工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新形勢下工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)解決方案

符睿

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省廣州市 510000）

1 引言

中國制造2025 規(guī)劃核心是實現(xiàn)制造智能化，智能制造催生工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由于不同國家工業(yè)設(shè)備制造商各自為政，增加工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)互聯(lián)通的難度。工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)完成車間級與系統(tǒng)的互連互通，在智能制造中具有重要地位。OPC UA 是安全可靠，用于工業(yè)通訊的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是由制造商、科研院校共同參與制定的規(guī)范，使得不同操作系統(tǒng)設(shè)備可以按照標(biāo)準(zhǔn)格式進行數(shù)據(jù)交換[1]。2018年TI 公司推出Sitara 系列ARM 處理器，完成各廠家工業(yè)通信設(shè)備互聯(lián)通。瑞典HMS 公司Anybus 工業(yè)互聯(lián)SOC 解決方案NP40 是理想的選擇。當(dāng)前以HMS 公司為代表的成熟工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)大多為國外公司，國內(nèi)僅少數(shù)公司有類似產(chǎn)品，本文提供工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)解決方案具有重要參考價值。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)并非簡單的互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)，工業(yè)領(lǐng)域的互聯(lián)包括PLC 控制系統(tǒng)、軟件信息系統(tǒng)等互聯(lián)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)旨在通過對工業(yè)數(shù)據(jù)進行全面采集，計算預(yù)處理與建模分析，實現(xiàn)綜合管理、提高效率。根據(jù)IIC 對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義，指工業(yè)控制系統(tǒng)在線連接，構(gòu)成多個巨大與人連接的系統(tǒng)，與企業(yè)系統(tǒng)及分析方案集成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涵蓋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與安全體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集可以對照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系從數(shù)據(jù)處理、采集網(wǎng)絡(luò)等方面分析。

第四次工業(yè)革命是以智能制造為代表的顛覆性變革，其核心是人工智能、云計算等為代表的制造業(yè)數(shù)字化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括誕生于工業(yè)4.0 的工廠智能化與和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)垂直市場，包括醫(yī)療保健、智能交通等[1]。目前全球工業(yè)發(fā)展理念重塑，競爭優(yōu)勢不斷重構(gòu)。發(fā)展智能制造成為主要經(jīng)濟體搶占科技產(chǎn)業(yè)革命制高點的共同選擇，信息通信技術(shù)優(yōu)化升級深刻調(diào)整制造業(yè)全球競爭格局，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為各國發(fā)展智能制造的戰(zhàn)略支點。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有大規(guī)模異構(gòu)特性，同時采集測量數(shù)據(jù)存在異構(gòu)性差異。信息安全、系統(tǒng)自愈工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特性表示系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，是鑒別工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要依據(jù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是由多方共同作用，要想保證設(shè)備數(shù)據(jù)安全，對數(shù)據(jù)實時性獲取尤為重要。只有及時獲取異常數(shù)據(jù)信息實時分析處理才能快速做出相應(yīng)對策，避免危險事態(tài)發(fā)生。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分散性強，數(shù)據(jù)單體價值較低，數(shù)據(jù)狀態(tài)變化緩慢，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集來源從系統(tǒng)角度劃分，分為裝備物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)外部互聯(lián)網(wǎng)。從業(yè)務(wù)角度劃分，工業(yè)數(shù)據(jù)來源分為生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品設(shè)備、運維能耗等多方面。工業(yè)數(shù)據(jù)來源廣，需要對數(shù)據(jù)源價值及分析管理成本等多方面考慮。裝備互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)量大，大多工業(yè)數(shù)據(jù)間具有相關(guān)性，要將碎片化數(shù)據(jù)信息整合關(guān)聯(lián)，對設(shè)備運維提供更好的輔助決策。企業(yè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲規(guī)范，數(shù)據(jù)分析投入較低[2]。但數(shù)據(jù)相比工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)量小，無法反應(yīng)生產(chǎn)過程細節(jié)。企業(yè)外部互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取成本較高，要綜合考慮數(shù)據(jù)應(yīng)用場景數(shù)據(jù)價值選擇。

工業(yè)數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，包括工廠設(shè)計數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)規(guī)劃數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)，工業(yè)數(shù)據(jù)使工業(yè)系統(tǒng)具有診斷設(shè)備故障，幫助企業(yè)決策等智能化功能。工業(yè)數(shù)據(jù)分為現(xiàn)場設(shè)備與外部數(shù)據(jù)。現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)通過PLC 等數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，包括儀器儀表數(shù)據(jù)等；外部數(shù)據(jù)包括來自互聯(lián)網(wǎng)市場、客戶信息等工廠外部信息。生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)主要緣于信息系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。工廠數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括工廠人員、機器設(shè)備、生產(chǎn)原料等。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集與交換、數(shù)據(jù)建模與分析等構(gòu)成[3]。數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)工業(yè)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)源包括工廠外部的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)建模根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)工藝，在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立用戶工藝等數(shù)字化O 型，為各類決策提供數(shù)據(jù)支持。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)研究

