露天煤礦機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化研究

崔 文，陳大偉，楊彥飛，宋澤南

(1.國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300；2.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司數(shù)字與智能產(chǎn)業(yè)中心，遼寧省沈陽市，110000)

0 引言

近年來，露天煤礦機(jī)電設(shè)備通信協(xié)議的發(fā)展得到廣泛關(guān)注。目前，包括遠(yuǎn)程挖機(jī)智能操控、智能供配電系統(tǒng)、智能防排水系統(tǒng)、礦卡無人駕駛等礦山設(shè)備智能化應(yīng)用已相對成熟。對于未來的發(fā)展，露天煤礦的開采工藝綜合化、裝備系統(tǒng)智能化以及開采與生態(tài)重建一體化將成為主要發(fā)展方向。然而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，還需要解決通信接口協(xié)議不統(tǒng)一等問題，以避免新的“信息孤島”形成，從而增大礦山數(shù)據(jù)融合共享的難度。因此，制定規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范成為當(dāng)前礦山智能化建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。

目前，我國露天煤礦基本已實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，正由自動化向智能化快速轉(zhuǎn)型發(fā)展。在轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中，露天煤礦企業(yè)投入大量的設(shè)備及設(shè)施用于智能礦山建設(shè)，涉及露天煤礦的穿孔爆破、采煤、運(yùn)輸、巖土排棄、安全監(jiān)測、供配電等各子系統(tǒng)。在提升露天煤礦生產(chǎn)效率的同時(shí)，智能化裝備的使用也越來越廣泛，需要隨之增加遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)。然而隨著加入智能礦山網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量的不斷攀升，一系列問題也隨之出現(xiàn)。因?yàn)槁短烀旱V的智能化建設(shè)缺乏統(tǒng)一的機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各種設(shè)備制造商使用了不同的設(shè)備接口和協(xié)議，導(dǎo)致系統(tǒng)整合難度增大、通信穩(wěn)定性下降、數(shù)據(jù)質(zhì)量下滑。

露天煤礦機(jī)電設(shè)備主要采用Modbus RTU、Modbus TCP、CAN、串行RS485、以太網(wǎng)等通信接口與協(xié)議，部分機(jī)電設(shè)備制造商甚至還采用自定義協(xié)議。這種現(xiàn)狀存在以下問題：一是通信帶寬普遍偏小，無法滿足較大數(shù)據(jù)的傳輸及實(shí)時(shí)控制的要求；二是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備在對外應(yīng)用層的數(shù)據(jù)難以互通，導(dǎo)致設(shè)備間互操作性不佳，這也使得無法在整套設(shè)備上部署高級智能化系統(tǒng)。

2022年3月，由國家礦山安全監(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《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。2023年6月26日，國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布了《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享通信接口與協(xié)議規(guī)范》[5]，該規(guī)范第三部分主要針對智能化礦山前端設(shè)備與監(jiān)測監(jiān)控等系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)的采集、傳輸和協(xié)同共享進(jìn)行規(guī)范，是智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享規(guī)范體系的關(guān)鍵，對礦山行業(yè)數(shù)據(jù)采集和傳輸業(yè)務(wù)起到指導(dǎo)作用。

結(jié)合《智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享通信接口與協(xié)議規(guī)范》，需要研究出一種能夠滿足露天煤礦發(fā)展需求的機(jī)電設(shè)備通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方案，在生產(chǎn)設(shè)備層導(dǎo)入以太網(wǎng)的相互連通性和開放性，有助于機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口和協(xié)議，使得現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠順利融入露天煤礦智能化系統(tǒng)。具體做法為：一是對比分析常用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，結(jié)合煤礦生產(chǎn)智能化對大數(shù)據(jù)量、高帶寬應(yīng)用的需求越來越多的情況，提出在露天煤礦機(jī)電設(shè)備應(yīng)用EtherNet/IP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，并實(shí)施統(tǒng)一的通信協(xié)議規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)煤礦機(jī)電設(shè)備間的互操作性；二是分析國內(nèi)外EtherNet/IP協(xié)議的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化情況，設(shè)計(jì)和研發(fā)適用于EtherNet/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)電設(shè)備技術(shù)方案和通信接口協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)；三是研究面向露天煤礦業(yè)務(wù)需求的EtherNet/IP通信協(xié)議規(guī)約；四是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場測試，對EtherNet/IP協(xié)議規(guī)約進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用和性能評估，不斷完善和優(yōu)化協(xié)議規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，使其滿足露天煤礦生產(chǎn)智能化的發(fā)展需求。

