IPv6工業物聯網在流量儀表中的應用

鄒明偉，沈 洋，左英姣

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著工業物聯網技術的發展，越來越多的產業產品與設備按照約定的協議，通過物聯網域名相連接，進行信息交換與通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。工業產品與設備與物聯網域名的連接，首要的就是給工業產品和設備匹配一個IP地址。而隨著IPv4的全球地址數瀕臨耗盡，IPv6應運而生，成為替代IPv4的下一代IP協議。

1 IPv6工業物聯網在流量儀表中的應用

作為物聯網主戰場的工業物聯網，使得互聯網技術得以在傳統工業生產中發揮優勢，對于解決目前產能過剩、資源浪費、環境污染和生產管理等問題和提高生產效率有重大意義。但是既有的IPv4網絡環境制約了工業物聯網的進一步發展，主要表現為無法提供充足的地址空間和受到傳輸安全的制約[1-2]。目前，IPv4地址資源已無法滿足大規模物聯網環境下的使用，推進IPv6便成為目前的一種解決方案。相比之下，IPv6采用128位地址空間，可以提供的地址數量是IPv4的296倍。其海量的地址空間不僅可以滿足人和物兩者之間任意組合的通信方式，還可以滿足具有大規模密集部署特性的物聯網業務應用場景[3]。此外，IPv6協議改進了原有協議的安全性和擴展性，擴大了地址空間，打破了底層設備技術多樣性帶來的相互通信與互操作障礙，同時使得尋址能力、服務質量和安全性能均有提升，在安全性、移動管理、服務類型等方面也有更好的支持，已成為下一代網絡的核心技術之一。因此，在以無線傳感器網絡為代表的工業物聯網應用IPv6協議，構建全IP化的工業物聯網成為當前的熱點。

儀器儀表是國家裝備制造的基礎，其制造水平代表了國家的制造能力。流量儀表作為具有代表性的測量儀表之一，已廣泛應用于石油天然氣、石油化工、水處理、食品飲料、制藥、能源、冶金、紙漿造紙和建筑材料等行業，但流量儀表制造企業的智能化、自動化程度與產能普遍存在瓶頸。在激烈的競爭環境中，流量儀表制造企業為了減少資源浪費、提高生產效率，加大了對自動化生產與智能化監控的投入。結合IPv6工業物聯網技術提升生產效率已勢在必行。通過研究流量儀表的數據采集、數據處理、自動化流量調節等技術，使數據采集系統能及時、準確地記錄現場流量儀表的數據，提高數據采集的準確性和實時性。研究生產信息、裝置控制信息、環境控制、表計數據信息融合技術，實現全流程數據互聯互通，規模化生產。

2 IPv6工業物聯網在流量儀表中的應用設計

2.1 架構設計

工業物聯網通過移動通信、智能分析等技術，將具有感知、采集、監測、控制等能力的各類設備融入工業生產過程的各個環節中，實現傳統工業到智能工業的轉化，達到降低產品成本、減少資源消耗、改善產品質量、提高制造效率的目的。流量儀表的測量方法和儀表種類繁多，應用范圍廣。在某些惡劣環境或水務遠程抄表環境中，控制人員需要遠程實時獲取生產現場的流量數據和歷史數據。結合流量儀表制造與應用場景的特色，從技術角度分析，將工業物聯網分為三個部分:一是設備端，二是網絡端，三是服務端。

設備端主要負責數據采集、工藝邏輯執行及控制。設備端不僅需要采集工藝現場的流量數據，也需要對原始流量信號進行放大和運算處理，并且能夠執行一些邏輯控制。網絡端連接設備端和服務端，是工業物聯網中的接入網絡和核心網絡。服務端面向各類應用，實現信息的處理、協同、共享和決策。服務端主要包括以下內容：一是展示工藝現場的實時畫面，將現場設備和工藝流程一一對應，實時畫面可以及時地反映工業現場運行情況；二是查詢、編輯、保存、分析、打印各種數據報表、曲線數據等；三是自動生成運行日志，及時保存現場運行情況，以備查詢和管理；四是顯示系統報警、診斷信息，便于系統出現問題的時候，及時通知工作人員解決問題。

IPv6工業物聯網在流量儀表中的應用架構如圖1所示。設備端有檢測流量信號的電磁水表、渦街流量計、電磁流量計、液位計等流量儀表，執行命令的水泵、焊接機器人，采集流量儀表數據并上傳無線通信模塊、網關；網絡端有基于IPv6協議的互聯網、路由器，實現設備端與服務端的通信連接[4-5]；服務端有防火墻、應用服務器、數據服務器、液晶顯示大屏、計算機、移動應用，實現信息的處理、協同、共享和決策。

圖1 IPv6工業物聯網在流量儀表中的應用架構

2.2 設備端設計

設備端需要實現對流量信號的放大與運算處理，采集現場生產設備和物料的數據，以及監控生產現場執行情況，同時進行數據上報。在本應用場景中，設備端包括三個部分:一是檢測流量信號的電磁水表、渦街流量計、電磁流量計、液位計等流量儀表；二是執行命令的水泵、焊接機器人；三是采集、上傳流量儀表數據并接收服務端指令的無線通信模塊、SIC網關。

設備端結構設計如圖2所示。在流量儀表轉換器硬件主板及無線通信模塊上搭載RS-485通信技術，利用Modbus協議實現對計量數據的采集，無線通信模塊I/O端口通過繼電器獲取水泵、焊接機器人的狀態信息，通過控制水泵、焊接機器人的啟動和停止，達到監控生產現場的目的。無線通信模塊利用IPv6 TCP/IP協議，實現數據的上傳和指令的下發。

