王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

【摘要】工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，加速了信息技術(shù)( IT) 和操作技術(shù)( OT) 的融合進(jìn)程。但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)碎片化和工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化程度低，已成為阻礙設(shè)備互聯(lián)互通、人機(jī)互聯(lián)的瓶頸。工業(yè)數(shù)據(jù)采集是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的基礎(chǔ)，是“兩化"融合的先決條件。工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的重要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)從邊緣側(cè)打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最后“一公里"的關(guān)鍵設(shè)備。目前，市場(chǎng)上的網(wǎng)關(guān)種類繁多，功能、性能良莠不齊，且尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評(píng)價(jià)體系，規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品本身的接入能力和各項(xiàng)指標(biāo)。通過對(duì)主流工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的深入調(diào)研，從轉(zhuǎn)發(fā)通信方式、轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議、采集對(duì)象等維度對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了分類。同時(shí)，提出工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中應(yīng)具備的關(guān)鍵指標(biāo)，并研判了未來發(fā)展趨勢(shì)。該研究為產(chǎn)品研發(fā)人員提供了規(guī)劃化設(shè)計(jì)指標(biāo)，為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考，使工業(yè)互聯(lián)更加簡(jiǎn)單易行。

【關(guān)鍵詞】智慧消防;多設(shè)備聯(lián)動(dòng);火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

 

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓 手。 進(jìn) 入 快 速 發(fā) 展 期，信 息 技 術(shù)，網(wǎng)絡(luò)和操作技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)的融合成為破局重點(diǎn)。工業(yè)企業(yè)都面臨著設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集難題，原因有二: 一是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)碎片化問題突出，工業(yè)協(xié)議、接口、總線標(biāo)準(zhǔn)短期內(nèi)無法統(tǒng)一; 二是國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化程度較低，數(shù)據(jù)采集困難重重。為了解決這一問題，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出了各種工業(yè)網(wǎng)關(guān)，但產(chǎn)品功能性能良莠不齊。用戶面臨著工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬件選型的難題; 同時(shí)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)本身的接入能力和各項(xiàng)指標(biāo)，尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評(píng)價(jià)體系。面對(duì)以上問題，通過對(duì)網(wǎng)關(guān)深入的研究，對(duì)網(wǎng)關(guān)的分類及關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了梳理，旨在推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)走向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

 

  工業(yè)網(wǎng)關(guān)是連接互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)和控制層之間的核心設(shè)備，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中起著承上啟下的作用。上即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、制造執(zhí)行系統(tǒng)( manufacturing execution system，MES) 等，下即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)( supervisory control and data acquisition，SCADA) 、可編程邏輯控制器( programmable logic controller，PLC) 、數(shù)控機(jī) 床 ( computerized numerical control，CNC) 、傳感器等。在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)既可位于傳感器、設(shè)備之間，也可位于云端之間，透過邊緣節(jié)點(diǎn)可以在近傳感器端進(jìn)行大量分析、過濾。網(wǎng)關(guān)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如高

可擴(kuò)展性、高性價(jià)比、高安全性等。各類工業(yè)網(wǎng)關(guān)連接拓?fù)淙鐖D 1 所示。PLC 網(wǎng)關(guān)連接各類 PLC 控制器，采集 PLC 控制信息，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、控制等功能; 數(shù)控網(wǎng)關(guān)采集數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息，機(jī)器人網(wǎng)關(guān)連接工業(yè)機(jī)器人，集散控制系統(tǒng)( distributed control system，DCS) 網(wǎng)關(guān)采集 DCS 的運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)傳感器和溫度傳感器可連接至網(wǎng)關(guān)感知振動(dòng)、溫度信息。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)異構(gòu)設(shè)備的互聯(lián)互通，可以通過安全網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云端，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的上云。所以，工業(yè)網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)備。

圖 1 各類工業(yè)網(wǎng)關(guān)連接拓?fù)鋱D

 

  根據(jù)對(duì)市場(chǎng)主流物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)查研究，從轉(zhuǎn)發(fā)通信方式、轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議、采集對(duì)象、邊緣計(jì)算能力、安全能力、應(yīng)用行業(yè)、采集接口等維度，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了分類。

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)通信方式維度

  轉(zhuǎn)發(fā)通信方式維度，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為: 以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、通用無線( general packet radio service，GPＲS) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、無線上網(wǎng)( wi-fi alliance，WiFi) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、第四代通 信 技 術(shù) ( the 4th generation mob/ile communication technology，4G) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、窄帶物聯(lián)網(wǎng) ( narrow band internet of things，NB-IoT) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)距離無線通信( long range radio，LOＲA) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)。轉(zhuǎn)發(fā)通信方式如表 1所示。

 

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議維度

  從轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議維度劃分，網(wǎng)關(guān)可分為: ModbusＲTU 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、Mod busTCP 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、OPCUA 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、MQTT 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、HTTPS 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、BACNET 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、IEC104 工業(yè)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)具備的物理接口和支持協(xié)議如表 2 所示。