通過以上研究，為露天煤礦提供一種能夠滿足發(fā)展需求的機(jī)電設(shè)備通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方案，使露天煤礦的智能化建設(shè)更加便捷、高效、安全。同時(shí)，也為其他礦山行業(yè)的智能化建設(shè)提供參考和借鑒。

1 露天煤礦機(jī)電設(shè)備通信存在的問題

實(shí)現(xiàn)自動化采礦是智能化煤礦的建設(shè)目標(biāo)，并且在當(dāng)前國際采礦界已經(jīng)有很多研究基礎(chǔ)和成果。自2001年起，澳大利亞Landmark項(xiàng)目實(shí)施以來，Landmark科學(xué)技術(shù)與工業(yè)研究機(jī)構(gòu)成功設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一套綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在無人看守的情況下安全地進(jìn)行日常采礦、運(yùn)輸、巖土排放和維護(hù)等操作，這些成果為行業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。Landmark項(xiàng)目成果于2006年開始投入實(shí)際使用，截至2014年，澳大利亞已經(jīng)有超過2/3的工作面在使用這項(xiàng)技術(shù)，這對選擇通信協(xié)議提供了實(shí)踐依據(jù)。

我國露天煤礦企業(yè)正積極利用各種與煤炭開采相關(guān)聯(lián)的機(jī)電設(shè)備接口，其中一些仍在采用Modbus RTU異步串行協(xié)議傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備不能直接連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。盡管有些設(shè)備已經(jīng)開始使用Modbus TCP協(xié)議，但是在多臺設(shè)備需要分享數(shù)據(jù)時(shí)仍然存在問題。例如，采礦系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)會采用OPC協(xié)議完成數(shù)據(jù)共享，但其效率并不高效，穩(wěn)定性也有待提高。

露天煤礦機(jī)電設(shè)備通信存在如下主要問題：一是通信協(xié)議多種多樣，大部分使用 Modbus協(xié)議的設(shè)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(wù)器，層級多、維護(hù)工作量大。若將 Modbus協(xié)議直接應(yīng)用于地面服務(wù)器，由交換機(jī)讀取采坑下設(shè)備的數(shù)據(jù)則無法得到穩(wěn)定、可靠的傳輸；二是缺乏面向應(yīng)用層的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)范，在項(xiàng)目建設(shè)過程中，經(jīng)常會遇到由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的數(shù)據(jù)點(diǎn)表修改、協(xié)議多次協(xié)商等問題，極大拖延了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)也很難保障系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定與可靠；三是設(shè)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(shè)備進(jìn)行連接，還需增加專用通訊網(wǎng)關(guān)，從而導(dǎo)致高昂的成本、高故障率和維修困難。

2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)比較

2.1 露天煤礦主要通信協(xié)議比較

露天煤礦機(jī)電設(shè)備的通信協(xié)議眾多且各有特點(diǎn)，較為常見的協(xié)議包括ModbusRTU、ModbusTCP、EtherNet/IP、BB22444等，這些協(xié)議各有所長，適用于不同的環(huán)境和需求。Modbus協(xié)議確立了控制器所能理解和操控的消息結(jié)構(gòu)，且能夠支持RS232、RS422、RS485接口以及以太網(wǎng)設(shè)備，但未對物理層設(shè)定明確的規(guī)定。Modbus RTU是Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)，而Modbus TCP是Modbus協(xié)議在以太網(wǎng)TCP上的實(shí)現(xiàn)。就像現(xiàn)場總線協(xié)議DeviceNet和ControlNet一樣，EtherNet/IP協(xié)議也是基于CIP協(xié)議。然而，EtherNet/IP協(xié)議建立在TCP/IP協(xié)議之上，這使得它具備將以太網(wǎng)融入設(shè)備層面的能力。因此，設(shè)備的通用配置、實(shí)時(shí)信息和控制數(shù)據(jù)可以在多個網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并能夠接入全球互聯(lián)網(wǎng)或公司內(nèi)網(wǎng)，從而形成各個工作層級之間全面連續(xù)的信息流。這種能力為設(shè)備的互聯(lián)互通提供了更廣闊的可能性，使得設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換更加高效和便捷。同時(shí)，這也為企業(yè)的生產(chǎn)和管理提供了更大的靈活性和可擴(kuò)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(xié)議技術(shù)對比見表1。

