淺談工業(yè)網(wǎng)關(guān)分類及關(guān)鍵指標(biāo)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(shù)( IT) 和操作技術(shù)( OT) 的融合進程。但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)碎片化和工業(yè)企業(yè)自動化程度低，已成為阻礙設(shè)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(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，是實現(xiàn)從邊緣側(cè)打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后“一公里"的關(guān)鍵設(shè)備。目前，市場上的網(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)范的評價體系，規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品本身的接入能力和各項指標(biāo)。通過對主流工業(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、采集對象等維度對網(wǎng)關(guān)進行了分類。同時，提出工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計和應(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。該研究為產(chǎn)品研發(fā)人員提供了規(guī)劃化設(shè)計指標(biāo)，為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考，使工業(yè)互聯(lián)更加簡單易行。

【關(guān)鍵詞】智慧消防;多設(shè)備聯(lián)動;火災(zāi)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(zhì)量發(fā)展的重要抓 手。 進 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。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(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，工業(yè)網(wǎng)關(guān)本身的接入能力和各項指標(biāo)，尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評價體系。面對以上問題，通過對網(wǎng)關(guān)深入的研究，對網(wǎng)關(guān)的分類及關(guān)鍵指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化。

1 工業(yè)網(wǎng)關(guān)概述

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、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(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)點可以在近傳感器端進行大量分析、過濾。網(wǎng)關(guān)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(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)和機床的運行狀態(tài)信息，機器人網(wǎng)關(guān)連接工業(yè)機器人，集散控制系統(tǒng)( distributed control system，DCS) 網(wǎng)關(guān)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(guān)感知振動、溫度信息。網(wǎng)關(guān)實現(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，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的上云。所以，工業(yè)網(wǎng)關(guān)是實現(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

2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)分類

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

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 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 采集對象維度

按照采集對象維度，網(wǎng)關(guān)可分為機器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)、數(shù)控機床工業(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)) 。機器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(biāo)值等信息。數(shù)控機床工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(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 邊緣計算能力維度

從邊緣計算能力維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為透傳級工業(yè)網(wǎng)關(guān)、基本級工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣計算級工業(yè)網(wǎng)關(guān)。其中透傳級網(wǎng)關(guān)無協(xié)議包解析，只支持透明傳輸;基本級網(wǎng)關(guān)支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、存儲轉(zhuǎn)發(fā)、斷網(wǎng)續(xù)傳、遠程控制; 邊緣計算級網(wǎng)關(guān)在基本級的基礎(chǔ)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(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、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(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)。

3 工業(yè)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與設(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)，與云平臺對接，可實現(xiàn)終端設(shè)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(gòu)設(shè)備，實現(xiàn)起來就復(fù)雜很多。要實現(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)用場景支持不同廠家的 PLC、CNC、DCS 等現(xiàn)場控制設(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、脈沖量等信號量?；ヂ?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。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定機構(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(zhǔn)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(guān)應(yīng)滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(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(yīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的不確定性、提高工業(yè)網(wǎng)關(guān)的容錯機制，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，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，把緩存數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)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(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時數(shù)據(jù)的就地報警信息，支持開關(guān)量、模擬量等多種報警類型。同時，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)測數(shù)據(jù)包時，返回速度達到一定閾值時，設(shè)備將進行預(yù)警，提醒操作人員關(guān)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(guān)?，F(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(fù)擔(dān)，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(guān)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(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，云平臺可以通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進行緊急處理，而無需前往現(xiàn)場。

4 安科瑞智能網(wǎng)關(guān)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(luò)接口，用于將一個目標(biāo)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(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的智能系列單元， 完成對廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)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(biāo)。

 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(shè)備供應(yīng)商的智能設(shè)備互聯(lián)。作為自動化 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測設(shè)備之間的通信接口設(shè)備，本系列智能通信管理機實現(xiàn)了規(guī)約轉(zhuǎn)換、接口匹配、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)備數(shù)量。

本系列智能通信管理機實時并行多任務(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 型號說明

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

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

5 結(jié)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(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)后“一 公 里"，實現(xiàn)IT網(wǎng)絡(luò)和OT 網(wǎng)絡(luò)的“一網(wǎng)到底"。

參考文獻

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