陳盼
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】工業網際網路的發展，加速了資訊技術( IT) 和操作技術( OT) 的融合程序。但工業網際網路标準碎片化和工業企業自動化程度低，已成為阻礙裝置互聯互通、人機互聯的瓶頸。工業資料采集是工業網際網路和智能制造的基礎，是“兩化”融合的先決條件。工業網關作為資料采集、資料轉發的重要裝置，是實作從邊緣側打通工業網際網路最後“一公裡”的關鍵裝置。目前，市場上的網關種類繁多，功能、性能良莠不齊，且尚無統一的标準和規範的評價體系，規範工業網關産品本身的接入能力和各項名額。通過對主流工業物聯網網關的深入調研，從轉發通信方式、轉發協定、采集對象等次元對網關進行了分類。同時，提出工業網關設計和應用中應具備的關鍵名額，并研判了未來發展趨勢。該研究為産品研發人員提供了規劃化設計名額，為産品标準的建立提供參考，使工業互聯更加簡單易行。
【關鍵詞】智慧消防;多裝置關聯;火災報警系統。
0 引言
工業網際網路是推動我國制造業高品質發展的重要抓 手。 進 入 快 速 發 展 期，信 息 技 術，網絡和操作技術，網絡的融合成為破局重點。工業企業都面臨着裝置和系統資料統一采集難題，原因有二: 一是工業網際網路标準碎片化問題突出，工業協定、接口、總線标準短期内無法統一; 二是國内工業企業自動化程度較低，資料采集困難重重。為了解決這一問題，市場上湧現出了各種工業網關，但産品功能性能良莠不齊。使用者面臨着工業網關裝置硬體選型的難題; 同時，工業網關本身的接入能力和各項名額，尚無統一的标準和規範的評價體系。面對以上問題，通過對網關深入的研究，對網關的分類及關鍵名額進行了梳理，旨在推動工業網際網路行業走向規範化、标準化。
1 工業網關概述
工業網關是連接配接網際網路/物聯網和控制層之間的核心裝置，在工業網際網路中起着承上啟下的作用。上即工業網際網路雲平台、制造執行系統( manufacturing execution system，MES) 等，下即資料采集與監控系統( supervisory control and data acquisition，SCADA) 、可程式設計邏輯控制器( programmable logic controller，PLC) 、數控機 床 ( computerized numerical control，CNC) 、傳感器等。在物聯網體系架構中，網關既可位于傳感器、裝置之間，也可位于雲端之間，透過邊緣節點可以在近傳感器端進行大量分析、過濾。網關具有多種優勢，例如高
可擴充性、高成本效益、高安全性等。各類工業網關連接配接拓撲如圖 1 所示。PLC 網關連接配接各類 PLC 控制器，采集 PLC 控制資訊，實作轉發、控制等功能; 數控網關采集數控系統和機床的運作狀态資訊，機器人網關連接配接工業機器人，集散控制系統( distributed control system，DCS) 網關采集 DCS 的運作狀态，振動傳感器和溫度傳感器可連接配接至網關感覺振動、溫度資訊。網關實作了工業異構裝置的互聯互通，可以通過安全網關發送至雲端，實作工業現場裝置的上雲。是以，工業網關是實作工業互聯的基礎裝置。
圖 1 各類工業網關連接配接拓撲圖
2 工業網關分類
根據對市場主流物聯網網關進行調查研究，從轉發通信方式、轉發協定、采集對象、邊緣計算能力、安全能力、應用行業、采集接口等次元，對物聯網網關進行了分類。
2.1 轉發通信方式次元
轉發通信方式次元，工業網關可分為: 以太網工業網關、通用無線( general packet radio service，GPＲS) 工業網關、無線上網( wi-fi alliance，WiFi) 工業網關、第四代通 信 技 術 ( the 4th generation mobile communication technology，4G) 工業網關、窄帶物聯網 ( narrow band internet of things，NB-IoT) 工業網關、遠距離無線通信( long range radio，LOＲA) 工業網關。轉發通信方式如表 1所示。