表1 EtherNet/IP、Modbus TCP和Modbus RTU協(xié)議技術(shù)對比

由表1可以看出，相較于Modbus RTU協(xié)議和EtherNet/IP協(xié)議，EtherNet/IP具有如下特點(diǎn)：一是具有更好的通信實(shí)時(shí)性、二是具有更高的通信可靠性、三是在接入AB PLC時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性、四是能夠直接接入“一網(wǎng)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(shù)進(jìn)行接入，大大提高了設(shè)備移動的靈活性，省去了鏈路維護(hù)成本。

2.2 Ethernet/IP的優(yōu)勢

Ethernet/IP協(xié)議將CIP協(xié)議規(guī)范、以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)融合在一起，從而具備廣泛優(yōu)勢。通過這些不同技術(shù)信息結(jié)合，Ethernet/IP協(xié)議能夠提供更高的靈活性、可擴(kuò)展性和互操作性。它允許設(shè)備在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行快速、可靠的通信和交互，同時(shí)還可提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬。此外，Ethernet/IP協(xié)議還具備更強(qiáng)大的安全性和可靠性，能夠保護(hù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)免受潛在的威脅和攻擊?？傊?，Ethernet/IP協(xié)議的技術(shù)融合為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來許多優(yōu)勢，使其更加先進(jìn)、高效和可靠。

(1)Ethernet/IP協(xié)議通過提供一致性規(guī)范解決了設(shè)備間協(xié)議接口的一致性問題。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備通信和交互已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，而是基于面向?qū)ο蠛烷_放性思想的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Ethernet/IP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了一致性規(guī)范，使得設(shè)備之間的互通成為可能。然而，與EtherNet/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)相比，Modbus TCP協(xié)議缺乏通用的對象庫和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述類型。在Modbus TCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)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(xié)議網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備不僅可以相互通信，還能準(zhǔn)確理解信息的含義。

(2)通過采用Ethernet/IP協(xié)議組建的控制網(wǎng)絡(luò)，可以相對容易地將其與Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)集成，從而實(shí)現(xiàn)對整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的管理。這種集成能夠帶來許多好處。首先，企業(yè)能夠更加方便地監(jiān)控和管理控制網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和系統(tǒng)，通過與Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)集成，企業(yè)可以遠(yuǎn)程訪問和控制控制網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。其次，這種集成還能夠提供更高的數(shù)據(jù)共享和協(xié)作能力，通過將控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成，不同部門和團(tuán)隊(duì)可以更加方便地共享數(shù)據(jù)和信息，從而提高工作效率和協(xié)作效果。此外，集成后的控制網(wǎng)絡(luò)還能夠更好地與其他企業(yè)系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)更高級別的自動化和智能化。通過將Ethernet/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)集成，企業(yè)能夠更好地管理和利用其網(wǎng)絡(luò)資源，提高生產(chǎn)效率和競爭力。

(3)Ethernet/IP協(xié)議、DeviceNet協(xié)議、ControlNet協(xié)議共享相同的應(yīng)用層，其中包括對象庫與設(shè)備規(guī)范，從而受到廣泛支持。這種共享性使得不同的設(shè)備和系統(tǒng)能夠更加無縫地集成和交互，從而實(shí)現(xiàn)更高效的工作流程和更好的協(xié)同效果。企業(yè)和廠商可以更加方便地選擇和組合不同的設(shè)備和系統(tǒng)，而無需擔(dān)心兼容性和集成問題。這種廣泛的支持也為Ethernet/IP協(xié)議的應(yīng)用和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，推動了其在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和不斷創(chuàng)新[6]。

