露天煤礦機電設備通信接口和協議標準化研究

崔 文，陳大偉，楊彥飛，宋澤南

(1.國能準能集團有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，010300；2.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司數字與智能產業中心，遼寧省沈陽市，110000)

0 引言

近年來，露天煤礦機電設備通信協議的發展得到廣泛關注。目前，包括遠程挖機智能操控、智能供配電系統、智能防排水系統、礦卡無人駕駛等礦山設備智能化應用已相對成熟。對于未來的發展，露天煤礦的開采工藝綜合化、裝備系統智能化以及開采與生態重建一體化將成為主要發展方向。然而要實現這些目標，還需要解決通信接口協議不統一等問題，以避免新的“信息孤島”形成，從而增大礦山數據融合共享的難度。因此，制定規范統一的數據采集、傳輸與共享標準，設計智能化礦山通信接口與協議規范成為當前礦山智能化建設的關鍵問題之一。

目前，我國露天煤礦基本已實現自動化生產，正由自動化向智能化快速轉型發展。在轉型發展過程中，露天煤礦企業投入大量的設備及設施用于智能礦山建設，涉及露天煤礦的穿孔爆破、采煤、運輸、巖土排棄、安全監測、供配電等各子系統。在提升露天煤礦生產效率的同時，智能化裝備的使用也越來越廣泛，需要隨之增加遠程監控的數據。然而隨著加入智能礦山網絡系統設備數量的不斷攀升，一系列問題也隨之出現。因為露天煤礦的智能化建設缺乏統一的機電設備通信接口和協議標準，各種設備制造商使用了不同的設備接口和協議，導致系統整合難度增大、通信穩定性下降、數據質量下滑。

露天煤礦機電設備主要采用Modbus RTU、Modbus TCP、CAN、串行RS485、以太網等通信接口與協議，部分機電設備制造商甚至還采用自定義協議。這種現狀存在以下問題：一是通信帶寬普遍偏小，無法滿足較大數據的傳輸及實時控制的要求；二是沒有統一的標準，設備在對外應用層的數據難以互通，導致設備間互操作性不佳，這也使得無法在整套設備上部署高級智能化系統。

2022年3月，由國家礦山安全監察局統一部署，應急管理部信息研究院組織智能化礦山建設領域的專家、高校、礦山核心企業及核心設備供應商共同研究編制《智能化礦山數據融合共享規范》系列標準[1-4]。2023年6月26日，國家礦山安全監察局發布了《智能化礦山數據融合共享通信接口與協議規范》[5]，該規范第三部分主要針對智能化礦山前端設備與監測監控等系統感知數據的采集、傳輸和協同共享進行規范，是智能化礦山數據融合共享規范體系的關鍵，對礦山行業數據采集和傳輸業務起到指導作用。

結合《智能化礦山數據融合共享通信接口與協議規范》，需要研究出一種能夠滿足露天煤礦發展需求的機電設備通信協議標準化方案，在生產設備層導入以太網的相互連通性和開放性，有助于機電設備實現統一的工業以太網通信接口和協議，使得現場生產數據能夠順利融入露天煤礦智能化系統。具體做法為：一是對比分析常用的現場總線和工業以太網協議，結合煤礦生產智能化對大數據量、高帶寬應用的需求越來越多的情況，提出在露天煤礦機電設備應用EtherNet/IP協議工業以太網通信技術，并實施統一的通信協議規約標準，增強煤礦機電設備間的互操作性；二是分析國內外EtherNet/IP協議的應用和標準化情況，設計和研發適用于EtherNet/IP協議標準化的機電設備技術方案和通信接口協議轉換技術；三是研究面向露天煤礦業務需求的EtherNet/IP通信協議規約；四是通過實驗驗證和現場測試，對EtherNet/IP協議規約進行實際應用和性能評估，不斷完善和優化協議規約標準，使其滿足露天煤礦生產智能化的發展需求。

