工业网关作为数据采集、数据转发的重要设备，如何服务与工业互联网
0 引言
? 工業互聯網是推動我國制造業高質量發展的重要抓 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。工業企業都面臨著設備和系統數據統一采集難題，原因有二: 一是工業互聯網標準碎片化問題突出，工業協議、接口、總線標準短期內無法統一; 二是國內工業企業自動化程度較低，數據采集困難重重。為了解決這一問題，市場上涌現出了各種工業網關，但產品功能性能良莠不齊。用戶面臨著工業網關設備硬件選型的難題; 同時，工業網關本身的接入能力和各項指標，尚無統一的標準和規范的評價體系。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指標進行了梳理，旨在推動工業互聯網行業走向規范化、標準化。
1 工業網關概述
? 工業網關是連接互聯網/物聯網和控制層之間的核心設備，在工業互聯網中起著承上啟下的作用。上即工業互聯網云平臺、制造執行系統( manufacturing execution system，MES) 等，下即數據采集與監控系統( supervisory control and data acquisition，SCADA) 、可編程邏輯控制器( 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、設備之間，也可位于云端之間，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
可擴展性、高性價比、高安全性等。各類工業網關連接拓撲如圖 1 所示。PLC 網關連接各類 PLC 控制器，采集 PLC 控制信息，實現轉發、控制等功能; 數控網關采集數控系統和機床的運行狀態信息，機器人網關連接工業機器人，集散控制系統( distributed control system，DCS) 網關采集 DCS 的運行狀態，振動傳感器和溫度傳感器可連接至網關感知振動、溫度信息。網關實現了工業異構設備的互聯互通，可以通過安全網關發送至云端，實現工業現場設備的上云。所以，工業網關是實現工業互聯的基礎設備。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖 1 各類工業網關連接拓撲圖
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、轉發協議、采集對象、邊緣計算能力、安全能力、應用行業、采集接口等維度，對物聯網網關進行了分類。
2.1 轉發通信方式維度
? 轉發通信方式維度，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 轉發協議維度
? 從轉發協議維度劃分，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。網關具備的物理接口和支持協議如表 2 所示。
2.3 采集對象維度
? 按照采集對象維度，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行狀態、報警信息、各運動軸的坐標值等信息。數控機床工業網關采集數控系統和機床的信息，包括系統狀態、操作模式、報警信息、進給率及倍率、主軸轉速及倍率、代碼名稱、各坐標值等信息。PLC 工業網關具有采集各品牌 PLC 的 I/O 量、自動化成套設備及傳感器的 I/O 量、MODBUS 協議、工業以太網協議轉換等功能。儀器儀表工業網關可以采集數字化儀表和各類傳感器的數據。
2.4 邊緣計算能力維度
? 從邊緣計算能力維度劃分，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議包解析，只支持透明傳輸;基本級網關支持數據采集、協議解析、存儲轉發、斷網續傳、遠程控制; 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 安全維度
? 從安全維度劃分，工業網關可分為工業安全網關、邊界隔離工業網閘。
2.6 應用行業維度
? 從應用行業維度劃分，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程終端單元( remote erninal unit，ＲTU) 、智能樓宇( building automation and control networks，BACnet) 網關等。
2.7 采集接口維度
? 從采集接口維度劃分，工業網關可分為采集網關、協議網關。
3 工業網關的關鍵指標
? 工業網關作為工業互聯網平臺與設備層連接的窗口，應支持多種網絡格式，并具備多種行業接口，能直接與多種異構設備通信。通過有線、無線多種連接方式連接工業以太網或互聯網，與云平臺對接，可實現終端設備接入工業互聯網平臺。對于系統級、平臺級的對接相對比較好處理，但涉及到控制層的異構設備，實現起來就復雜很多。要實現上述功能，工業網關至少應滿足以下關鍵指標。
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 具體應用場景支持不同廠家的 PLC、CNC、DCS 等現場控制設備，并提供多種類型標準的工業協議，以傳輸開關量、模擬量、脈沖量等信號量。互聯接入能力首先要解決異構工業設備的互聯互通能力，工業設備目前存在著系統架構不同、通信協議不同等異構特性，特別是大量設備存在私有協議，給互聯互通帶來很多困難。國內外標準制定機構已經開始制定相關標準以解決互聯問題。比如，數控系統互聯互通目前在國內外具有 OPC UA 標準、MTCONNECT 標準和Nclink 標準，但目前大部分數控廠商仍采用各自私有的軟件開發工具包( software development kit，SDK) 實現互聯。同樣，不同 PLC 廠商也存在各自的通信協議。CNC 系統的互聯互通統一標準和 PLC 通信協議如表 3、表 4 所示。
3.2 數據采集能力
? 數據采集也是工業網關的必要功能。首先，要具有足夠的點容量，以便接入更多的數據點，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，從而確保數據的準確性和實時性。
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復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范圍、較強的抗電磁干擾能力等。除此之外，需要保證數據采集及通信的可靠性，在通信速率下，數據丟包率和數據錯誤率要在允許的誤差范圍內。?
