基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的設(shè)備互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化方案

引 言

具有一定規(guī)模的自動化企業(yè)中通常包含多個工控子系統(tǒng)， 如鋼鐵企業(yè)包含電力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、氮氧氬系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、水道系統(tǒng)和環(huán)保系統(tǒng)等[1]。多樣化的工控系統(tǒng)所采用的傳感網(wǎng)絡(luò)也是多樣的：從接觸式的限位、微動開關(guān)到非接觸式的光電、接近開關(guān)，再到視覺、位移傳感器等。所支持的設(shè)備和協(xié)議也種類繁多 ：各種廠商的 PLC、DCS、PC-Based、PXI、嵌入式系統(tǒng)、SCADA、變頻與傳動設(shè)備、現(xiàn)場儀表、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備 ；RS 232/422/485、Ethernet、WiFi、ZigBee 等通訊鏈路 ；一些通用協(xié)議如 Modbus、OPC、IEC-104、IEEE1888 以及各種不同廠家的專有協(xié)議。這些設(shè)備和技術(shù)大都來自中、歐、美等不同國家，所采用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，多是由自己開發(fā)，相互之間無法兼容。

現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)涉及到各國各公司之間的利益之爭，至今未能得到統(tǒng)一[2]。大量來自于不同生產(chǎn)廠商的設(shè)備，采用不同的通訊方式導(dǎo)致設(shè)備之間互聯(lián)困難，子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立， 資源無法實(shí)現(xiàn)共享。若通過采用多種設(shè)備共同協(xié)作——工控計(jì)算機(jī)、工業(yè)軟件、串口服務(wù)器等——以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)， 則對使用人員的素質(zhì)要求更高，而且設(shè)備之間聯(lián)系更加錯綜復(fù)雜，系統(tǒng)變得更加脆弱，最終導(dǎo)致企業(yè)自動化系統(tǒng)的相應(yīng)部署、調(diào)試與維護(hù)管理的成本劇增。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大障礙即標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一[3]。目前，行業(yè)內(nèi)的多總線并行體系已然形成，相應(yīng)的終端設(shè)備已經(jīng)大量地部署在工業(yè)現(xiàn)場，如果將這些終端設(shè)備全部更新?lián)Q代成使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口的終端設(shè)備需要耗費(fèi)大量的資金，這是很難實(shí)現(xiàn)的[4]。既然終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化難以實(shí)現(xiàn)，若通過一個兼容多協(xié)議、多接口的中間平臺采集來自不同通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將會是一個可行、易行的解決方案。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

傳統(tǒng)的“兩化”融合所采用的是美國 AMR 公司提出的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即過程控制系統(tǒng)層（Process Control System， PCS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)層（Manufacturing Execution System， MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（Enterprise Resource Planning，ERP）[5]。層與層之間的聯(lián)接基本沒有標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。ERP 層與MES 層同屬于信息化的范疇，它們之間的聯(lián)接相對比較容易實(shí)現(xiàn)。而PCS層，由于設(shè)備的多樣性，導(dǎo)致其與MES 層之間聯(lián)接的復(fù)雜程度更高。

將多種儀表、傳感器和控制器等構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)接入到信息網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。一種易行的解決方案是 ：以工業(yè)網(wǎng)關(guān)為核心設(shè)備，在 PCS 層與MES 層之間構(gòu)建一個標(biāo)準(zhǔn)化的通信平臺——信息通信技術(shù)層（Information Communication Technology，ICT），具體如圖 1 所示。

網(wǎng)關(guān)的作用是連接兩個或多個異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，使之能夠相互通信[6]。ICT 層即基于此功能，將異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在工業(yè)現(xiàn)場的多種總線協(xié)議與要求的通信協(xié)議之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交互。但工業(yè)網(wǎng)關(guān)與普通互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的工作環(huán)境不同，工業(yè)網(wǎng)關(guān)還須針對苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境以及客戶的特殊要求進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化定制。

2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)

ICT 層的工業(yè)網(wǎng)關(guān)是聯(lián)接傳感網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站。其主要特點(diǎn)如下：

（1）工業(yè)網(wǎng)關(guān)與信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，需要擁有普通互聯(lián)網(wǎng)路由器的基本功能，能夠?yàn)楣こ處熖峁┻h(yuǎn)程平臺，允許用戶通過信息網(wǎng)絡(luò)對工控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程診斷、調(diào)試、管理，減少現(xiàn)場實(shí)地巡查的次數(shù)。