通過以上研究，為露天煤礦提供一種能夠滿足發展需求的機電設備通信協議標準化方案，使露天煤礦的智能化建設更加便捷、高效、安全。同時，也為其他礦山行業的智能化建設提供參考和借鑒。

1 露天煤礦機電設備通信存在的問題

實現自動化采礦是智能化煤礦的建設目標，并且在當前國際采礦界已經有很多研究基礎和成果。自2001年起，澳大利亞Landmark項目實施以來，Landmark科學技術與工業研究機構成功設計并應用了一套綜合自動化系統，該系統能夠在無人看守的情況下安全地進行日常采礦、運輸、巖土排放和維護等操作，這些成果為行業提供了標準化的解決方案。Landmark項目成果于2006年開始投入實際使用，截至2014年，澳大利亞已經有超過2/3的工作面在使用這項技術，這對選擇通信協議提供了實踐依據。

我國露天煤礦企業正積極利用各種與煤炭開采相關聯的機電設備接口，其中一些仍在采用Modbus RTU異步串行協議傳送數據的設備不能直接連接到工業網絡中。盡管有些設備已經開始使用Modbus TCP協議，但是在多臺設備需要分享數據時仍然存在問題。例如，采礦系統和電液控制系統會采用OPC協議完成數據共享，但其效率并不高效，穩定性也有待提高。

露天煤礦機電設備通信存在如下主要問題：一是通信協議多種多樣，大部分使用 Modbus協議的設備都要將采集器或 PLC安裝到采坑下，然后在地面上配置服務器，層級多、維護工作量大。若將 Modbus協議直接應用于地面服務器，由交換機讀取采坑下設備的數據則無法得到穩定、可靠的傳輸；二是缺乏面向應用層的數據協議規范，在項目建設過程中，經常會遇到由于設計不合理導致的數據點表修改、協議多次協商等問題，極大拖延了項目的開發時間，同時也很難保障系統的運行穩定與可靠；三是設備擁有單模光纖、多模光纖、RJ45、雙絞線等多種接口，為與上級通信設備進行連接，還需增加專用通訊網關，從而導致高昂的成本、高故障率和維修困難。

2 工業以太網技術比較

2.1 露天煤礦主要通信協議比較

露天煤礦機電設備的通信協議眾多且各有特點，較為常見的協議包括ModbusRTU、ModbusTCP、EtherNet/IP、BB22444等，這些協議各有所長，適用于不同的環境和需求。Modbus協議確立了控制器所能理解和操控的消息結構，且能夠支持RS232、RS422、RS485接口以及以太網設備，但未對物理層設定明確的規定。Modbus RTU是Modbus協議在串行鏈路上的實現，而Modbus TCP是Modbus協議在以太網TCP上的實現。就像現場總線協議DeviceNet和ControlNet一樣，EtherNet/IP協議也是基于CIP協議。然而，EtherNet/IP協議建立在TCP/IP協議之上，這使得它具備將以太網融入設備層面的能力。因此，設備的通用配置、實時信息和控制數據可以在多個網絡中傳輸，并能夠接入全球互聯網或公司內網，從而形成各個工作層級之間全面連續的信息流。這種能力為設備的互聯互通提供了更廣闊的可能性，使得設備之間的數據交換更加高效和便捷。同時，這也為企業的生產和管理提供了更大的靈活性和可擴展性，使得信息的傳遞和共享更加便利和迅速。EtherNet/IP、Modbus TCP和Modbus RTU協議技術對比見表1。

表1 EtherNet/IP、Modbus TCP和Modbus RTU協議技術對比

由表1可以看出，相較于Modbus RTU協議和EtherNet/IP協議，EtherNet/IP具有如下特點：一是具有更好的通信實時性、二是具有更高的通信可靠性、三是在接入AB PLC時具有較好的經濟性、四是能夠直接接入“一網一站”綜合分站、五是雖然傳輸距離較Modbus串行電纜短，但是能夠利用5G和WiFi無線通信技術進行接入，大大提高了設備移動的靈活性，省去了鏈路維護成本。

