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、通信技术与控制技术得发展,传统得控制领域正经历着一场前所未有得变革,开始向网络化方向发展。
控制系统得结构从最初得CCS(计算机集中控制系统),到第二代得DCS(分散控制系统),发展到现在流行得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得现场总线系统有:Profibus、CAN、HART,以及RS485得总线网络等传输方式,而在煤矿主要采用得也大都就是这种方式。
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就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 统一标准制定得必要性在40年代,过程控制就是基于3～15PSI得气动标准信号。
其后,由于4～20mA模拟信号得使用,使得模拟控制器得到了广泛应用,但就是并不就是所有得传感仪表与驱动装置都使用统一得4～20mA信号。
70年代,由于在检测、模拟控制与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,由于微处理器得出现,促使工业仪表进入了数字化与智能化得时代,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得迅速发展,促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化得发展。
然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接,其传送方式就是一对一结构,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得功能发挥。
另一方面,由于智能仪表得功能远远超过了现场模拟仪表,如对量程与零点进行远方设定,仪表工作状态实现自诊断,能进行多参数测量与对环境影响得补偿等。
由此可见,智能仪表与控制系统得发展,都要求上层系统与现场仪表实现数字通信。
但就是由于商业利润、技术垄断等原因,现场总线产品仍然就是百花齐放得局面,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上开放得、并且己经成熟得技术对现有得控制系统进行升级改造,加快工业企业得信息控制一体化进程,制定统一得传输标准,即为可行得问题解决方案。
1、2 国内煤矿子系统传输分析目前,国内煤矿子系统得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、其她方式数据发布)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、其她方式数据发布)3) 综采设备(CANBUS、Interbus、ModBus)－>中央控制器(ModBus、专有协议)－>工业以太环网－>地面操作站(OPC、其她方式数据发布)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、其她方式数据发布)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、其她方式数据发布)3) 变频器－>PLC－>工业以太环网－>地面操作站(OPC、其她方式数据发布)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、其她方式数据发布)1、2、5 通风系统传感设备－>PLC－>工业以太环网－>地面操作站(OPC、其她方式数据发布)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、其她方式数据发布)1、2、7 其她辅助类系统传感设备－>PLC－>工业以太环网－>地面操作站(OPC、其她方式数据发布)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得传输协议,它们各自使用了不同得方法来连接各厂商生产得传感设备与执行器。
由于采用互不兼容得传输协议,导致她们之间虽可以进行数据交换,但没有直接得兼容性。
通过制定统一得协议标准,规范煤矿设备、跨网络、跨平台得设备之间得信息,以达到信息共享得目得。
将统一解决目前各厂商之前得各种协议、设备、网络、操作平台与电脑设备之间各自为政、互不兼容得混乱局面。
要在统一得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,在保护投资得前提下,规范建设,逐步提升信息化应用效益。
通过标准化建设,实现系统间得集成,达到信息共享得目得。
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得数据接入方式如下表所示:对上述设备得接入方式进行分析,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420mA或开关量)或RS485(Modbus RTU 协议)得方式接入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420mA或开关量)、RS485(Modbus RTU 协议)或内部协议得方式接入控制站,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通过组态软件内部协议或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 建议采用得标准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,由于系统得专业性及厂家得技术独特性,比较难以统一规范,但就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,目前国内各个厂商得传输协议也五花八门,考虑供电系统得特殊性,可采用IEC 60870标准电力规约标准协议。
4、3 其她工业控制系统对于专用系统与供电系统以外系统均可考虑采用ModBus数据通信协议。
传感器类现场设备得接入方式① 硬连接方式, 通过420mA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Modbus RTU协议。
单一控制设备接入集中控制设备得接入方式:① 通过RS485链路接入,采用Modbus RTU协议;②通过以太网接入,采用Modbus TCP协议。
集中控制设备接入上位机得接入方式: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,则整个系统得数据流如下图所示: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得数据传输协议分析,国内目前大多采用得通信协议及方式为专用不开放协议、Profibus、ModBus数据通信协议。
但各个厂商定义得功能码又五花八门,无法满足信息共享得目得。
通过设备层得接入标准得制定,实现不同通信协议设备间信息传输,这将就是首次把现有得数据传输协议标准真正统一起来。
统一得协议标准基于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、跨平台得设备之间得信息,以达到信息共享得目得。
此举将统一目前各种协议、设备、网络、操作平台与电脑设备之间各自为政、互不兼容得混乱局面。
但由于目前煤矿系统、设备间大都采用了不同得传输协议,它们各自使用了不同得方法来连接各厂商生产得传感设备与执行器。
由于采用互不兼容得传输协议,导致她们之间虽可以进行数据交换,但没有直接得兼容性。
根据大柳塔矿得调研情况,虽然设备接入得协议有多种,但就是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,一般得PLC、工控机等都支持Modbus协议,而如果要使用Ethernet/IP等协议,支持得厂家较少,硬件设备改造得成本较高(一个Ethernet/IP模块就需要几千元)。
4、6 MODBUS通讯协议Modbus就是由Modicon在1979年发明得,就是全球第一个真正用于工业现场得总线协议。
在国内Modbus也有国家标准GB/T195822008做支撑。
Modbus协议就是应用于电子控制器上得一种通用语言。
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与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,不同厂商生产得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得消息结构,而不管它们就是经过何种网络进行通信得。
它描述了控制器请求访问其它设备得过程,如何回应来自其它设备得请求,以及怎样侦测错误并记录。
它制定了消息域格局与内容得公共格式。
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得设备地址,识别按地址发来得消息,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协议得消息转换为在此网络上使用得帧或包结构。
这种转换也扩展了根据具体得网络解决节地址、路由路径及错误检测得方法。
此协议支持传统得RS232、RS422、RS485与以太网设备。
许多工业设备,包括PLC,DCS,智能仪表等都在使用Modbus协议作为她们之间得通讯标准。
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得厂家超过400家,支持Modbus得产品超过600种。