綜合上述分析，EtherNet/IP協(xié)議具有良好的兼容性，易與信息網(wǎng)絡(luò)無縫集成，而生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信機(jī)制保證了系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，同時(shí)由于采用了先進(jìn)的面向?qū)ο蟮腃IP協(xié)議規(guī)范，解決了多個廠商設(shè)備的互操作問題，使得系統(tǒng)具有良好的開放性。因此，在考慮協(xié)議兼容性、構(gòu)成系統(tǒng)的互操作性和開放性等問題基礎(chǔ)上，露天煤礦機(jī)電設(shè)備采用基于EtherNet/IP協(xié)議是最優(yōu)選擇，可為解決設(shè)備數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一問題，全面提高露天煤礦機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)共享和物物互聯(lián)能力提供技術(shù)保障[7]。

3 面向露天煤礦的EtherNet/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 CIP協(xié)議構(gòu)成

CIP(Common Industrial Protocol)協(xié)議是一個將端對端的對象導(dǎo)向連接及提供工業(yè)設(shè)備以及高級設(shè)備間聯(lián)系的協(xié)議，CIP協(xié)議主要功能可以歸結(jié)為：一是用于傳輸與I/O設(shè)備相關(guān)的控制型數(shù)據(jù)；二是用于傳輸與受控系統(tǒng)相關(guān)的各類信息，如配置、參數(shù)設(shè)定以及診斷等。CIP協(xié)議由多個組成部分構(gòu)成，包括對象模型、報(bào)文協(xié)議、通信對象、對象庫、設(shè)備描述、設(shè)備配置方法和數(shù)據(jù)管理等。

(1)對象模型。對象模型是CIP協(xié)議的一個重要組成部分，它用于描述可實(shí)現(xiàn)的通信服務(wù)、CIP協(xié)議節(jié)點(diǎn)的外在可見行為以及IP設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問和交換方法。通過對象模型，CIP協(xié)議能夠提供一種統(tǒng)一的方式來定義和管理設(shè)備之間的通信和交互。對象模型不僅定義了設(shè)備的功能和行為，還定義了設(shè)備之間的關(guān)系和交互方式。它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化方法來描述和訪問設(shè)備的數(shù)據(jù)和功能，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的互操作性和可擴(kuò)展性。通過對象模型，CIP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動發(fā)現(xiàn)、配置和管理，使得設(shè)備的集成和部署變得更加簡單和高效?？傊瑢ο竽Ｐ驮贑IP協(xié)議中扮演了重要的角色，它為設(shè)備之間的通信和交互提供了一種統(tǒng)一的框架和標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

(2)報(bào)文協(xié)議。報(bào)文協(xié)議是CIP協(xié)議的最高層，用于在面向連接的網(wǎng)絡(luò)中提供路徑，連接的建立和報(bào)文的確認(rèn)通過雙方的連接標(biāo)識符進(jìn)行。

(3)通信對象。通信對象是CIP協(xié)議的組成部分，負(fù)責(zé)管理和提供運(yùn)行時(shí)報(bào)文的交換。通信對象在CIP協(xié)議中起著重要作用，用于管理設(shè)備之間的通信和實(shí)現(xiàn)報(bào)文的傳輸。

(4)通用對象庫。通用對象庫是CIP協(xié)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(yīng)用對象和網(wǎng)絡(luò)特定對象。CIP協(xié)議對象的結(jié)構(gòu)由類、示例和屬性組成。在進(jìn)行尋址時(shí)，CIP協(xié)議對象使用設(shè)備標(biāo)識(MAC ID)、類標(biāo)識(Class ID)、示例標(biāo)識(Instance ID)、屬性標(biāo)志(Attribute ID)和服務(wù)代碼(Service Code)。

