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工业智能网关解决异构系统之间的互联通信问题

2019-06-24

在工业物联网平台中，智能网关作为边缘计算的数据采集层，在链路层的数据采集和协议解析十分重要，平台是工业互联网的核心，而数据的采集是整个核心的基础。工业智能网关在整个数据采集-数据传输-数据分析-数据应用的环节中，定位于数据的采集和传输桥梁，工业智能网关可以实现数据采集、数据转发、数据下发、边缘计算、协议转换等功能，为工业物联网提供可靠的数据基础。

工业通信网关可以在各种网络协议间做报文转换，其功能可以通过一块芯片、一个嵌入式设备或板卡、或者是一台独立的设备实现。还有一些设备，如PC，也可以实现网关(或设备服务器)的功能，网关能够完整地解析出报文的内容，并且智能地将它转换为另一种协议。

 

 

实际意义

随着企业内生产部门和其他部门相互联系的不断增多，网关的使用就水到渠成了。实践证明，使用网关的优点包括：能够从设备和供应链的其它环节获得信息，能够给其他系统提供实时生产数据(提高生产信息的实用性和有效性)，以及能够在生产线、公司甚至是世界的另一端，对系统进行远程开发和维护，前提是拥有适当的安全通关权限。

对于企业/供应链的生产制造环节、仓储，工程设计、市场、销售、售后服务等任一环节上的任一系统或层级，网关都为它们提供了一条数据导入和导出的途径。网关相当于一个将各个层面相互联系在一起的执行机构，并将老的串行通信网络或模拟信号连接到新的数字网络。

另外，由于工业级以太网协议种类繁多，信息可能需要在多种协议间进行转换和逆转换。一些工业级的网关可以实现有线协议和无线协议间信息的交互式传送。

 

系统功能

用户在PC机上通过系统提供的组态配置程序，可以设定不同物理通道上运行的通信协议进行数据采集，对要采集的数据设备的物理地址、通道地址或者参数名称等，能够由用户自主设定，在用户完成组态配置后，可以将配置好的工程下载到硬件设备中，并可远程启动硬件设备中的网关运行程序，进行数据采集。

 

对于已采集到硬件设备中的数据，网关运行程序能够以各种方式进行各种操作，包括：数据变换、数据过滤、运算处理、历史数据存储、统计处理、报警处理、服务请求等。

对于已处理好的数据，网关运行程序能够按照已组态配置好的方式，包括物理连接方式、数据转发协议类型、站物理地址、转发数据通道地址或者参数名称等，将数据转发至其它应用系统。

 

 

数据采集

物理层支持RS-232/485/422、以太网、现场总线(如：CAN Bus、DeviceNet、Profibus、LonWorks等)

(1)支持GPRS、CDMA、数传电台、电话拨号、卫星等多种远程通信方式

(2)串口数量最大可支持32个(根据硬件型号而定)

(3)支持各种采集模式：【1】同步/异步【2】polling【3】平衡式/非平衡式【4】自动通知【5】订阅/发布

(4)采用每个通道每个驱动独立进程管理模式，任一驱动故障或运行不稳定不会影响整个系统

(5)支持透明协议传输功能

(6)对采集数据有死区压缩、量程变换、滤波、小信号切除等功能

(7)采集数据支持时间戳和质量戳功能，如果被采集设备不具备时间戳和质量戳，支持自动添加

(8)支持写优先处理，支持频繁读写的均衡处理

 

 

通信协议及标准

(1)工控：OPC Client、Modbus Master

(2)电力：IEC60870-5-101/102/103/104 Master、DNP Master、IEC61850 Client、JBUS等

(3)楼宇：LonWorks、BACnet Client、Batibus、SNMP Client等

其它行业通讯协议约1000种左右，对于不便公开的保密协议，用户可利用驱动开发包自行开发采集设备的驱动程序。

数据转发

物理链路：转发物理端口支持RS-232/485/422、以太网、现场总线。转发通信方式支持GPRS/CDMA、数传电台、电话拨号、卫星等

转发协议：转发协议支持：Modbus Slave、IEC60870-5-101/102/103/104 Slave、CDT Slave、DNP Slave、IEC61850 Server、SNMP Agent等。

转发接口支持：OPC Server、DDE Server、ODBC/ADO等。

支持多路采集到多路转发的功能。

应用协议

OSI是一个开放性的通行系统互连参考模型，它是一个定义的非常好的协议规范。OSI模型有7层结构，每层都可以有几个子层。

OSI的7层从上到下分别是：

7应用层

6表示层

5会话层

4传输层

3网络层

2数据链路层

1物理层

其中高层，即7、6、5、4层定义了应用程序的功能，下面3层，即3、2、1层主要面向通过网络的端到端的数据流。

目前的安全网关在应用层和网络层上面都有防火墙的身影，在第三层上面还能看到VPN作用。防毒墙这种安全网关作用在第二层。根据七层的级别限制，高等级协议能够掌管低等级协议的原则，安全网关的发展正在走向高等级协议的路线。

 

 

工业物联网的体系架构

典型的物联网系统架构共有3个层次。一是感知层，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是网络层，通过电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是应用层，把感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

 

工业物联网关键技术

 

典型应用设备举例

（1）电力行业：电力远程抄表，变电站监测，电力线路监测，配电网络柱上开关监测系统。

（2）水利行业：水质监测,水库闸门远程控制系统方案，水利GPRS调度系统应用方案，水管网监测系统，水库自动监测系统。

（3）石油行业：油气井的远程监控，GPRS远程油田自动化监测监控系统,燃气管网监控系统方案。

（4）市政行业：路灯远程监控管理，管网远程监测，城市能耗监测。

（5）环保行业：污染源监测，大气环境监测，噪音监测，粉尘监测。

（6）农业应用：大棚远程监测管理，水产养殖监测管理农，业水泵监测管理。

（7）其它行业：仓库监控管理，电梯远程监控，远程起重机管理系统，工业能耗监测方面的应用，加油站GPRS数据采集系统，GPRS气象信息采集系统。

 

结语

工业通信网关是物联网网关应用的一个重要范畴。企业自动化和信息化项目中，工程技术人员需要解决各种不同设备、系统之间的互联与集成。工业通信网关的出现正正为解决异构系统之间的互联通信问题提供了可能。工业4.0的时代，工业通信必将成为工业物联网一个重要组成部分。

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