2.2 Ethernet/IP的優勢

Ethernet/IP協議將CIP協議規范、以太網和TCP/IP技術融合在一起，從而具備廣泛優勢。通過這些不同技術信息結合，Ethernet/IP協議能夠提供更高的靈活性、可擴展性和互操作性。它允許設備在工業控制網絡中進行快速、可靠的通信和交互，同時還可提供更高的數據傳輸速度和帶寬。此外，Ethernet/IP協議還具備更強大的安全性和可靠性，能夠保護設備和網絡免受潛在的威脅和攻擊。總之，Ethernet/IP協議的技術融合為工業控制系統帶來許多優勢，使其更加先進、高效和可靠。

(1)Ethernet/IP協議通過提供一致性規范解決了設備間協議接口的一致性問題。在工業控制網絡中，設備通信和交互已經不再是傳統的數據傳輸，而是基于面向對象和開放性思想的網絡應用。Ethernet/IP協議為網絡設備提供了一致性規范，使得設備之間的互通成為可能。然而，與EtherNet/IP協議網絡相比，Modbus TCP協議缺乏通用的對象庫和標準設備描述類型。在Modbus TCP協議網絡中，通信雙方需要事先約定信息的含義和指令代碼，以便正確解析信息。相比之下，在EtherNet/IP協議網絡中，設備不僅可以相互通信，還能準確理解信息的含義。

(2)通過采用Ethernet/IP協議組建的控制網絡，可以相對容易地將其與Internet/Intranet網絡集成，從而實現對整個企業網絡的管理。這種集成能夠帶來許多好處。首先，企業能夠更加方便地監控和管理控制網絡中的設備和系統，通過與Internet/Intranet網絡集成，企業可以遠程訪問和控制控制網絡中的設備。其次，這種集成還能夠提供更高的數據共享和協作能力，通過將控制網絡與企業網絡集成，不同部門和團隊可以更加方便地共享數據和信息，從而提高工作效率和協作效果。此外，集成后的控制網絡還能夠更好地與其他企業系統和應用進行集成，實現更高級別的自動化和智能化。通過將Ethernet/IP協議網絡與Internet/Intranet網絡集成，企業能夠更好地管理和利用其網絡資源，提高生產效率和競爭力。

(3)Ethernet/IP協議、DeviceNet協議、ControlNet協議共享相同的應用層，其中包括對象庫與設備規范，從而受到廣泛支持。這種共享性使得不同的設備和系統能夠更加無縫地集成和交互，從而實現更高效的工作流程和更好的協同效果。企業和廠商可以更加方便地選擇和組合不同的設備和系統，而無需擔心兼容性和集成問題。這種廣泛的支持也為Ethernet/IP協議的應用和發展提供了堅實基礎，推動了其在工業控制領域的廣泛應用和不斷創新[6]。

綜合上述分析，EtherNet/IP協議具有良好的兼容性，易與信息網絡無縫集成，而生產者/消費者通信機制保證了系統具有較好的實時性，同時由于采用了先進的面向對象的CIP協議規范，解決了多個廠商設備的互操作問題，使得系統具有良好的開放性。因此，在考慮協議兼容性、構成系統的互操作性和開放性等問題基礎上，露天煤礦機電設備采用基于EtherNet/IP協議是最優選擇，可為解決設備數據接口不統一問題，全面提高露天煤礦機電設備的數據共享和物物互聯能力提供技術保障[7]。

3 面向露天煤礦的EtherNet/IP協議標準研究

3.1 CIP協議構成

CIP(Common Industrial Protocol)協議是一個將端對端的對象導向連接及提供工業設備以及高級設備間聯系的協議，CIP協議主要功能可以歸結為：一是用于傳輸與I/O設備相關的控制型數據；二是用于傳輸與受控系統相關的各類信息，如配置、參數設定以及診斷等。CIP協議由多個組成部分構成，包括對象模型、報文協議、通信對象、對象庫、設備描述、設備配置方法和數據管理等。

