13.工业网关选型

主讲人：王超宁波城市职业技术学院工业互联网数据采集技术——工业网关选型序言工业网关是连接工业控制系统与企业网络之间的关键设备，起到数据交换和通信转换的作用。它是工业自动化领域的桥梁，通过将不同通信协议和数据格式进行转换，实现了工业设备之间的互联互通。目录CONTENTS工业网关的作用1选型考虑的因素2一般网关设备的结构3如何匹配合适的设备4工业网关的作用01PARTONE工业网关的作用01工业网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，具有多个用于连接设备的下行通信接口（南向接口），一个或多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口（北向接口）。通过连接两个或多个异构的网络，使之能够互相通信，实现不同协议之间的数据交互。安全管理网关配置空中升级存储协议转换设备管理OS硬件抽象层北向接口南向接口RJ45光纤Wi-Fi4GNB-IOTBLEZigBeeLoRaRJ45RS485RS232Wi-Fi工业网关的作用01北向连接互联网，使用的一般是物联网协议，比如MQTT、COAP等协议，工业网关需要将从设备获取的数据封装为物联网协议所需的数据包，才能发送到工业互联网平台。此外，针对不同的应用场景，工业网关还具有存储、协议转换、安全管理、设备管理、网关配置、空中升级等功能。安全管理网关配置空中升级存储协议转换设备管理OS硬件抽象层北向接口南向接口RJ45光纤Wi-Fi4GNB-IOTBLEZigBeeLoRaRJ45RS485RS232Wi-Fi工业网关的作用01工业网关之所以能实现桥梁的作用，关键是因为它具有协议转换的功能，这也是它最为核心最为重要的一面。工业生产设备使用的控制器（如数控系统、工业机器人、PLC等）一般都采用私有或专用的工控协议，比如常见的标准工控协议Modbus，工业网关与这些工业生产设备连接时，就需要对这些协议进行解析。工业设备数据ModBus工业网关数据MQTT服务器数据ModBus数据MQTT协议转换从设备接收数据生成要发送的数据把数据发送到服务器02PARTTWO选型考虑的因素选型考虑的因素02工业网关作为工业互联网平台与设备层连接的窗口，应根据工业现场的实际情况，支持适合的网络格式，并具备对应设备的行业接口，能直接与工业设备相连。通过有线、无线多种连接方式连接工业以太网或工业互联网平台，实现终端设备的有效接入。因此，对工业网关进行选型时，需要根据不同的现场情况和设备情况综合考虑如下因素：选型考虑的因素02（1）支持的工业通信协议由于企业需要进行互联的工业设备已经部署在工业现场执行生产任务，这些设备存在着系统架构不同、通信协议不同等异构特性，特别是大量设备存在私有协议，给互联互通带来很多困难，如果将这些工业设备全部更新换代成统一标准的接口终端设备，需要耗费大量的资金，这是很难实现的。既然工业设备的标准化难以实现，那么在为项目选型工业网关时，就需要考虑该网关是否支持对应的通信协议。选型考虑的因素02（2）支持的设备通信接口工业网关选型时，需要根据现场工业设备的接口、串口种类和数量需求，选择符合要求的工业网关产品，否则需要增加转接设备，增加额外成本。（3）可转发的平台接口工业网关采集到工业设备数据之后，需要把数据转发到工业互联网平台，因此需要具备转发到工业互联网平台的接口协议，在选型的时候需要考虑选用的工业网关的转发接口是否匹配要对接的工业互联网平台。选型考虑的因素02（4）最大的采集点数数据采集点数也是工业网关的重要影响因素，为项目选型工业网关时，需要根据业务需求和设备采集点位置信息进行考虑，网关最大支持的采集点数必须大于业务需求的点数，并留有一定的冗余，以保证扩展性；其次，要保证传输精度和采集速度，从而确保数据的准确性和实时性。选型考虑的因素02此处的联网方式是指工业网关与工业互联网平台的联网通信方式。工业网关的联网方式与使用环境相关，通常的联网方式有：蜂窝（4G、5G等）、以太网、Wi-Fi等。需要根据工业现场环境、平台服务器部署要求来确定联网方式。（5）网关的联网方式选型考虑的因素02（6）网关的可靠性鉴于工业的高可靠性要求，工业网关应满足恶劣的工业现场环境和日益复杂的工业过程控制要求。网关需要坚固耐用，具有较宽的工作温度范围、较强的抗电磁干扰能力等。除此之外，需要保证数据采集及通信的可靠性，在最大最小通信速率下，数据丢包率和数据错误率要在允许的误差范围内。选型考虑的因素02（7）网关的硬件配置网关的硬件配置影响其存储和运算能力，从而影响网关的最大采集点数、采集频率、断点续传能力等。因此，在对工业网关选型时，需要匹配项目需求进行综合考虑。网关的硬件配置一般包含CPU、内存及硬盘配置。