设备接入标准方案整理

1、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

2、等，国煤矿都采用都还是 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 420mA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

3、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

4、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 国煤矿子系统传输分析目前，国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

5、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 IEC 60870 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） P

6、LC 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 IEC 60870 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、

7、 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

8、资源，在保护投资 的前提下，规建设，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（Modbus RTU 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通过组态软件部协议或 Modbus TCP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 4-20

9、mA或开关量）、RS485（Modbus RTU 协议） 或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 Modbus RTU 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通过组态软件部协议或 Modbus TCP协议通信。典型系统有 综采系统、连采系统、主运系统等；C. 传感器通过部协议接入分站，分站通过工业以太网以部协议接入上位机，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

10、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，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IEC 60870 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 硬连接方式， 通过 4-20mA模拟量或开关量信号接入； 数字式传感器通过 RS485链路接入，采用 Modbus RTU协议。 单一控制设备接入集中控制设备的接入

11、方式： 通过 RS485链路接入，采用 Modbus RTU协议； 通过以太网接入，采用 Modbus TCP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 Modbus TCP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

12、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

13、上已经成为了一个部标准，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 ） 。4.6 MODBUS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

14、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