3.4 斷點續傳能力
? 為適應現場網絡的不確定性、提高工業網關的容錯機制，網關需要具備一定的數據緩存能力。在遇到網絡中斷時，網關繼續準確采集，將數據緩存到非易失設備中，并在網絡恢復正常時，把緩存數據通過轉發通道補傳到工業云平臺。
3.5 就地報警能力
? 在網絡故障、設備故障等情況下，網關應提供基于配置信息和實時數據的就地報警信息，支持開關量、模擬量等多種報警類型。同時，網絡還可增加智能預警功能。當向設備發送監測數據包時，返回速度達到一定閾值時，設備將進行預警，提醒操作人員關注。
3.6 邊緣計算能力
? 隨著計算能力的不斷下沉，已涌現出越來越多的邊緣計算網關。現場采集的實時數據在工業網關內部進行本地處理、清洗、存儲，甚至在本地完成分析和決策，最后將數據上傳到云端。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
? 實時監控工業網關通信狀態監控、遠程配置、遠程故障排查、運行歷史記錄統計、用戶權限控制、設備追蹤定位等功能; 當設備發生故障告警時，云平臺可以通過工業網關進行緊急處理，而無需前往現場。
4 安科瑞智能網關產品介紹
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 網絡接口，用于將一個目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實時上傳主站系統，完 成遙信、遙測等能源數據采集功能。
? 同時，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發給目標區域內的智能系列單元， 完成對廠站內各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調 度命令的目標。
? ?本系列智能通信管理機提供豐富的規約庫支持，實現不同二次設備供應商的智能設備互聯。作為自動化 系統網絡與監測設備之間的通信接口設備，本系列智能通信管理機實現了規約轉換、接口匹配、數據轉換等 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 臺儀表設備（對于低壓綜合保護建議 每個端口掛接不超過 10 個）；可根據儀表設備的通信波特率、通信線路長度及客戶對通信數據的刷新速度要 求最終決定每個通信端口所帶的設備數量。?
? 本系列智能通信管理機實時并行多任務處理與第三方設備的訪問及上位系統的連接通信，支持軟件組態。 通過專門的配置管理軟件，可為不同通道掛載設備選擇不同的通信協議，并可通過更改配置文件來改變通信 管理機所連接儀表設備的數量及數據信息，而不需更改軟件程序。
4.2 型號說明
具體型號位于設備側產品標貼處。 目前涉及型號列表如下：
5 串口系列：ANet-2E5S（僅特殊供應）
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 技術參數
4.3.1公共技術指標
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
5 結論?
? 工業互聯網，打破了企業內部的信息孤島，實現數據的跨系統通信，促進各種工業數據充分流動和無縫集成。網關作為工業物聯網的設備端門戶，幫助企業的 OT 與 IT 技術深度融合。工業互聯網應用的碎片化和復雜性，導致在工業互聯網生態中，沒有一家供應商能夠提供覆蓋所有端到端的解決方案。因此，需規范工業網關的關鍵指標，以及標準化的分段建立，從邊緣側打通工業互聯網最后“一 公 里”，實現IT網絡和OT 網絡的“一網到底”。
總結
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