淺談工業(yè)網(wǎng)關分類及關鍵指標分析

王蘭

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( IT) 和操作技術( OT) 的融合進程。但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準碎片化和工業(yè)企業(yè)自動化程度低，已成為阻礙設備互聯(lián)互通、人機互聯(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，是“兩化"融合的先決條件。工業(yè)網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉發(fā)的重要設備，是實現(xiàn)從邊緣側打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后“一公里"的關鍵設備。目前，市場上的網(wǎng)關種類繁多，功能、性能良莠不齊，且尚無統(tǒng)一的標準和規(guī)范的評價體系，規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關產(chǎn)品本身的接入能力和各項指標。通過對主流工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的深入調(diào)研，從轉發(fā)通信方式、轉發(fā)協(xié)議、采集對象等維度對網(wǎng)關進行了分類。同時，提出工業(yè)網(wǎng)關設計和應用中應具備的關鍵指標，并研判了未來發(fā)展趨勢。該研究為產(chǎn)品研發(fā)人員提供了規(guī)劃化設計指標，為產(chǎn)品標準的建立提供參考，使工業(yè)互聯(lián)更加簡單易行。

【關鍵詞】智慧消防;多設備聯(lián)動;火災報警系統(tǒng)。

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是推動我國制造業(yè)高質量發(fā)展的重要抓 手。 進 入 快 速 發(fā) 展 期，信 息 技 術，網(wǎng)絡和操作技術，網(wǎng)絡的融合成為破局重點。工業(yè)企業(yè)都面臨著設備和系統(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)標準碎片化問題突出，工業(yè)協(xié)議、接口、總線標準短期內(nèi)無法統(tǒng)一; 二是國內(nèi)工業(yè)企業(yè)自動化程度較低，數(shù)據(jù)采集困難重重。為了解決這一問題，市場上涌現(xiàn)出了各種工業(yè)網(wǎng)關，但產(chǎn)品功能性能良莠不齊。用戶面臨著工業(yè)網(wǎng)關設備硬件選型的難題; 同時，工業(yè)網(wǎng)關本身的接入能力和各項指標，尚無統(tǒng)一的標準和規(guī)范的評價體系。面對以上問題，通過對網(wǎng)關深入的研究，對網(wǎng)關的分類及關鍵指標進行了梳理，旨在推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)走向規(guī)范化、標準化。

1 工業(yè)網(wǎng)關概述

工業(yè)網(wǎng)關是連接互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)和控制層之間的核心設備，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、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 床 ( computerized numerical control，CNC) 、傳感器等。在物聯(lián)網(wǎng)體系架構中，網(wǎng)關既可位于傳感器、設備之間，也可位于云端之間，透過邊緣節(jié)點可以在近傳感器端進行大量分析、過濾。網(wǎng)關具有多種優(yōu)勢，例如高

可擴展性、高性價比、高安全性等。各類工業(yè)網(wǎng)關連接拓撲如圖 1 所示。PLC 網(wǎng)關連接各類 PLC 控制器，采集 PLC 控制信息，實現(xiàn)轉發(fā)、控制等功能; 數(shù)控網(wǎng)關采集數(shù)控系統(tǒng)和機床的運行狀態(tài)信息，機器人網(wǎng)關連接工業(yè)機器人，集散控制系統(tǒng)( distributed control system，DCS) 網(wǎng)關采集 DCS 的運行狀態(tài)，振動傳感器和溫度傳感器可連接至網(wǎng)關感知振動、溫度信息。網(wǎng)關實現(xiàn)了工業(yè)異構設備的互聯(lián)互通，可以通過安全網(wǎng)關發(fā)送至云端，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備的上云。所以，工業(yè)網(wǎng)關是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的基礎設備。

圖 1 各類工業(yè)網(wǎng)關連接拓撲圖

2 工業(yè)網(wǎng)關分類

根據(jù)對市場主流物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行調(diào)查研究，從轉發(fā)通信方式、轉發(fā)協(xié)議、采集對象、邊緣計算能力、安全能力、應用行業(yè)、采集接口等維度，對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行了分類。