圖2 設備端結構設計圖

2.3 網絡端設計

網絡端通過通信網絡進行信息傳輸，作為紐帶負責將設備端獲取到的信息，安全、可靠地傳輸到服務端，然后根據不同的應用需求進行信息處理。為了具有更多的地址空間、更快的傳輸速率、更好的服務質量、更方便快捷的網絡管理及更高的安全性能，在流量儀表的應用場景中利用基于IPv6 的互聯網實現信息傳輸。

IPv6是在 IPv4的基礎之上發展的第二代 Internet網絡，IPv6的網絡體系結構與 IPv4的網絡體系結構基本相同，即 TCP/ IP網絡體系結構，IPv6與IPv4的主要區別在于通信協議及技術的不同。IPv6的地址長度為128位，采用十六進制表示，有三種表示形式。本方案采用冒分十六進制表示法，格式為X:X:X:X:X:X:X:X。其中，每個X表示地址中的16位二進制。IPv6報文的整體結構分為IPv6報頭、擴展報頭和上層協議數據3部分。圖3是IPv6報頭結構。該結構在IPv4報頭的基礎上進行改進和擴展，提升了數據報文的傳輸和處理效率。

原來的Internet安全機制只建立于應用程序級，如E-mail加密、SNMPv2網絡管理安全、接入安全等，無法從IP層來保證Internet的安全[6]。IP級安全保證分組的鑒權和私密特性。其具體實現主要由IP的驗證頭(authentication header,AH)和封裝安全載荷(encapsulating security payload,ESP)標記來實現。IPv6通過安全協議套、包頭認證、安全包頭封裝、ESPDES-CBC方式及鑒權加私密方式實現了IP級的安全[7]。

網絡端基于IPv6工業互聯網實現與無線通信模塊的網絡連接，發起者和接收者地址都具有IPv6協議地址，通信兩端通過建立基于IPv6地址的Socket套接字進行表計流量數據、泵和機器人電流數據上傳和平臺請求數據下發的網絡通信。

圖3 IPv6報頭結構圖

2.4 服務端設計

服務端主要實現現場數據的處理和分析，以及對現場狀況的監控和管理。服務端提供可適應各種顯示終端的應用管理軟件系統，不管是LED大屏、桌面計算機，還是現場運維人員的移動終端，利用操作系統自帶的IPv6網絡協議，都可以在線監測設備狀態、可視化分析運行狀態、查看報警事件、故障維修派工、應急事件響應等，隨時隨地掌握遠程設備的運行狀態和及時處理故障維修事件，最大限度降低因設備故障帶來的各種損失[8]。

服務端結構設計如圖4所示。業務層將設備端上傳的數據通過IPv6數據服務器進行集成、存儲和分析，利用客戶端和管理端的各系統展示計量數據、生成圖文報表、可視化生產線、獲取診斷信息等，并實現在計算機、手機等移動設備中查看所需信息。

圖4 服務端結構設計圖

3 應用驗證

利用電磁水表，實時采集流量，通過無線通信模塊，進行數據平臺和現場水表的通信轉發，最終客戶端瀏覽器訪問數據平臺提供的URL進行遠程監測。供水管道上安裝一臺電磁水表，在線監測水表的實時用水量，并與過往時期的歷史用水量進行比對分析。當發現實時用水量同比突增的情況時，可初步判定為非正常用水，并記錄發生該事件的時間。若一段時間過后實時用水量并未恢復，當達到預設的時間后，就認為該水表的下游管道可能出現泄漏或爆管。工作人員通過對用水量進行數據分析，使系統自動判斷供水管網在運行過程中的突發異常，進而向負責該管段的維護人員進行預警提示。根據提示的內容來確定發生異常的管道位置，達到幫助管道運維人員及時掌握情況的目的，實現遠程運維功能。

遠程監測水泵和焊接機器人工作時段的工作電流。其中，通過水泵機組的工作電流判斷標定生產線的能源消耗利用狀況，通過焊接機器人設備的工作電流判斷裝配生產線的能源消耗利用狀況。設備的工作電流數據通過無線通信模塊發送給數據平臺，最終客戶通過瀏覽器訪問云平臺提供的URL進行遠程監測。通過在泵房的設備，以及在智能生產裝配線的焊接機器人上安裝電流監測傳感器，在線監測電流的實時數據，并與設備待機狀態和負載狀態下的不同電流值進行比對分析?？蛻粲涗浽O備待機工作時長、待機電流，以及負載工作時長、負載電流等參數數據[9]。根據以上監測數據進行日能源消耗和待機/負載時長占比的統計計算，實現幫助設備能源監測管理人員及時掌握情況的目的。

4 結論

基于IPv6的工業物聯網在流量儀表中的應用方案充分利用IPv6的尋址能力、服務質量與安全性能，實現對流量儀表計量數據的遠程處理和分析，對流量儀表生產現場的實時監控和管理，降低運維成本，提高生產效率。

物聯網與工業融合是一片藍海。IPv6技術將承載核心傳輸，解決人和物、物和物的海量連接、快速傳輸和信息共享，帶來智能化體驗[10]。未來的智能制造將基于泛在網絡，從無人化向協同化方向發展，從需求驅動向數據驅動方向轉變。