到了200多個(gè)，整個(gè)綜采工作面數(shù)據(jù)點(diǎn)位將近3萬個(gè)，2019年，在哈拉溝煤礦實(shí)測結(jié)果表明，從下發(fā)控制命令至收到接觸器閉合反饋點(diǎn)用時(shí)不到300 ms，響應(yīng)速率是ModbusRTU協(xié)議的6倍。

(3)統(tǒng)一了礦用各類設(shè)備通信協(xié)議和接口的標(biāo)準(zhǔn)。任何廠家同一類設(shè)備EtherNet/IP協(xié)議的點(diǎn)表都相同，減輕了數(shù)據(jù)采集人員工作量，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、故障判斷、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字礦山奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

統(tǒng)一的、規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的智能化煤礦通信協(xié)議接口可以減輕設(shè)備廠商的協(xié)議實(shí)現(xiàn)投入，加速設(shè)備的數(shù)據(jù)通信協(xié)議歸一，降低通信成本。通過建立統(tǒng)一的智能化煤礦數(shù)據(jù)采集、傳輸、融合、共享標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最終解決目前智能化建設(shè)中面臨的子系統(tǒng)分散建設(shè)、兼容性差等突出問題，破除“數(shù)據(jù)壁壘”和“信息煙囪”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、共享和智能化應(yīng)用，打破信息壁壘。同時(shí)有利于解決數(shù)字礦山機(jī)電設(shè)備之間的互操作、數(shù)據(jù)共享、自由接入難題，為產(chǎn)品的配套、設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)提供技術(shù)支撐，進(jìn)而利于在此基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)更高技術(shù)水平的自動化、信息化煤炭采掘系統(tǒng)，進(jìn)一步提高工效，保障安全生產(chǎn)。隨著煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，逐漸由人工現(xiàn)場作業(yè)向遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控的智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，采用遠(yuǎn)程集中控制、智能化裝備等新技術(shù)和新裝備，通過全作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的煤礦企業(yè)將極大提升作業(yè)安全和生產(chǎn)效率[11-13]。