（2）傳統(tǒng)的工控網(wǎng)絡(luò)多是封閉、 孤立式的總線網(wǎng)絡(luò) [7]。在這樣“信息 孤島”式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為了提高通 信的效率，多采用未進(jìn)行任何加密 保護(hù)的“明碼”形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 在與信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接之后，這些“明碼” 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及工控網(wǎng)絡(luò)直接暴露 在所有信息網(wǎng)絡(luò)的用戶面前，病毒、 駭客的問題也隨之而來。關(guān)鍵數(shù)據(jù) 被竊取以及工控網(wǎng)絡(luò)癱瘓等導(dǎo)致的 損失都是難以估量的。所以通信網(wǎng) 關(guān)應(yīng)具備多種防護(hù)技術(shù)，能夠主動 實(shí)時地監(jiān)控、識別、報(bào)警、阻擋來 自信息網(wǎng)絡(luò)對工控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)攻擊、 竊取、篡改、破壞等行為，保障系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)信息安全。 

（3）工業(yè)網(wǎng)關(guān)要應(yīng)對傳感網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備的多總線并行問題。為實(shí)現(xiàn)傳感 網(wǎng)絡(luò)的快速接入，工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)與傳 感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間能夠直接進(jìn)行通信。 工業(yè)網(wǎng)關(guān)需要具備多種行業(yè)接口， 兼容多種現(xiàn)行的協(xié)議，并整合多種 設(shè)備功能于一身以靈活應(yīng)用于多種 場景。

（4）作為產(chǎn)品級設(shè)備，工業(yè)網(wǎng) 關(guān)應(yīng)該簡單易用，使相關(guān)人員通過 簡單的培訓(xùn)甚至自學(xué)就可以掌握其 基本的使用。而作為工業(yè)級設(shè)備， 穩(wěn)定可靠是必需的，具有寬工作溫 度范圍、強(qiáng)抗電磁干擾能力、斷線緩存能力等。 

歸結(jié)起來，工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備 6 項(xiàng)特性 ：①遠(yuǎn)程管理 ；② 安全互聯(lián)；③智能應(yīng)用；④穩(wěn)定可靠；⑤簡單易用；⑥降低成本。 

圖 2 所示為 SymLink-GAP 工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)。 該架構(gòu)內(nèi)部由兩個獨(dú)立主機(jī)系統(tǒng)組成，其內(nèi)網(wǎng)主機(jī)連接受保 護(hù)網(wǎng)絡(luò)（如工控網(wǎng)絡(luò)），外網(wǎng)主機(jī)連接信息網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)）。 內(nèi)網(wǎng)兼容各類主流 PLC、智能儀表、現(xiàn)場總線協(xié)議等數(shù)據(jù)接入， 外網(wǎng)提供以標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給第三方或數(shù)據(jù)庫。在內(nèi)網(wǎng) 主機(jī)與外網(wǎng)主機(jī)之間，物理層采用專有隔離硬件，鏈路層和應(yīng) 用層采用私有通信協(xié)議，并對數(shù)據(jù)流進(jìn)行單向控制，數(shù)據(jù)僅由 內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)單向傳輸。

3 應(yīng) 用

圖 3 所示是工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于某鋼鐵企業(yè)能源管理中心系統(tǒng)的示意圖。其目的是實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)數(shù)據(jù)采集、能源設(shè)備狀態(tài) 監(jiān)控、在線運(yùn)行管理、優(yōu)化節(jié)能調(diào)度和基礎(chǔ)能源管理等功能。 

工業(yè)網(wǎng)關(guān)整合通訊接口服務(wù)器、工控機(jī)、工控軟件的功 能于一體。系統(tǒng)通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集必要的底層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)自動、完整、實(shí)時地推送到實(shí)時 / 歷史數(shù)據(jù)庫， 達(dá)到能源管理系統(tǒng)的綜合監(jiān)控和管理要求。

4 結(jié) 語

針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜繁多、多種現(xiàn)場總線長期共存而 導(dǎo)致企業(yè)兩化建設(shè)與維護(hù)成本居高不下的現(xiàn)狀，提出基于工 業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的 ICT 中間平臺通信標(biāo)準(zhǔn)化方案，既可避免已 有現(xiàn)場設(shè)備的更新?lián)Q代，又能實(shí)現(xiàn)低成本的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互 通。并基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提出工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)需要具備的 六項(xiàng)重要特性。為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多樣化的設(shè)備之間互聯(lián)互通提 供一種標(biāo)準(zhǔn)、易行的方案。