當(dāng)今社會隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)世界融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專注于設(shè)備與人的交互，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著新科技創(chuàng)新革命迅速興起，其向數(shù)字化的轉(zhuǎn)型提升到國家戰(zhàn)略高度。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于平臺發(fā)展緊要時期，各國給予大力支持。促使包括德國提出工業(yè)4.0 等國家提出響應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。2015年我國頒布中制造2025 為制造業(yè)發(fā)展指導(dǎo)綱領(lǐng)，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)向智能化轉(zhuǎn)型升級，2016年發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，建立滿足我國工業(yè)發(fā)展需求的指導(dǎo)框架。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要部分，以云計算等創(chuàng)新技術(shù)等為主要支撐，是互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)領(lǐng)域集成應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺目標(biāo)包括提升生產(chǎn)管理效率，對工業(yè)生產(chǎn)資源有效分配。對制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化具有積極影響，有利于工業(yè)生產(chǎn)升級。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐步形成自身技術(shù)體系，國外企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已有典范案例，包括西門子MindSphere 平臺，比利時-HiaCloud 平臺，研發(fā)重點是數(shù)字環(huán)境重構(gòu)企業(yè)生產(chǎn)等場景。我國在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)處于探索階段，涵蓋行業(yè)平臺尚未完成，較為成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺包括航天云INDICS 平臺等。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中處于中心位置，網(wǎng)關(guān)通常部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，邊緣網(wǎng)關(guān)研究成為邊緣計算機研究的熱點。目前對于邊緣計算機網(wǎng)關(guān)研究較少，主要集中于系統(tǒng)架構(gòu)、組網(wǎng)研究等[2]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)依照網(wǎng)絡(luò)平臺需求構(gòu)建，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過控制網(wǎng)絡(luò)從底層設(shè)備傳輸至處理設(shè)備，通過控制系統(tǒng)工作站將數(shù)據(jù)與IT 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互通，為數(shù)據(jù)傳輸云端打下良好基礎(chǔ)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)包含網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)體系，應(yīng)用支撐體系。以工廠網(wǎng)絡(luò)IP化改造為基礎(chǔ)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系，工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)用于連接控制系統(tǒng)等主體；工廠外部網(wǎng)絡(luò)用語連接企業(yè)上下游與用戶。應(yīng)用支撐體系包括工業(yè)與工廠云平臺。工業(yè)大數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵問題包括數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成問題。

圖1：智能網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

網(wǎng)關(guān)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)設(shè)備，用于實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通，面對復(fù)雜的應(yīng)用場景網(wǎng)關(guān)設(shè)備具備不同的功能。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵部分，物聯(lián)網(wǎng)將人與人的連接拓展為物-物交互，方便對可能物品的管控，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要承擔(dān)連接感知網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)包括以太網(wǎng)技術(shù)等[3]。當(dāng)前制造業(yè)飛速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要分支。研究提出基于Raspberry-PI 的網(wǎng)關(guān)智能家居系統(tǒng)平臺，用于不同通信技術(shù)的互操作性，但應(yīng)用場景較為局限，對工業(yè)環(huán)境復(fù)雜場景不適用。研究設(shè)計基于邊緣計算機物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建采用Modbus 協(xié)議的溫濕度報警系統(tǒng)。但主要針對預(yù)警功能，系統(tǒng)擴展性較差。普通設(shè)備管理系統(tǒng)未針對工業(yè)環(huán)境特點進行研究，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婀δ艽嬖诓蛔悖_發(fā)針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的系統(tǒng)非常必要。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)開發(fā)分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺分為邊緣接入層、平臺層與應(yīng)用層。邊緣接入層為下層傳感器設(shè)備接入端口，目的是采集底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)等要素進行處理，核心數(shù)據(jù)收集技術(shù)包括設(shè)備系統(tǒng)接入。基礎(chǔ)設(shè)施層基于云服務(wù)、虛擬化等技術(shù)，實現(xiàn)計算網(wǎng)絡(luò)等計算機資源模塊化管理。工業(yè)平臺秤是互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中心層，PaaS 層功能包括數(shù)據(jù)處理計算、算法分析、資源調(diào)度等。工業(yè)應(yīng)用層對化工等領(lǐng)域企業(yè)活動整合，提煉特定應(yīng)用場景專業(yè)知識，運用人工智能、可視化等新興技術(shù)搭建工業(yè)信息化應(yīng)用模塊。主-從機手法數(shù)據(jù)包格式如表1 所示。