CPU作为系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。目前工业网关使用的CPU主要有3种，一是使用单片机；二是使用ARM架构；三是使用x86架构。内存也称为内存储器或主存储器，是系统的重要部件之一。内存的运行速度也决定了计算机整体运行的快慢。硬盘是网关主要的存储设备，除存储程序固件及配置文件外，还缓存一些数据。例如：在网络不佳的情况下，工业网关采集的数据暂时无法实时上传至平台，此时这些数据将存储在硬盘内，等网络恢复通信时，工业网关再将这些数据上传至平台。选型考虑的因素02（8）网关边缘的计算能力随着计算能力的不断下沉，已涌现出越来越多的边缘计算网关。现场采集的实时数据在工业网关内部进行本地处理、清洗、存储，甚至在本地完成分析和决策，最后将数据上传到云端。这样减少了单个传感器和云端的计算负担，以及机器与机器之间的沟通流量。如果工业现场对快速处理并反馈设备的实时数据有明确需求，选型工业网关可以把边缘计算能力考虑进去。03PARTTHREE一般网关设备的结构一般网关设备的结构03工业智能网关的结构组成一般可分为七个部分，分别是无线输出接口、指示灯、设备接口、设备型号、调试口、输出接口、电源接口。一般网关设备的结构03不同型号的工业智能网关，指示灯也有所不同，一般情况下，指示灯类型有SYS（系统指示灯）、PWR（电源指示灯）、WAN（网络指示灯）、DAQ（数据采集示灯）、RUN（运行指示灯）、ERR（故障指示灯）六种。一般网关设备的结构03工业网关接口：串行接口一般网关设备的结构03工业网关接口：网口最常用的是RJ-45连接头，俗称“水晶头”，属于双绞线以太网接口类型。一般网关设备的结构03工业智能网关的电源接口采用三芯凤凰接线端子，与电源适配器连接作为电源输入端。相较于普通电源插头，接线端子的牢固性更佳，对于工业现场设备的正常运行来说非常重要，在工业自动化控制、军工设备、工控设备、通讯设备、电力设备等领域中都起到重要的连接作用。电源接口引脚定义分别为：1：电源正极；2：电源负极；3：电源接地端。电源接口位置位于设备底面板，方便接线，靠近网口侧为“+”。一般网关设备的结构034G通信技术，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。应用4G技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100Mbps。Wi-Fi在中文里又称作“行动热点”,工业级Wi-Fi智能网关护性高、稳定性好，可以很好地应对复杂恶劣的工业现场环境。5G是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，未来在工业领域丰富的融合应用场景将为工业体系变革带来极大潜力，使能工业智能化发展。Wi-Fi4G5G04PARTFOUR如何匹配合适的设备如何匹配合适的设备04在更为复杂化的工业现场，有大量的种类不一的设备，包括各种仪器仪表、传感器、工业机器人、PLC、智能工业设备以及上位机等，它们的通信网络接口种类多、协议繁杂、互不兼容；同时，还需要网关及时的处理、存储、上传产生的大量工业数据。因此，工业智能网关除了应具备将不同技术、不同协议的设备桥接在一起的能力外，同时还应具备以下能力：如何匹配合适的设备04数据缓存、计算、上传能力工业智能网关需要具备数据缓存、本地计算（雾计算/边缘计算）、数据上传的能力。对下解析能力工业智能网关需要具备对下的协议解析能力，包括Modbus、PPI、MPI、CNC以及现场总线等通信协议。对上协议对接、通讯能力工业智能网关需要具备对上（IT系统）的协议对接能力和通信能力，包括工业以太网、Wi-Fi、4G、5G、NB-IoT等。如何匹配合适的设备04考虑因素项目要求设备匹配/技术选型支持的工业通信协议本项目要求使用的工业通信协议为SIEMENSS7-1200_Network支持西门子、三菱等多个品牌的500多种协议设备接口本项目要求使用以太网口进行连接具有串行接口、以太网口、4G转发接口本项目需要把采集到的数据转发到工业互联网平台支持包括互联网平台在内的30多种转发接口采集点数本项目要求需要的采集点数不多于500个满足最大1000个采集点联网方式本项目要求采用4G上网方式支持WIFI、WAN、移动网络三种上网方式考虑因素项目要求设备匹配/技术选型可靠性要求本项目的使用环境为室内，环境温度为-10℃-40℃，环境湿度为20-70％RH，无其他特殊要求工作温度：-25～55℃存储温度：-40～70℃环境湿度：10～90％RH（无冷凝）电磁兼容：CE、FCC认证，EMC3级IP防护：40采集频率本项目要求最低采集周期为1s最快采集周期20ms断点续传