2.3 采集對(duì)象維度

  按照采集對(duì)象維度，網(wǎng)關(guān)可分為機(jī)器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)、數(shù)控機(jī)床工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PLC 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、儀器儀表工業(yè)網(wǎng)關(guān)( DCS 工業(yè)網(wǎng)關(guān)) 。機(jī)器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集機(jī)器人控制器的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)值等信息。數(shù)控機(jī)床工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的信息，包括系統(tǒng)狀態(tài)、操作模式、報(bào)警信息、進(jìn)給率及倍率、主軸轉(zhuǎn)速及倍率、代碼名稱、各坐標(biāo)值等信息。PLC 工業(yè)網(wǎng)關(guān)具有采集各品牌 PLC 的 I/O 量、自動(dòng)化成套設(shè)備及傳感器的 I/O 量、MODBUS 協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。儀器儀表工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以采集數(shù)字化儀表和各類傳感器的數(shù)據(jù)。

2.4 邊緣計(jì)算能力維度

  從邊緣計(jì)算能力維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為透?jìng)骷?jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、基本級(jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算級(jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)。其中透?jìng)骷?jí)網(wǎng)關(guān)無協(xié)議包解析，只支持透明傳輸;基本級(jí)網(wǎng)關(guān)支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、斷網(wǎng)續(xù)傳、遠(yuǎn)程控制; 邊緣計(jì)算級(jí)網(wǎng)關(guān)在基本級(jí)的基礎(chǔ)上，增加了邊緣計(jì)算、就地報(bào)警、邊緣控制。

2.5 安全維度

  從安全維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)、邊界隔離工業(yè)網(wǎng)閘。

2.6 應(yīng)用行業(yè)維度

  從應(yīng)用行業(yè)維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為電力行業(yè)通信管理機(jī)、石油化工功能安全遠(yuǎn)程終端單元( remote erninal unit，ＲTU) 、智能樓宇( building automation and control networks，BACnet) 網(wǎng)關(guān)等。

2.7 采集接口維度

  從采集接口維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為采集網(wǎng)關(guān)、協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

 

  工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與設(shè)備層連接的窗口，應(yīng)支持多種網(wǎng)絡(luò)格式，并具備多種行業(yè)接口，能直接與多種異構(gòu)設(shè)備通信。通過有線、無線多種連接方式連接工業(yè)以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，與云平臺(tái)對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)、平臺(tái)級(jí)的對(duì)接相對(duì)比較好處理，但涉及到控制層的異構(gòu)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)起來就復(fù)雜很多。要實(shí)現(xiàn)上述功能，工業(yè)網(wǎng)關(guān)至少應(yīng)滿足以下關(guān)鍵指標(biāo)。

3.1 互聯(lián)接入能力

  工業(yè)網(wǎng)關(guān)的首要功能就是連通性，需 要 根 據(jù) 具體應(yīng)用場(chǎng)景支持不同廠家的 PLC、CNC、DCS 等現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，并提供多種類型標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)協(xié)議，以傳輸開關(guān)量、模擬量、脈沖量等信號(hào)量。互聯(lián)接入能力首先要解決異構(gòu)工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通能力，工業(yè)設(shè)備目前存在著系統(tǒng)架構(gòu)不同、通信協(xié)議不同等異構(gòu)特性，特別是大量設(shè)備存在私有協(xié)議，給互聯(lián)互通帶來很多困難。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以解決互聯(lián)問題。比如，數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)互通目前在國(guó)內(nèi)外具有 OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)、MTCONNECT 標(biāo)準(zhǔn)和Nclink 標(biāo)準(zhǔn)，但目前大部分?jǐn)?shù)控廠商仍采用各自私有的軟件開發(fā)工具包( software development kit，SDK) 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。同樣，不同 PLC 廠商也存在各自的通信協(xié)議。CNC 系統(tǒng)的互聯(lián)互通統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和 PLC 通信協(xié)議如表 3、表 4 所示。

 

3.2 數(shù)據(jù)采集能力

  數(shù)據(jù)采集也是工業(yè)網(wǎng)關(guān)的必要功能。首先，要具有足夠的點(diǎn)容量，以便接入更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并留有一定的冗余，以保證擴(kuò)展性。其次，要保證傳輸精度和采集速率，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3.3 可靠傳輸能力

  鑒于工業(yè)的高可靠性要求，工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和日益復(fù)雜的工業(yè)過程控制要求。網(wǎng)關(guān)需要堅(jiān)固耐用，具有較寬的工作溫度范圍、較強(qiáng)的抗電磁干/擾/能力等。除此之外，需要保證數(shù)據(jù)采集及通信的可靠性，在通信速率下，數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率要在允許的誤差范圍內(nèi)。 

3.4 斷點(diǎn)續(xù)傳能力

  為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的不確定性、提高工業(yè)網(wǎng)關(guān)的容錯(cuò)機(jī)制，網(wǎng)關(guān)需要具備一定的數(shù)據(jù)緩存能力。在遇到網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，網(wǎng)關(guān)繼續(xù)準(zhǔn)確采集，將數(shù)據(jù)緩存到非易失設(shè)備中，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)，把緩存數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)通道補(bǔ)傳到工業(yè)云平臺(tái)。