(1)對象模型。對象模型是CIP協議的一個重要組成部分，它用于描述可實現的通信服務、CIP協議節點的外在可見行為以及IP設備內部數據的訪問和交換方法。通過對象模型，CIP協議能夠提供一種統一的方式來定義和管理設備之間的通信和交互。對象模型不僅定義了設備的功能和行為，還定義了設備之間的關系和交互方式。它提供了一種標準化方法來描述和訪問設備的數據和功能，從而實現了設備之間的互操作性和可擴展性。通過對象模型，CIP協議能夠實現設備的自動發現、配置和管理，使得設備的集成和部署變得更加簡單和高效。總之，對象模型在CIP協議中扮演了重要的角色，它為設備之間的通信和交互提供了一種統一的框架和標準，促進了工業控制系統的發展和應用。

(2)報文協議。報文協議是CIP協議的最高層，用于在面向連接的網絡中提供路徑，連接的建立和報文的確認通過雙方的連接標識符進行。

(3)通信對象。通信對象是CIP協議的組成部分，負責管理和提供運行時報文的交換。通信對象在CIP協議中起著重要作用，用于管理設備之間的通信和實現報文的傳輸。

(4)通用對象庫。通用對象庫是CIP協議簇中包含一些通用定義的對象。這些對象可以被分為通用對象、應用對象和網絡特定對象。CIP協議對象的結構由類、示例和屬性組成。在進行尋址時，CIP協議對象使用設備標識(MAC ID)、類標識(Class ID)、示例標識(Instance ID)、屬性標志(Attribute ID)和服務代碼(Service Code)。

(5)設備描述。CIP設備行業規則對設備進行了統一的規格說明，從而更易于設計出符合要求的設備。在 CIP設備規則中，針對對象結構與屬性的細化很好地解決了這一難題，為常見的各類設備類型提供了更為詳盡的解決方案，每個工業裝備都包含了一些對象和某些具體設備的可選屬性。

(6)設備配置方法。CIP協議提供的設備配置方法多樣，分別有打印數據表、參數對象與參數對象存根等，以上方法可以使設備的配置變得更加靈活和方便。電子數據表是一種標準配置設備的方式，為產品開發信息和配置工具的設計提供了依據。利用簡易的EDS文件格式，供應商可向其他供應商提供有關產品的詳細資料。這樣，使用者設定工具變得友好，并且能夠輕松升級，而不需要頻繁地修改配置軟件工具。

(7)數據管理。CIP協議通過數據管理來定義對象的數據結構和編址類型。在CIP協議對象模型中，使用未連接管理器和連接管理器來處理網絡上的信息。EntherNet/IP協議是一種基于高層網絡連接的協議，用于多個應用程序之間傳遞可信任的通信通道。通過這種方式，CIP協議能夠實現設備之間的可靠通信和數據交換。總之，CIP協議通過數據管理和連接管理器來定義和處理對象的數據結構和網絡通信，EntherNet/IP協議則提供了一種可靠的通信通道，使得設備之間的數據交換變得更加簡單和高效。

3.2 CIP協議對象模型規范的研究和制定

EtherNet/IP協議使用了一種概念化的對象模型，此模型描述了一系列可被應用的通信服務、網絡節點的表現行為和設備獲取及交流信息的常規方法。詳細來說，每個EtherNet/IP協議設備都通過包含多個對象的集合來進行描述，利用對象來對設備的功能在邏輯上進行分區，每個分區子集都具有清晰定義的行為。

