工业网关设计关键指标分析及分类

2022-02-23 11:00:55 admin 380

工业互联网是推动我国制造业高质量发展的重要抓手。进入高速发展时期,信息技术(IT)网络与运营技术(OT)网络的融合成为博弈的焦点。工业企业面临设备和系统数据统一采集问题,原因有二:一是工业互联网标准碎片化突出,短期内无法统一工业协议、接口、总线标准;二是国内工业企业自动化程度低,数据采集困难。

为了解决这个问题,市场上出现了各种工业网关,但产品的功能和性能参差不齐。用户面临工业网关设备的硬件选择问题;同时,工业网关设计本身的接入能力和各项指标也没有统一的标准和规范的评价体系。

面对上述问题,通过对网关的深入研究,梳理出网关的分类和关键指标,旨在推动工业互联网行业的规范化和标准化。

1 工业网关概述

工业网关是连接互联网/物联网与控制层的核心设备,在工业互联网中起到链接作用。上层为工业互联网云平台、制造执行系统(MES)等,下层为数据采集与监控系统(SCADA)、可编程逻辑控制器(PLC)、数控机床(CNC)、传感器等.

在物联网架构中,网关可以位于传感器和设备之间,也可以位于云之间。通过边缘节点,可以在近传感器端进行大量的分析和过滤。网关具有高扩展性、高性价比、高安全性等多种优势。

5g/4g工业路由网关

图1 各种工业网关设计的连接拓扑

各种工业网关的连接拓扑如图1所示。PLC网关连接各种PLC控制器,收集PLC控制信息,实现转发、控制等功能; CNC网关收集CNC系统和机床的运行状态信息,机器人网关连接工业机器人,DCS网关收集DCS的运行情况。状态、振动传感器和温度传感器可以连接到网关以感知振动和温度信息。网关实现工业异构设备的互联互通,可网关下发云端,实现工业现场设备上云。因此,工业网关设计是实现工业互联的基础设备。

2 工业网关设计分类

根据对市场主流物联网网关的调查研究,从转发通信方式、转发协议、采集对象、边缘计算能力、安全能力、应用行业、采集接口等维度对联网网关进行分类。

2.1 转发通信方式维度

对于转发通信方式的维度,工业网关可分为:以太网工业网关、通用无线(GPRS)工业网关、无线互联网(WiFi)工业网关、第四代通信技术(4G)工业网关、窄带互联网物联网 (NB-IoT) 工业网关、远程无线通信 (LORA) 工业网关。转发通信方式如表1所示。

表1 转发通信方式

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2.2 转发协议维度

从转发协议维度划分,网关可分为:ModbusRTU工业网关、ModbusTCP工业网关、OPCUA工业网关、MQTT工业网关、HTTPS工业网关网关、BACNET工业网关、IEC104工业网关。网关的物理接口和支持的协议如表2所示。

表2 工业网关设计物理接口及支持的协议


5g/4g工业路由网关

2.3 采集对象维度

根据采集对象维度,网关可分为机器人工业网关、数控机床工业网关、PLC工业网关、仪表工业网关(DCS工业网关)。机器人工业网关采集机器人控制器的运行状态、报警信息、各运动轴坐标值等信息。

数控机床工业网关收集数控系统和机床的信息,包括系统状态、运行模式、报警信息、进给速度和倍率、主轴转速和倍率、代号、坐标值等信息。 PLC工业网关具有采集各品牌PLC I/O量、自动化成套设备及传感器I/O量、MODBUS协议、工业以太网协议转换等功能。仪器仪表工业网关可以从数字仪器和各种传感器中收集数据。

2.4 边缘计算能力维度

从边缘计算能力维度,工业网关可分为透传级工业网关、基础级工业网关、边缘计算级工业网关。其中,透传级网关没有协议包解析,只支持透传;基础级网关支持数据采集、协议分析、存储转发、断线续传、远程控制;边缘计算级网关在基础级的基础上,增加了边缘计算、本地告警、边缘控制。

2.5工业网关设计 安全维度

从安全维度来看,工业网关可分为工业安全网关和边界隔离工业网关。

2.6 工业网关设计应用行业维度

从应用行业维度来看,工业网关可分为电力行业通信管理机、石化功能安全远程终端单元(RTU)、智能楼宇(BACnet)网关等。

2.7 工业网关设计采集接口维度

从采集接口维度划分,工业网关可分为采集网关和协议网关。

3 工业网关设计关键指标

工业网关作为连接工业互联网平台和设备层的窗口,应支持多种网络格式,并具有多种行业接口,可与多种异构设备直接通信。通过有线和无线多种连接方式连接工业以太网或互联网,并与云平台连接,使终端设备有效连接到工业互联网平台。处理系统级和平台级的对接相对容易,但涉及到控制层的异构设备,实现起来就复杂得多。要实现上述功能,工业网关至少应满足以下关键指标。

3.1 工业网关设计接入能力

工业网关的主要功能是连接性。需要根据具体应用场景支持不同厂家的PLC、CNC、DCS等现场控制设备,提供各类标准工业协议传输数字、模拟、脉冲等信号量。互联接入能力首先要解决异构工业设备的互联能力。工业设备目前具有系统架构不同、通信协议不同等异构特性。尤其是大量设备有私有协议,给互联带来了很多困难。