3.5 就地報(bào)警能力

  在網(wǎng)絡(luò)故障、設(shè)備故障等情況下，網(wǎng)關(guān)應(yīng)提供基于配置信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的就地報(bào)警信息，支持開關(guān)量、模擬量等多種報(bào)警類型。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還可增加智能預(yù)警功能。當(dāng)向設(shè)備發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包時(shí)，返回速度達(dá)到一定閾值時(shí)，設(shè)備將進(jìn)行預(yù)警，提醒操作人員關(guān)注。

3.6 邊緣計(jì)算能力

  隨著計(jì)算能力的不斷下沉，已涌現(xiàn)出越來越多的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部進(jìn)行本地處理、清洗、存儲(chǔ)，甚至在本地完成分析和決策，最后將數(shù)據(jù)上傳到云端。這樣減少了單個(gè)傳感器和云端的計(jì)算負(fù)擔(dān)，以及機(jī)器與機(jī)器之間的溝通流量。

3.7 遠(yuǎn)程控制能力

  實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)網(wǎng)關(guān)通信狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程故障排查、運(yùn)行歷史記錄統(tǒng)計(jì)、用戶權(quán)限控制、設(shè)備追蹤定位等功能; 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障告警時(shí)，云平臺(tái)可以通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行緊急處理，而無需前往現(xiàn)場(chǎng)。

 

4.1概述

  本系列智能通信管理機(jī)是一款采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行 網(wǎng)絡(luò)接口，用于將一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后，實(shí)時(shí)上傳主站系統(tǒng)，完 成遙信、遙測(cè)等能源數(shù)據(jù)采集功能。

  同時(shí)，本系列智能通信管理機(jī)支持接收上級(jí)主站系統(tǒng)下達(dá)的命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的智能系列單元， 完成對(duì)廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠(yuǎn)方控制或裝置的參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能，以達(dá)到遠(yuǎn)動(dòng)輸出調(diào) 度命令的目標(biāo)。

   本系列智能通信管理機(jī)提供豐富的規(guī)約庫支持，實(shí)現(xiàn)不同二次設(shè)備供應(yīng)商的智能設(shè)備互聯(lián)。作為自動(dòng)化 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的通信接口設(shè)備，本系列智能通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)了規(guī)約轉(zhuǎn)換、接口匹配、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等 三項(xiàng)功能。

   本系列智能通信管理機(jī)提供 RS485 通信端口，每個(gè)端口最多可帶 32 臺(tái)儀表設(shè)備（對(duì)于低壓綜合保護(hù)建議 每個(gè)端口掛接不超過 10 個(gè)）；可根據(jù)儀表設(shè)備的通信波特率、通信線路長(zhǎng)度及客戶對(duì)通信數(shù)據(jù)的刷新速度要 求最終決定每個(gè)通信端口所帶的設(shè)備數(shù)量。 

  本系列智能通信管理機(jī)實(shí)時(shí)并行多任務(wù)處理與第三方設(shè)備的訪問及上位系統(tǒng)的連接通信，支持軟件組態(tài)。 通過專門的配置管理軟件，可為不同通道掛載設(shè)備選擇不同的通信協(xié)議，并可通過更改配置文件來改變通信 管理機(jī)所連接儀表設(shè)備的數(shù)量及數(shù)據(jù)信息，而不需更改軟件程序。

4.2 型號(hào)說明

具體型號(hào)位于設(shè)備側(cè)產(chǎn)品標(biāo)貼處。 目前涉及型號(hào)列表如下：

5 串口系列：ANet-2E5S（僅特殊供應(yīng)）

8串口系列：ANet-2E8S1、ANet-2E4S1（鐵殼）

2 串口系列：ANet-1E2S1、ANet-1E2S1-4G

模塊化系列：ANet-2E4SM、ANet-2E4SM-LR、ANet-M4G、ANet-M485

4.3 技術(shù)參數(shù)

4.3.1公共技術(shù)指標(biāo)

 

 

4.3.2 8 串口系列

4.3.3 2 串口系列

4.3.4 4 串口系列

 

4.4 外形尺寸

4.4.1 8 串口、4 串口系列

 

4.4.2 2 串口系列

 

 

 

 

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，打破了企業(yè)內(nèi)部的信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)通信，促進(jìn)各種工業(yè)數(shù)據(jù)充分流動(dòng)和無縫集成。網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備端門戶，幫助企業(yè)的 OT 與 IT 技術(shù)深度融合。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化和復(fù)雜性，導(dǎo)致在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)中，沒有一家供應(yīng)商能夠提供覆蓋所有端到端的解決方案。因此，需規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)，以及標(biāo)準(zhǔn)化的分段建立，從邊緣側(cè)打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最后“一 公 里"，實(shí)現(xiàn)IT網(wǎng)絡(luò)和OT 網(wǎng)絡(luò)的“一網(wǎng)到底"。

 

參考文獻(xiàn)

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