“類”是一個對象集合，該集合表示同類型特征的系統組件。“對象實例”是在“類”中某個具體對象的實際表現。同一“類”的每個實例的屬性都相同，不過它們也有著不同的特征值。從同一個“類”派生出多個實例，可以在同一類EtherNet/IP協議設備中。“類”也可能存在“類屬性”，用來描述“類”的詳細情況。比如某一指定對象的實例數量。同時，對象實例與“類”呈現出某一特殊的行為，并且允許這些屬性、實例或整個類應用某一特定的“服務”。對象導向的結構使得開發人員與用戶可以利用簡單易用、基于對象并具有多種網絡連接端口的網絡裝置，而對于用戶來說，這些網絡地址及其內置的數據構建是可見的，這就確保了所有通過以太網連接的設備具備優秀的整體一致性，從而為來自不同制造商的產品提供了互動的可能性。

EtherNet/IP協議包含了大量的通用化對象，構建成一個對象庫。所有的對象類別可以劃分為3種類型，即通用化對象、應用對象和網絡特定對象。為了提供不同廠家同類設備的互操作性，在2個或多個設備上實現相同的對象應從一個設備到另一個設備具有相同的行為。因此，每個對象規范包括對行為的一個嚴格的定義。每個CIP協議產品包含多個對象，這些對象之間的交互提供了產品的基本行為，因為單個對象的行為是固定的，相同分組的對象行為也是固定的。因此，同一組對象布置在一個指定順序時會相互作用，以產生從設備到設備的相同行為。

在一個裝置中使用的對象的分組被稱為該設備的對象模型。因為同類型設備產生相同的行為，所以它們必須具有相同的對象模型。因此，一個對象模型包含在每一個設備配置的文件中，以提供同類型CIP設備間的互操作性。對象模型規范包括：一是標識存在于設備的所有對象類(必選、可選和條件)；二是標明存在于每個對象類的實例數量，若設備具有動態生成和刪除實例的功能，那么該對象模型將明確指出在此類別中可以擁有最多實例數量；三是說明對象是否影響了設備的行為，如果對象影響了設備行為，對象模型應說明如何影響。

具體研究內容和標準規范包括：EtherNet/IP協議通用設備最小對象模型、對象對行為的影響、對象接口、I/O數據接口、I/O組合實例、設備配置、擴展的設備描述、設備描述編號方案。

3.3 自卸卡車設備對象模型描述方案

目前露天煤礦業務的機電設備主要分為以下8大業務系統和25類設備，具體包括：穿爆系統2類：鉆機、混裝炸藥車；采裝系統6類：電鏟、液壓鏟、輪斗挖掘機、自移破碎機、轉載機、吊斗鏟；輔運系統1類：車輛；供電系統2類：地面變配電站(高壓配電裝置、變壓器、低壓配電裝置)、采掘場和排土場變配電站(高壓配電裝置、變壓器、低壓配電裝置)；采掘場排水系統2類：采掘場排水泵、工作面排水泵；邊坡安全監測系統1類：監測分站；排土系統3類：排土機、卸料車、推土機；物料輸送系統8類：一次破碎站、帶式輸送機、分級篩、堆取料機、破碎機、給料機、膠帶秤、裝車站。

其中自卸卡車為露天煤礦的主要運輸設備，現以自卸卡車為例，給出一種擬定的自卸卡車控制系統設備對象模型描述方案為：自卸卡車控制系統(供應商特定設備)：EtherNet/IP協議設備類型0x00。

(1)自卸卡車CIP對象模型。自卸卡車對象模型的應用基礎是作為CIP應用對象的自卸卡車控制對象、自卸卡車狀態對象和自卸卡車故障對象，核心是對象模型組合對象，組合對象的定義規則是按照實際的自卸卡車應用功能將應用對象中分散獨立的數據屬性組合為一個功能性整體，如貨箱控制、行駛狀態監測等功能[8]。自卸卡車設備對象模型拓撲圖如圖1所示，自卸卡車設備對象模型見表2。