国内外标准制定机构已开始制定相关标准,解决互联互通问题。例如,数字系统互联目前国内外有OPCUA标准、MTCONNECT标准和Nclink标准,但大部分CNC厂商仍然使用自己的专有软件开发包(SDK)来实现互联。同样,不同的PLC厂商也有自己的通讯协议。数控系统互联互通的统一标准和PLC通讯协议见表3和表4。

表 3 数控系统互联统一标准

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表4 PLC通讯协议

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3.2 数据采集能力

数据采集也是工业网关的必备功能。首先,必须有足够的点容量来访问更多的数据点,并且应该保留一些冗余以确保可扩展性。其次,要保证传输的准确性和采集率,从而保证数据的准确性和实时性。

3.3 可靠传输能力

鉴于行业对可靠性的高要求,工业网关应满足恶劣的工业现场环境和日益复杂的工业过程控制要求。网关需要坚固耐用,工作温度范围宽,抗电磁干扰能力强等。此外,还要保证数据采集和通信的可靠性。在最大和最小通信速率下,数据丢包率和数据错误率必须在允许的错误范围内。

3.4 断点恢复能力

为了适应现场网络的不确定性,完善工业网关设计的容错机制,网关需要具备一定的数据缓存能力。在网络中断的情况下,网关继续准确采集数据,将数据缓存在非易失性设备中,当网络恢复正常时,通过转发通道将缓存的数据重新传输到工业云平台。

3.5 本地报警能力

在网络故障、设备故障等情况下,网关应根据配置信息和实时数据提供本地告警信息,支持开关量、模拟量等多种告警类型。同时,网络还可以增加智能预警功能。在向设备发送监控数据包时,当返回速度达到一定阈值时,设备会进行预警,提醒操作者注意。

3.6 边缘计算能力

随着计算能力的不断下沉,越来越多的边缘计算网关应运而生。现在现场采集的实时数据在工业网关本地进行处理、清洗、存储,甚至分析决策在本地完成,最后将数据上传到云端。这减少了单个传感器和云的计算负担,以及机器对机器的通信流量。


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3.7 工业网关设计远程控制能力

对于网关的运维,一些工业网关企业通过部署和管理云平台来解决,可以在云端对工业网关进行实时监控。监控、远程配置、远程故障排除、操作历史统计、用户权限控制、设备跟踪定位等功能;当设备出现故障和报警时,云平台无需到现场即可通过工业网关进行应急处理。

3.8 工业网关设计安全防护能力

工业网关作为设备接入网络的网关,可以部署一套安全策略,如提供基于IP地址/端口的防火墙管控能力、提供设备身份认证机制、传输协议信息加密机制等,可配置包发送策略等

3.9 工业网关设计可配置性

工业网关需要具备一定的可配置性,包括系统管理配置、采集服务配置、转发服务配置、边缘计算配置、本地告警配置、应用程序升级、通信协议升级等。不仅是对网关设备本身的管理,而且对网络中各个节点的管理都必须通过网关来实现,并且必须获取节点的标志和状态。

4 产业网关发展趋势

根据最新的市场研究报告,预计到2023年,全球物联网节点和网关数量将达到171.8亿台,2019-2023年的平均增长率将超过30%。涵盖的最终应用包括商业零售、航空航天、工业制造等。随着工业互联网的普及,工业网关必然会迎来一段蓬勃发展的时期。工业网关的发展过程大致是从单一功能的数据采集仪,到远程终端,再到协议转换网关,逐步发展到现在的工业智能网关。


5g/4g工业路由网关


未来的工业网关将呈现以下趋势。

4.1 工业网关设计功能集成

工业网关不再只是数据采集和协议转换设备,未来会更强大边缘计算、边缘控制、监控预警等功能。作为工业设备数据流量的统一汇聚节点,工业网关可以感知、区分和控制不同的业务流,成为智能制造中边缘侧服务的管理平台。 .时间敏感网络(TSN)技术、第五代通信技术(5G)、区块链等新兴技术将进一步提高工业数据传输的准确性、实时性和可控性,实现IT与OT的真正融合。

4.2 工业网关设计标准化

设备异构、接口异构、协议异构、数据异构、工业网关功能性能参差不齐,无疑增加了现场实施的难度,成为设备互联和人机互联的制约因素。瓶颈。在工业控制网络和工业信息网络不断开放和融合的背景下,工业网关也将在一些行业和应用场景中逐步标准化和相对统一。

4.3 工业网关设计软件化

随着底层设备标准和接口的逐步统一,越来越多的设备将直接连接上位机或云平台,无需单独设置网关盒。网关的功能,例如协议分析和数据采集,作为单独的微服务集成到云平台中,或者直接嵌入到现场设备中。网关不再仅依赖硬件存在。可在云端实现按需软件定义网关,实现车间工业设备接入的灵活配置和统一管理。

5 结论

工业互联网打破企业内部的信息孤岛,实现数据的跨系统通信,促进各种工业数据的全流、无缝融合。网关作为工业物联网的设备端入口,助力企业OT与IT技术深度融合。由于工业互联网应用的碎片化和复杂性,没有单一的供应商能够在工业互联网生态系统中提供端到端的解决方案。因此,需要对工业网关的关键指标进行标准化,建立标准化的细分领域,从边缘侧打通工业互联网的最后“一公里”,实现IT的“一网到底”。网络和OT网络。


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