(5)設(shè)備描述。CIP設(shè)備行業(yè)規(guī)則對設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)格說明，從而更易于設(shè)計(jì)出符合要求的設(shè)備。在 CIP設(shè)備規(guī)則中，針對對象結(jié)構(gòu)與屬性的細(xì)化很好地解決了這一難題，為常見的各類設(shè)備類型提供了更為詳盡的解決方案，每個工業(yè)裝備都包含了一些對象和某些具體設(shè)備的可選屬性。

(6)設(shè)備配置方法。CIP協(xié)議提供的設(shè)備配置方法多樣，分別有打印數(shù)據(jù)表、參數(shù)對象與參數(shù)對象存根等，以上方法可以使設(shè)備的配置變得更加靈活和方便。電子數(shù)據(jù)表是一種標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備的方式，為產(chǎn)品開發(fā)信息和配置工具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。利用簡易的EDS文件格式，供應(yīng)商可向其他供應(yīng)商提供有關(guān)產(chǎn)品的詳細(xì)資料。這樣，使用者設(shè)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(shù)據(jù)管理。CIP協(xié)議通過數(shù)據(jù)管理來定義對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編址類型。在CIP協(xié)議對象模型中，使用未連接管理器和連接管理器來處理網(wǎng)絡(luò)上的信息。EntherNet/IP協(xié)議是一種基于高層網(wǎng)絡(luò)連接的協(xié)議，用于多個應(yīng)用程序之間傳遞可信任的通信通道。通過這種方式，CIP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的可靠通信和數(shù)據(jù)交換。總之，CIP協(xié)議通過數(shù)據(jù)管理和連接管理器來定義和處理對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信，EntherNet/IP協(xié)議則提供了一種可靠的通信通道，使得設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換變得更加簡單和高效。

3.2 CIP協(xié)議對象模型規(guī)范的研究和制定

EtherNet/IP協(xié)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(yīng)用的通信服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)行為和設(shè)備獲取及交流信息的常規(guī)方法。詳細(xì)來說，每個EtherNet/IP協(xié)議設(shè)備都通過包含多個對象的集合來進(jìn)行描述，利用對象來對設(shè)備的功能在邏輯上進(jìn)行分區(qū)，每個分區(qū)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(tǒng)組件?！皩ο髮?shí)例”是在“類”中某個具體對象的實(shí)際表現(xiàn)。同一“類”的每個實(shí)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(shí)例，可以在同一類EtherNet/IP協(xié)議設(shè)備中。“類”也可能存在“類屬性”，用來描述“類”的詳細(xì)情況。比如某一指定對象的實(shí)例數(shù)量。同時(shí)，對象實(shí)例與“類”呈現(xiàn)出某一特殊的行為，并且允許這些屬性、實(shí)例或整個類應(yīng)用某一特定的“服務(wù)”。對象導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)使得開發(fā)人員與用戶可以利用簡單易用、基于對象并具有多種網(wǎng)絡(luò)連接端口的網(wǎng)絡(luò)裝置，而對于用戶來說，這些網(wǎng)絡(luò)地址及其內(nèi)置的數(shù)據(jù)構(gòu)建是可見的，這就確保了所有通過以太網(wǎng)連接的設(shè)備具備優(yōu)秀的整體一致性，從而為來自不同制造商的產(chǎn)品提供了互動的可能性。

EtherNet/IP協(xié)議包含了大量的通用化對象，構(gòu)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(yīng)用對象和網(wǎng)絡(luò)特定對象。為了提供不同廠家同類設(shè)備的互操作性，在2個或多個設(shè)備上實(shí)現(xiàn)相同的對象應(yīng)從一個設(shè)備到另一個設(shè)備具有相同的行為。因此，每個對象規(guī)范包括對行為的一個嚴(yán)格的定義。每個CIP協(xié)議產(chǎn)品包含多個對象，這些對象之間的交互提供了產(chǎn)品的基本行為，因?yàn)閱蝹€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(shí)會相互作用，以產(chǎn)生從設(shè)備到設(shè)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(shè)備的對象模型。因?yàn)橥愋驮O(shè)備產(chǎn)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(shè)備配置的文件中，以提供同類型CIP設(shè)備間的互操作性。對象模型規(guī)范包括：一是標(biāo)識存在于設(shè)備的所有對象類(必選、可選和條件)；二是標(biāo)明存在于每個對象類的實(shí)例數(shù)量，若設(shè)備具有動態(tài)生成和刪除實(shí)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(shí)例數(shù)量；三是說明對象是否影響了設(shè)備的行為，如果對象影響了設(shè)備行為，對象模型應(yīng)說明如何影響。