表1：主-從機手法數(shù)據(jù)包格式

工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)收集非常重要，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系一致，分為子網(wǎng)內(nèi)傳輸協(xié)議與面向互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。子網(wǎng)指廠房內(nèi)部局域網(wǎng)里，子網(wǎng)內(nèi)傳輸協(xié)議根據(jù)通信方式分為遠近距離通信協(xié)議。ZigBee 是短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)傳輸速率低的電子設(shè)備間，其優(yōu)勢是能耗低，適用于長時間待機的電子設(shè)備。Modbus是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中常用協(xié)議，支持數(shù)量龐大的自動化設(shè)備通信。由于作為開放協(xié)議使用簡單，在自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ModBus 通信模式包括RTU 與ASCII，RTU 模式使用十六進制傳送數(shù)據(jù)，工業(yè)應(yīng)用中常用RTU 模式。Modbus 幀格式由功能碼等組成。RFID、Wi-Fi 等是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中常用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

子網(wǎng)外通信協(xié)議負責(zé)工業(yè)環(huán)境內(nèi)部往來設(shè)備數(shù)據(jù)交換，比較流行的協(xié)議包括COAP 與MQTT，REST/HTTP 基于HTTP，MQTT優(yōu)點是解決兼容性問題。REST 是資源表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)化，RESTful滿足限制的應(yīng)用服務(wù)，REST/HTTP 以HTTP 協(xié)議為基礎(chǔ)開發(fā)通信，簡化互聯(lián)網(wǎng)資源訪問模式，降低客戶端與服務(wù)器的交互時延。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)很多設(shè)備內(nèi)容等方面受限，HTTP 協(xié)議不適用，COAP協(xié)議提出簡化HTTP 協(xié)議，常用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)方案設(shè)計

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用CAN 通信方式，是目前應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線，具有實時性強等特點。采用ARM9 架構(gòu)微處理器為網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)核心控制器，ARM9 微處理器在功耗及運算速度等方面具有較高性價比，采用基于Cortex-M 的多系處理器為采集終端子系統(tǒng)處理器，采用嵌入式Linux 為網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定及占用資源少等優(yōu)點，系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)API 接口。智能網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)等。傳輸網(wǎng)絡(luò)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)模塊。系統(tǒng)采用應(yīng)答式結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸機制，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，通過不同位置數(shù)據(jù)采集傳感器，利用多種無線網(wǎng)絡(luò)通信將采集信息上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控交互中心，實現(xiàn)對整體工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)管。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計影響系統(tǒng)性能，硬件平臺包括設(shè)備運行采集終端與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺。

智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺是系統(tǒng)核心，承擔(dān)多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，選用基于ARM9 內(nèi)核Marvell PXA310 核心處理器，擴展外圍模塊，包含網(wǎng)絡(luò)模塊，ZigBee 模塊等。環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集，是確保數(shù)據(jù)及時采集的保障。終端模塊采用ARM 架構(gòu)核心控制器，設(shè)計外圍最小系統(tǒng)電路，搭配溫感器、光照強度傳感器等采集環(huán)境數(shù)據(jù)，選用LSDRF4317N01模塊[4]。設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集，選用基于Cortex-M3 架構(gòu)的STM32L151 為核心控制器，搭配包含電流傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù)采集傳感器，選用FZB5000 系列，是理想數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計承擔(dān)完成模塊系統(tǒng)功能實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件平臺包括嵌入式服務(wù)器模塊，網(wǎng)關(guān)平臺模塊等。網(wǎng)關(guān)平臺模塊完成模塊信息傳輸，網(wǎng)關(guān)平臺是運行于嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，植入ARM 微處理器中，運行程序中應(yīng)用程序承擔(dān)實現(xiàn)主體功能，要進行數(shù)據(jù)傳輸交互，驅(qū)動程序是硬件模塊功能實現(xiàn)驅(qū)動接口。數(shù)據(jù)采集終端模塊不需在微處理器中植入操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集終端模塊由采集終端與協(xié)調(diào)器終端組成，采集終端與數(shù)據(jù)采集傳感器連接，是傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點；協(xié)調(diào)器終端完成系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，將采集數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關(guān)平臺。服務(wù)器模塊將傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用于現(xiàn)場景數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，依托可靠性硬件，使得采集設(shè)備數(shù)據(jù)具備高系統(tǒng)集成性，具有信息發(fā)布功能。實現(xiàn)嵌入式服務(wù)器模塊，通過友好人機界面展現(xiàn)，方便用戶對設(shè)備控制。

6 結(jié)語

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容研發(fā)成為重點。工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下設(shè)備分布廣泛，順市場數(shù)據(jù)量龐大，設(shè)備管理難度大。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)歷提出分級管理方法，在網(wǎng)關(guān)上增設(shè)管理應(yīng)用，提高云端數(shù)據(jù)的有效性。物聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合，智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)有機組合，構(gòu)建完整的管理系統(tǒng)。本文介紹基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)計方法，通過處理器攜帶PRUICSS 完成工業(yè)控制協(xié)議處理，支持工業(yè)通信系統(tǒng)包括Ethernet、Profibus 等，實現(xiàn)OT 與IT 互聯(lián)通，在網(wǎng)關(guān)上支持嵌入式內(nèi)存，方案簡化工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計。