工业互联网新形势下工业智能网关技术解决方案

符睿

（广东轻工职业技术学院 广东省广州市 510000）

1 引言

中国制造2025 规划核心是实现制造智能化，智能制造催生工业互联网络，由于不同国家工业设备制造商各自为政，增加工业设备系统互联通的难度。工业智能网关完成车间级与系统的互连互通，在智能制造中具有重要地位。OPC UA 是安全可靠，用于工业通讯的数据交互标准规范，是由制造商、科研院校共同参与制定的规范，使得不同操作系统设备可以按照标准格式进行数据交换[1]。2018年TI 公司推出Sitara 系列ARM 处理器，完成各厂家工业通信设备互联通。瑞典HMS 公司Anybus 工业互联SOC 解决方案NP40 是理想的选择。当前以HMS 公司为代表的成熟工业智能网关大多为国外公司，国内仅少数公司有类似产品，本文提供工业智能网关技术解决方案具有重要参考价值。

2 工业互联网概述

工业互联网并非简单的互联网+工业，工业领域的互联包括PLC 控制系统、软件信息系统等互联，工业互联网旨在通过对工业数据进行全面采集，计算预处理与建模分析，实现综合管理、提高效率。根据IIC 对工业互联网的定义，指工业控制系统在线连接，构成多个巨大与人连接的系统，与企业系统及分析方案集成。工业互联网涵盖网络数据与安全体系。工业互联网数据采集可以对照工业互联网体系从数据处理、采集网络等方面分析。

第四次工业革命是以智能制造为代表的颠覆性变革，其核心是人工智能、云计算等为代表的制造业数字化。工业互联网包括诞生于工业4.0 的工厂智能化与和工业物联网相关垂直市场，包括医疗保健、智能交通等[1]。目前全球工业发展理念重塑，竞争优势不断重构。发展智能制造成为主要经济体抢占科技产业革命制高点的共同选择，信息通信技术优化升级深刻调整制造业全球竞争格局，工业互联网成为各国发展智能制造的战略支点。由于工业互联网具有大规模异构特性，同时采集测量数据存在异构性差异。信息安全、系统自愈工业互联网特性表示系统可靠性与稳定性，是鉴别工业互联网技术的主要依据。工业互联网是由多方共同作用，要想保证设备数据安全，对数据实时性获取尤为重要。只有及时获取异常数据信息实时分析处理才能快速做出相应对策，避免危险事态发生。

工业互联网中工业现场数据分散性强，数据单体价值较低，数据状态变化缓慢，对工业互联网数据采集来源从系统角度划分，分为装备物联网、企业外部互联网。从业务角度划分，工业数据来源分为生产工艺、产品设备、运维能耗等多方面。工业数据来源广，需要对数据源价值及分析管理成本等多方面考虑。装备互联网中的数据量大，大多工业数据间具有相关性，要将碎片化数据信息整合关联，对设备运维提供更好的辅助决策。企业信息系统数据存储规范，数据分析投入较低[2]。但数据相比工业现场数据量小，无法反应生产过程细节。企业外部互联网数据获取成本较高，要综合考虑数据应用场景数据价值选择。

工业数据是工业互联网的核心，包括工厂设计数据、控制系统数据、生产规划数据等环节，工业数据使工业系统具有诊断设备故障，帮助企业决策等智能化功能。工业数据分为现场设备与外部数据。现场设备数据通过PLC 等数据采集设备采集，包括仪器仪表数据等；外部数据包括来自互联网市场、客户信息等工厂外部信息。生产管理数据主要缘于信息系统生产数据。工厂数据采集内容包括工厂人员、机器设备、生产原料等。工业互联网数据架构由数据采集与交换、数据建模与分析等构成[3]。数据采集是实现工业各环节数据交换，数据源包括工厂外部的数据；数据建模根据工业生产工艺，在数据基础上建立用户工艺等数字化O 型，为各类决策提供数据支持。

3 工业互联网网关技术研究

当今社会随着科技的发展，物联网与网络世界融合，工业互联网专注于设备与人的交互，具有广阔的应用前景。随着新科技创新革命迅速兴起，其向数字化的转型提升到国家战略高度。工业互联网技术处于平台发展紧要时期，各国给予大力支持。促使包括德国提出工业4.0 等国家提出响应战略发展工业物联网。2015年我国颁布中制造2025 为制造业发展指导纲领，指导工业生产向智能化转型升级，2016年发布工业互联网体系架构，建立满足我国工业发展需求的指导框架。

工业互联网平台是工业互联网的重要部分，以云计算等创新技术等为主要支撑，是互联网+工业领域集成应用。工业互联网平台目标包括提升生产管理效率，对工业生产资源有效分配。对制造业实现数字化具有积极影响，有利于工业生产升级。工业互联网逐步形成自身技术体系，国外企业工业互联网平台已有典范案例，包括西门子MindSphere 平台，比利时-HiaCloud 平台，研发重点是数字环境重构企业生产等场景。我国在工业互联网平台建设处于探索阶段，涵盖行业平台尚未完成，较为成熟的工业互联网平台包括航天云INDICS 平台等。工业互联网网关在网络架构中处于中心位置，网关通常部署在网络边缘，边缘网关研究成为边缘计算机研究的热点。目前对于边缘计算机网关研究较少，主要集中于系统架构、组网研究等[2]。

工业互联网数据采集网络依照网络平台需求构建，工业生产数据通过控制网络从底层设备传输至处理设备，通过控制系统工作站将数据与IT 网络实现互通，为数据传输云端打下良好基础。工业互联网网络包含网络互联网体系，应用支撑体系。以工厂网络IP化改造为基础的工业网络体系，工厂内部网络用于连接控制系统等主体；工厂外部网络用语连接企业上下游与用户。应用支撑体系包括工业与工厂云平台。工业大数据采集关键问题包括数据质量问题，多源数据关联问题，大数据系统集成问题。