具體研究內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括：EtherNet/IP協(xié)議通用設(shè)備最小對象模型、對象對行為的影響、對象接口、I/O數(shù)據(jù)接口、I/O組合實(shí)例、設(shè)備配置、擴(kuò)展的設(shè)備描述、設(shè)備描述編號方案。

3.3 自卸卡車設(shè)備對象模型描述方案

目前露天煤礦業(yè)務(wù)的機(jī)電設(shè)備主要分為以下8大業(yè)務(wù)系統(tǒng)和25類設(shè)備，具體包括：穿爆系統(tǒng)2類：鉆機(jī)、混裝炸藥車；采裝系統(tǒng)6類：電鏟、液壓鏟、輪斗挖掘機(jī)、自移破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、吊斗鏟；輔運(yùn)系統(tǒng)1類：車輛；供電系統(tǒng)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(tǒng)2類：采掘場排水泵、工作面排水泵；邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)1類：監(jiān)測分站；排土系統(tǒng)3類：排土機(jī)、卸料車、推土機(jī)；物料輸送系統(tǒng)8類：一次破碎站、帶式輸送機(jī)、分級篩、堆取料機(jī)、破碎機(jī)、給料機(jī)、膠帶秤、裝車站。

其中自卸卡車為露天煤礦的主要運(yùn)輸設(shè)備，現(xiàn)以自卸卡車為例，給出一種擬定的自卸卡車控制系統(tǒng)設(shè)備對象模型描述方案為：自卸卡車控制系統(tǒng)(供應(yīng)商特定設(shè)備)：EtherNet/IP協(xié)議設(shè)備類型0x00。

(1)自卸卡車CIP對象模型。自卸卡車對象模型的應(yīng)用基礎(chǔ)是作為CIP應(yīng)用對象的自卸卡車控制對象、自卸卡車狀態(tài)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(guī)則是按照實(shí)際的自卸卡車應(yīng)用功能將應(yīng)用對象中分散獨(dú)立的數(shù)據(jù)屬性組合為一個功能性整體，如貨箱控制、行駛狀態(tài)監(jiān)測等功能[8]。自卸卡車設(shè)備對象模型拓?fù)鋱D如圖1所示，自卸卡車設(shè)備對象模型見表2。

圖1 自卸卡車對象模型拓?fù)鋱D

表2 自卸卡車設(shè)備對象模型

(2)對象對自卸卡車行為的影響。自卸卡車設(shè)備對象行為影響見表3。

表3 自卸卡車設(shè)備對象行為影響

(3)定義對象接口。自卸卡車設(shè)備對象接口見表4。

表4 自卸卡車設(shè)備對象接口

(4)定義I/O組合實(shí)例。I/O組合實(shí)例的定義應(yīng)該根據(jù)露天煤礦實(shí)際應(yīng)用需求，針對要實(shí)現(xiàn)的功能(如自卸卡車的貨箱控制、行駛狀態(tài)檢測等功能)將多個自卸卡車應(yīng)用對象中的屬性值合理地分組，每一組構(gòu)成一個I/O組合對象的實(shí)例。自卸卡車設(shè)備I/O組合實(shí)例見表5。

表5 自卸卡車設(shè)備I/O組合實(shí)例

“自卸卡車監(jiān)控對象”描述自卸卡車的基本信息。根據(jù)定義，設(shè)備應(yīng)只支持一個自卸卡車監(jiān)控對象實(shí)例，無需定義類屬性，因而多數(shù)情況只需要定義實(shí)例屬性。自卸卡車監(jiān)控對象的實(shí)例屬性共有247項(xiàng)，其中，1～152項(xiàng)已定義，153～199項(xiàng)為保留，200～247項(xiàng)為擴(kuò)展。