2.2 轉發協定次元
從轉發協定次元劃分，網關可分為: ModbusＲTU 工業網關、Mod busTCP 工業網關、OPCUA 工業網關、MQTT 工業網關、HTTPS 工業網關、BACNET 工業網關、IEC104 工業網關。網關具備的實體接口和支援協定如表 2 所示。
2.3 采集對象次元
按照采集對象次元，網關可分為機器人工業網關、數控機床工業網關、PLC 工業網關、儀器儀表工業網關( DCS 工業網關) 。機器人工業網關采集機器人控制器的運作狀态、報警資訊、各運動軸的坐标值等資訊。數控機床工業網關采集數控系統和機床的資訊，包括系統狀态、操作模式、報警資訊、進給率及倍率、主軸轉速及倍率、代碼名稱、各坐标值等資訊。PLC 工業網關具有采集各品牌 PLC 的 I/O 量、自動化成套裝置及傳感器的 I/O 量、MODBUS 協定、工業以太網協定轉換等功能。儀器儀表工業網關可以采集數字化儀表和各類傳感器的資料。
2.4 邊緣計算能力次元
從邊緣計算能力次元劃分，工業網關可分為透傳級工業網關、基本級工業網關、邊緣計算級工業網關。其中透傳級網關無協定包解析，隻支援透明傳輸;基本級網關支援資料采集、協定解析、存儲轉發、斷網續傳、遠端控制; 邊緣計算級網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 安全次元
從安全次元劃分，工業網關可分為工業安全網關、邊界隔離工業網閘。
2.6 應用行業次元
從應用行業次元劃分，工業網關可分為電力行業通信管理機、石油化工功能安全遠端終端單元( remote erninal unit，ＲTU) 、智能樓宇( building automation and control networks，BACnet) 網關等。
2.7 采集接口次元
從采集接口次元劃分，工業網關可分為采集網關、協定網關。
3 工業網關的關鍵名額
工業網關作為工業網際網路平台與裝置層連接配接的視窗，應支援多種網絡格式，并具備多種行業接口，能直接與多種異構裝置通信。通過有線、無線多種連接配接方式連接配接工業以太網或網際網路，與雲平台對接，可實作終端裝置接入工業網際網路平台。對于系統級、平台級的對接相對比較好處理，但涉及到控制層的異構裝置，實作起來就複雜很多。要實作上述功能，工業網關至少應滿足以下關鍵名額。
3.1 互聯接入能力
工業網關的首要功能就是連通性，需 要 根 據 具體應用場景支援不同廠家的 PLC、CNC、DCS 等現場控制裝置，并提供多種類型标準的工業協定，以傳輸開關量、模拟量、脈沖量等信号量。互聯接入能力首先要解決異構工業裝置的互聯互通能力，工業裝置目前存在着系統架構不同、通信協定不同等異構特性，特别是大量裝置存在私有協定，給互聯互通帶來很多困難。國内外标準制定機構已經開始制定相關标準以解決互聯問題。比如，數控系統互聯互通目前在國内外具有 OPC UA 标準、MTCONNECT 标準和Nclink 标準，但目前大部分數控廠商仍采用各自私有的軟體開發工具包( software development kit，SDK) 實作互聯。同樣，不同 PLC 廠商也存在各自的通信協定。CNC 系統的互聯互通統一标準和 PLC 通信協定如表 3、表 4 所示。
3.2 資料采集能力
資料采集也是工業網關的必要功能。首先，要具有足夠的點容量，以便接入更多的資料點，并留有一定的備援，以保證擴充性。其次，要保證傳輸精度和采集速率，進而確定資料的準确性和實時性。
3.3 可靠傳輸能力
鑒于工業的高可靠性要求，工業網關應滿足惡劣的工業現場環境和日益複雜的工業過程控制要求。網關需要堅固耐用，具有較寬的工作溫度範圍、較強的抗電磁幹擾能力等。除此之外，需要保證資料采集及通信的可靠性，在通信速率下，資料丢包率和資料錯誤率要在允許的誤差範圍内。
3.4 斷點續傳能力