2.1 轉發(fā)通信方式維度

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

2.2 轉發(fā)協(xié)議維度

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

2.3 采集對象維度

按照采集對象維度，網(wǎng)關可分為機器人工業(yè)網(wǎng)關、數(shù)控機床工業(yè)網(wǎng)關、PLC 工業(yè)網(wǎng)關、儀器儀表工業(yè)網(wǎng)關( DCS 工業(yè)網(wǎng)關) 。機器人工業(yè)網(wǎng)關采集機器人控制器的運行狀態(tài)、報警信息、各運動軸的坐標值等信息。數(shù)控機床工業(yè)網(wǎng)關采集數(shù)控系統(tǒng)和機床的信息，包括系統(tǒng)狀態(tài)、操作模式、報警信息、進給率及倍率、主軸轉速及倍率、代碼名稱、各坐標值等信息。PLC 工業(yè)網(wǎng)關具有采集各品牌 PLC 的 I/O 量、自動化成套設備及傳感器的 I/O 量、MODBUS 協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉換等功能。儀器儀表工業(yè)網(wǎng)關可以采集數(shù)字化儀表和各類傳感器的數(shù)據(jù)。

2.4 邊緣計算能力維度

從邊緣計算能力維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關可分為透傳級工業(yè)網(wǎng)關、基本級工業(yè)網(wǎng)關、邊緣計算級工業(yè)網(wǎng)關。其中透傳級網(wǎng)關無協(xié)議包解析，只支持透明傳輸;基本級網(wǎng)關支持數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、存儲轉發(fā)、斷網(wǎng)續(xù)傳、遠程控制; 邊緣計算級網(wǎng)關在基本級的基礎上，增加了邊緣計算、就地報警、邊緣控制。

2.5 安全維度

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

2.6 應用行業(yè)維度

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

2.7 采集接口維度

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

3 工業(yè)網(wǎng)關的關鍵指標

工業(yè)網(wǎng)關作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與設備層連接的窗口，應支持多種網(wǎng)絡格式，并具備多種行業(yè)接口，能直接與多種異構設備通信。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)，與云平臺對接，可實現(xiàn)終端設備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。對于系統(tǒng)級、平臺級的對接相對比較好處理，但涉及到控制層的異構設備，實現(xiàn)起來就復雜很多。要實現(xiàn)上述功能，工業(yè)網(wǎng)關至少應滿足以下關鍵指標。

3.1 互聯(lián)接入能力

工業(yè)網(wǎng)關的首要功能就是連通性，需 要 根 據(jù) 具體應用場景支持不同廠家的 PLC、CNC、DCS 等現(xiàn)場控制設備，并提供多種類型標準的工業(yè)協(xié)議，以傳輸開關量、模擬量、脈沖量等信號量?；ヂ?lián)接入能力首先要解決異構工業(yè)設備的互聯(lián)互通能力，工業(yè)設備目前存在著系統(tǒng)架構不同、通信協(xié)議不同等異構特性，特別是大量設備存在私有協(xié)議，給互聯(lián)互通帶來很多困難。國內(nèi)外標準制定機構已經(jīng)開始制定相關標準以解決互聯(lián)問題。比如，數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)互通目前在國內(nèi)外具有 OPC UA 標準、MTCONNECT 標準和Nclink 標準，但目前大部分數(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)一標準和 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)關的必要功能。首先，要具有足夠的點容量，以便接入更多的數(shù)據(jù)點，并留有一定的冗余，以保證擴展性。其次，要保證傳輸精度和采集速率，從而確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性。

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)關應滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和日益復雜的工業(yè)過程控制要求。網(wǎng)關需要堅固耐用，具有較寬的工作溫度范圍、較強的抗電磁能力等。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)錯誤率要在允許的誤差范圍內(nèi)。