“屬性ID”作為一種獨(dú)特的標(biāo)記方法來確定對象實(shí)例的定位碼，“實(shí)例”則為對協(xié)議規(guī)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(shù)據(jù)要求[9-11]?！霸L問屬性”包括Get和Set這2個選項(xiàng)，這表示該屬性不僅能被讀取，還能被寫入。數(shù)據(jù)類型UINT代表無符號整數(shù)，而INT代表有符號整數(shù)。實(shí)例屬性詳細(xì)說明為：屬性1的狀態(tài)字主要包括實(shí)時(shí)車速、輪胎溫度、前進(jìn)擋信號、駐車擋信號、倒擋信號、駕駛模式等信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)；屬性2的狀態(tài)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(fēng)機(jī)信號等信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)；屬性3的報(bào)警字主要包括發(fā)動機(jī)水溫報(bào)警、低電壓報(bào)警、稱重傳感器錯誤報(bào)警、輪胎胎壓報(bào)警等的報(bào)警實(shí)時(shí)狀態(tài)；屬性4的故障字主要包括發(fā)動機(jī)故障、集中潤滑故障、車梯故障報(bào)警、超溫故障等的故障實(shí)時(shí)狀態(tài)；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(fā)動機(jī)、雨刷、燈光、泵、牽引部、風(fēng)機(jī)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(fā)動機(jī)、雨刷、燈光、泵、牽引部、風(fēng)機(jī)等；屬性7的控制字主要包括請求前進(jìn)、電制動、車梯上升下降、貨箱舉升、轉(zhuǎn)向蓄能等；屬性8～10的控制保護(hù)字是預(yù)防誤操作而設(shè)置，相應(yīng)的控制字需結(jié)合控制保護(hù)字判斷控制命令能否執(zhí)行；屬性11～14為保留；屬性15～25分別為ACU軟件版本、當(dāng)前發(fā)電機(jī)電壓、牽引方向、實(shí)際速度、貨箱高度、 天線狀態(tài)等10項(xiàng)，訪問屬性均為只可讀。所有的行駛驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)等都涵蓋了各個系統(tǒng)的狀態(tài)字、報(bào)警字、故障字和控制字。此外，還包括與各種功能相關(guān)的狀態(tài)字、故障字、控制字和程序段參數(shù)等。

4 應(yīng)用情況

目前，國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬的黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦累計(jì)有4種型號69臺卡車實(shí)現(xiàn)了無安全員常態(tài)化自動駕駛，利用EtherNet/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)傳輸速率快、數(shù)據(jù)量大，且運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，為推動露天煤礦采裝、穿孔爆破、推土機(jī)作業(yè)的室內(nèi)遠(yuǎn)控技術(shù)應(yīng)用及帶式輸送機(jī)運(yùn)輸智能化升級改造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。下一步將到國家能源集團(tuán)下屬各露天煤礦、國內(nèi)露天采礦設(shè)備制造商等單位調(diào)研交流，搜集相關(guān)設(shè)備通信接口和協(xié)議規(guī)范，制定一套統(tǒng)一的EtherNet/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，逐步形成國家能源集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步推動團(tuán)體/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)乃至國家標(biāo)準(zhǔn)制定，為我國露天煤礦設(shè)備遠(yuǎn)程操控、集中控制、故障預(yù)測分析、自主運(yùn)行奠定數(shù)據(jù)互聯(lián)互通基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

實(shí)踐應(yīng)用表明EtherNet/IP協(xié)議作為統(tǒng)一接口通信協(xié)議技術(shù)是可行的、經(jīng)濟(jì)的，進(jìn)一步開展基于EtherNet/IP協(xié)議的煤炭設(shè)備統(tǒng)一接口通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的研究，將為提高廠商間設(shè)備的互操作性提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方案，對提升整個露天煤礦的自動化、數(shù)字化、信息化、智能化程度具有重要意義。