為适應現場網絡的不确定性、提高工業網關的容錯機制，網關需要具備一定的資料緩存能力。在遇到網絡中斷時，網關繼續準确采集，将資料緩存到非易失裝置中，并在網絡恢複正常時，把緩存資料通過轉發通道補傳到工業雲平台。
3.5 就地報警能力
在網絡故障、裝置故障等情況下，網關應提供基于配置資訊和實時資料的就地報警資訊，支援開關量、模拟量等多種報警類型。同時，網絡還可增加智能預警功能。當向裝置發送監測資料包時，傳回速度達到一定門檻值時，裝置将進行預警，提醒操作人員關注。
3.6 邊緣計算能力
随着計算能力的不斷下沉，已湧現出越來越多的邊緣計算網關。現場采集的實時資料在工業網關内部進行本地處理、清洗、存儲，甚至在本地完成分析和決策，最後将資料上傳到雲端。這樣減少了單個傳感器和雲端的計算負擔，以及機器與機器之間的溝通流量。
3.7 遠端控制能力
實時監控工業網關通信狀态監控、遠端配置、遠端故障排查、運作曆史記錄統計、使用者權限控制、裝置追蹤定位等功能; 當裝置發生故障告警時，雲平台可以通過工業網關進行緊急處理，而無需前往現場。
4 安科瑞智能網關産品介紹
4.1概述
本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬體計算機平台，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行 網絡接口，用于将一個目标區域内所有的智能監控/保護裝置的通信資料整理彙總後，實時上傳主站系統，完 成遙信、遙測等能源資料采集功能。
同時，本系列智能通信管理機支援接收上級主站系統下達的指令，并轉發給目标區域内的智能系列單元， 完成對廠站内各開關裝置的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實作遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調 度指令的目标。
本系列智能通信管理機提供豐富的規約庫支援，實作不同二次裝置供應商的智能裝置互聯。作為自動化 系統網絡與監測裝置之間的通信接口裝置，本系列智能通信管理機實作了規約轉換、接口比對、資料轉換等 三項功能。
本系列智能通信管理機提供 RS485 通信端口，每個端口最多可帶 32 台儀表裝置（對于低壓綜合保護建議 每個端口挂接不超過 10 個）；可根據儀表裝置的通信波特率、通信線路長度及客戶對通信資料的重新整理速度要 求最終決定每個通信端口所帶的裝置數量。
本系列智能通信管理機實時并行多任務處理與第三方裝置的通路及上位系統的連接配接通信，支援軟體組态。 通過專門的配置管理軟體，可為不同通道挂載裝置選擇不同的通信協定，并可通過更改配置檔案來改變通信 管理機所連接配接儀表裝置的數量及資料資訊，而不需更改軟體程式。
4.2 型号說明
具體型号位于裝置側産品标貼處。 目前涉及型号清單如下：
5 序列槽系列：ANet-2E5S（僅特殊供應）
8序列槽系列：ANet-2E8S1、ANet-2E4S1（鐵殼）
2 序列槽系列：ANet-1E2S1、ANet-1E2S1-4G
子產品化系列：ANet-2E4SM、ANet-2E4SM-LR、ANet-M4G、ANet-M485
4.3 技術參數
4.3.1公共技術名額
4.3.2 8 序列槽系列
4.3.3 2 序列槽系列
4.3.4 4 序列槽系列
4.4 外形尺寸
4.4.1 8 序列槽、4 序列槽系列
4.4.2 2 序列槽系列
5 結論
工業網際網路，打破了企業内部的資訊孤島，實作資料的跨系統通信，促進各種工業資料充分流動和無縫內建。網關作為工業物聯網的裝置端門戶，幫助企業的 OT 與 IT 技術深度融合。工業網際網路應用的碎片化和複雜性，導緻在工業網際網路生态中，沒有一家供應商能夠提供覆寫所有端到端的解決方案。是以，需規範工業網關的關鍵名額，以及标準化的分段建立，從邊緣側打通工業網際網路最後“一 公 裡”，實作IT網絡和OT 網絡的“一網到底”。
參考文獻
[1].李立群，劉林，宋溫璞． 基于工業網關的裝置互聯标準化方案［J］．物聯網技術，2016( 1) : 32-33，36