圖1 自卸卡車對象模型拓撲圖

表2 自卸卡車設備對象模型

(2)對象對自卸卡車行為的影響。自卸卡車設備對象行為影響見表3。

表3 自卸卡車設備對象行為影響

(3)定義對象接口。自卸卡車設備對象接口見表4。

表4 自卸卡車設備對象接口

(4)定義I/O組合實例。I/O組合實例的定義應該根據露天煤礦實際應用需求，針對要實現的功能(如自卸卡車的貨箱控制、行駛狀態檢測等功能)將多個自卸卡車應用對象中的屬性值合理地分組，每一組構成一個I/O組合對象的實例。自卸卡車設備I/O組合實例見表5。

表5 自卸卡車設備I/O組合實例

“自卸卡車監控對象”描述自卸卡車的基本信息。根據定義，設備應只支持一個自卸卡車監控對象實例，無需定義類屬性，因而多數情況只需要定義實例屬性。自卸卡車監控對象的實例屬性共有247項，其中，1～152項已定義，153～199項為保留，200～247項為擴展。

“屬性ID”作為一種獨特的標記方法來確定對象實例的定位碼，“實例”則為對協議規范的需求或提議提供了說明，其中包含了必要和可選的的數據要求[9-11]。“訪問屬性”包括Get和Set這2個選項，這表示該屬性不僅能被讀取，還能被寫入。數據類型UINT代表無符號整數，而INT代表有符號整數。實例屬性詳細說明為：屬性1的狀態字主要包括實時車速、輪胎溫度、前進擋信號、駐車擋信號、倒擋信號、駕駛模式等信息的實時狀態；屬性2的狀態字主要包括貨箱角度、貨箱落下信號、超載信號、牽引信號、制動信號、增壓風機信號等信息的實時狀態；屬性3的報警字主要包括發動機水溫報警、低電壓報警、稱重傳感器錯誤報警、輪胎胎壓報警等的報警實時狀態；屬性4的故障字主要包括發動機故障、集中潤滑故障、車梯故障報警、超溫故障等的故障實時狀態；屬性5的控制字主要包括自卸卡車各個部件的啟動請求，如發動機、雨刷、燈光、泵、牽引部、風機等；屬性6的控制字主要包括自卸卡車各個部件的停止請求，如發動機、雨刷、燈光、泵、牽引部、風機等；屬性7的控制字主要包括請求前進、電制動、車梯上升下降、貨箱舉升、轉向蓄能等；屬性8～10的控制保護字是預防誤操作而設置，相應的控制字需結合控制保護字判斷控制命令能否執行；屬性11～14為保留；屬性15～25分別為ACU軟件版本、當前發電機電壓、牽引方向、實際速度、貨箱高度、 天線狀態等10項，訪問屬性均為只可讀。所有的行駛驅動系統、轉向系統、液壓系統以及照明系統等都涵蓋了各個系統的狀態字、報警字、故障字和控制字。此外，還包括與各種功能相關的狀態字、故障字、控制字和程序段參數等。

4 應用情況

目前，國能準能集團有限責任公司下屬的黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦累計有4種型號69臺卡車實現了無安全員常態化自動駕駛，利用EtherNet/IP協議進行數據共享，數據傳輸速率快、數據量大，且運行可靠、穩定，為推動露天煤礦采裝、穿孔爆破、推土機作業的室內遠控技術應用及帶式輸送機運輸智能化升級改造提供了可借鑒的經驗。下一步將到國家能源集團下屬各露天煤礦、國內露天采礦設備制造商等單位調研交流，搜集相關設備通信接口和協議規范，制定一套統一的EtherNet/IP協議標準，逐步形成國家能源集團企業標準，并進一步推動團體/行業標準乃至國家標準制定，為我國露天煤礦設備遠程操控、集中控制、故障預測分析、自主運行奠定數據互聯互通基礎。

5 結語

實踐應用表明EtherNet/IP協議作為統一接口通信協議技術是可行的、經濟的，進一步開展基于EtherNet/IP協議的煤炭設備統一接口通信協議標準的研究，將為提高廠商間設備的互操作性提供行業標準方案，對提升整個露天煤礦的自動化、數字化、信息化、智能化程度具有重要意義。