【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)標準碎片化和工業(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)最后“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)一的標準和規(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,。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,，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，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(guān)鍵詞】智慧消防;多設(shè)備聯(lián)動;火災(zāi)報警系統(tǒng)。

 

  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(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,，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(guān)深入的研究,，對網(wǎng)關(guān)的分類及關(guān)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。

 

  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)連接拓撲如圖 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)連接拓撲圖

 

  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)支持數(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)。

 

  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,。

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,，并提供多種類型標準的工業(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)外標準制定機構(gòu)已經(jīng)開始制定相關(guān)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(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,，最后將數(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(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。

 

4.1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,。

   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,，每個端口最多可帶 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 求最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

 

 

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,，以及標準化的分段建立,，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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[2].欒燕，張娟娟,，張健.工業(yè)網(wǎng)關(guān)分類及關(guān)鍵指標分析.

[3].安科瑞邊緣計算網(wǎng)關(guān)2020版.

[4].安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.

 

作者簡介：侯文莉,，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,，主要從事智慧消防平臺的設(shè)計與應(yīng)用,。