3.4 斷點續(xù)傳能力

為適應現(xiàn)場網(wǎng)絡的不確定性、提高工業(yè)網(wǎng)關的容錯機制，網(wǎng)關需要具備一定的數(shù)據(jù)緩存能力。在遇到網(wǎng)絡中斷時，網(wǎng)關繼續(xù)準確采集，將數(shù)據(jù)緩存到非易失設備中，并在網(wǎng)絡恢復正常時，把緩存數(shù)據(jù)通過轉發(fā)通道補傳到工業(yè)云平臺。

3.5 就地報警能力

在網(wǎng)絡故障、設備故障等情況下，網(wǎng)關應提供基于配置信息和實時數(shù)據(jù)的就地報警信息，支持開關量、模擬量等多種報警類型。同時，網(wǎng)絡還可增加智能預警功能。當向設備發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)包時，返回速度達到一定閾值時，設備將進行預警，提醒操作人員關注。

3.6 邊緣計算能力

隨著計算能力的不斷下沉，已涌現(xiàn)出越來越多的邊緣計算網(wǎng)關?，F(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)關內(nèi)部進行本地處理、清洗、存儲，甚至在本地完成分析和決策，后將數(shù)據(jù)上傳到云端。這樣減少了單個傳感器和云端的計算負擔，以及機器與機器之間的溝通流量。

3.7 遠程控制能力

實時監(jiān)控工業(yè)網(wǎng)關通信狀態(tài)監(jiān)控、遠程配置、遠程故障排查、運行歷史記錄統(tǒng)計、用戶權限控制、設備追蹤定位等功能; 當設備發(fā)生故障告警時，云平臺可以通過工業(yè)網(wǎng)關進行緊急處理，而無需前往現(xiàn)場。

4 安科瑞智能網(wǎng)關產(chǎn)品介紹

4.1概述

本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行 網(wǎng)絡接口，用于將一個目標區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后，實時上傳主站系統(tǒng)，完 成遙信、遙測等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統(tǒng)下達的命令，并轉發(fā)給目標區(qū)域內(nèi)的智能系列單元， 完成對廠站內(nèi)各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數(shù)整定，實現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能，以達到遠動輸出調(diào) 度命令的目標。

 本系列智能通信管理機提供豐富的規(guī)約庫支持，實現(xiàn)不同二次設備供應商的智能設備互聯(lián)。作為自動化 系統(tǒng)網(wǎng)絡與監(jiān)測設備之間的通信接口設備，本系列智能通信管理機實現(xiàn)了規(guī)約轉換、接口匹配、數(shù)據(jù)轉換等 三項功能。

 本系列智能通信管理機提供 RS485 通信端口，每個端口多可帶 32 臺儀表設備（對于低壓綜合保護建議 每個端口掛接不超過 10 個）；可根據(jù)儀表設備的通信波特率、通信線路長度及客戶對通信數(shù)據(jù)的刷新速度要 求終決定每個通信端口所帶的設備數(shù)量。

本系列智能通信管理機實時并行多任務處理與第三方設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 管理機所連接儀表設備的數(shù)量及數(shù)據(jù)信息，而不需更改軟件程序。

4.2 型號說明

具體型號位于設備側產(chǎn)品標貼處。 目前涉及型號列表如下：

5 串口系列：ANet-2E5S（僅特殊供應）

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 技術參數(shù)

4.3.1公共技術指標

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

5 結論

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，打破了企業(yè)內(nèi)部的信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)通信，促進各種工業(yè)數(shù)據(jù)充分流動和無縫集成。網(wǎng)關作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設備端門戶，幫助企業(yè)的 OT 與 IT 技術深度融合。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的碎片化和復雜性，導致在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)中，沒有一家供應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)關的關鍵指標，以及標準化的分段建立，從邊緣側打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后“一 公 里"，實現(xiàn)IT網(wǎng)絡和OT 網(wǎng)絡的“一網(wǎng)到底"。

參考文獻

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