图1：智能网关硬件系统结构框架图

网关是复杂网络的互联设备，用于实现不同网络互联通，面对复杂的应用场景网关设备具备不同的功能。物联网是当代互联网的关键部分，物联网将人与人的连接拓展为物-物交互，方便对可能物品的管控，物联网网关主要承担连接感知网与传统网络，其技术包括以太网技术等[3]。当前制造业飞速发展，工业互联网成为物联网技术的重要分支。研究提出基于Raspberry-PI 的网关智能家居系统平台，用于不同通信技术的互操作性，但应用场景较为局限，对工业环境复杂场景不适用。研究设计基于边缘计算机物联网网关监控系统，构建采用Modbus 协议的温湿度报警系统。但主要针对预警功能，系统扩展性较差。普通设备管理系统未针对工业环境特点进行研究，对数据传输等方面功能存在不足，开发针对工业互联网环境的系统非常必要。

4 工业互联网网关系统开发分析

工业互联网平台分为边缘接入层、平台层与应用层。边缘接入层为下层传感器设备接入端口，目的是采集底层网络设备数据等要素进行处理，核心数据收集技术包括设备系统接入。基础设施层基于云服务、虚拟化等技术，实现计算网络等计算机资源模块化管理。工业平台秤是互联网架构中心层，PaaS 层功能包括数据处理计算、算法分析、资源调度等。工业应用层对化工等领域企业活动整合，提炼特定应用场景专业知识，运用人工智能、可视化等新兴技术搭建工业信息化应用模块。主-从机手法数据包格式如表1 所示。

表1：主-从机手法数据包格式

工业环境下数据收集非常重要，工业互联网同物联网协议体系一致，分为子网内传输协议与面向互联网通信协议。子网指厂房内部局域网里，子网内传输协议根据通信方式分为远近距离通信协议。ZigBee 是短距离无线网络技术，适用于数据传输速率低的电子设备间，其优势是能耗低，适用于长时间待机的电子设备。Modbus是工业控制网络通信协议中常用协议，支持数量庞大的自动化设备通信。由于作为开放协议使用简单，在自动化领域得到广泛应用。ModBus 通信模式包括RTU 与ASCII，RTU 模式使用十六进制传送数据，工业应用中常用RTU 模式。Modbus 帧格式由功能码等组成。RFID、Wi-Fi 等是在工业互联网中常用的网络通信技术。

子网外通信协议负责工业环境内部往来设备数据交换，比较流行的协议包括COAP 与MQTT，REST/HTTP 基于HTTP，MQTT优点是解决兼容性问题。REST 是资源表述性状态转化，RESTful满足限制的应用服务，REST/HTTP 以HTTP 协议为基础开发通信，简化互联网资源访问模式，降低客户端与服务器的交互时延。由于工业互联网很多设备内容等方面受限，HTTP 协议不适用，COAP协议提出简化HTTP 协议，常用于无线传感网络。

5 工业互联网网关技术方案设计

基于工业互联网智能网关系统采用CAN 通信方式，是目前应用广泛的现场总线，具有实时性强等特点。采用ARM9 架构微处理器为网关子系统核心控制器，ARM9 微处理器在功耗及运算速度等方面具有较高性价比，采用基于Cortex-M 的多系处理器为采集终端子系统处理器，采用嵌入式Linux 为网关子系统嵌入式操作系统，具有运行稳定及占用资源少等优点，系统具有标准API 接口。智能网关硬件系统结构框架如图1 所示。

工业互联网智能网关系统结构包括环境数据采集系统，监控服务器系统等。传输网络包括无线传感网络模块与工业网络模块。系统采用应答式结合数据传输机制，保证数据传输稳定性，通过不同位置数据采集传感器，利用多种无线网络通信将采集信息上传至数据监控交互中心，实现对整体工业现场数据的监管。工业互联网智能网关系统硬件平台设计影响系统性能，硬件平台包括设备运行采集终端与互联网网关平台。

智能工业互联网网关平台是系统核心，承担多种网络通信协议转换功能，选用基于ARM9 内核Marvell PXA310 核心处理器，扩展外围模块，包含网络模块，ZigBee 模块等。环境数据采集终端实现对工业现场环境数据实时采集，是确保数据及时采集的保障。终端模块采用ARM 架构核心控制器，设计外围最小系统电路，搭配温感器、光照强度传感器等采集环境数据，选用LSDRF4317N01模块[4]。设备运行数据采集终端实现对工业现场设备运行数据采集，选用基于Cortex-M3 架构的STM32L151 为核心控制器，搭配包含电流传感器等设备数据采集传感器，选用FZB5000 系列，是理想数据传输解决方案。

工业互联网智能网关系统软件平台设计承担完成模块系统功能实现，系统软件平台包括嵌入式服务器模块，网关平台模块等。网关平台模块完成模块信息传输，网关平台是运行于嵌入式Linux操作系统中，植入ARM 微处理器中，运行程序中应用程序承担实现主体功能，要进行数据传输交互，驱动程序是硬件模块功能实现驱动接口。数据采集终端模块不需在微处理器中植入操作系统，数据采集终端模块由采集终端与协调器终端组成，采集终端与数据采集传感器连接，是传感网络的终端节点；协调器终端完成系统无线网络构建，将采集数据汇集到网关平台。服务器模块将传统服务器应用于现场景数据采集监控，依托可靠性硬件，使得采集设备数据具备高系统集成性，具有信息发布功能。实现嵌入式服务器模块，通过友好人机界面展现，方便用户对设备控制。

6 结语

当前互联网技术迅速发展，工业互联网相关内容研发成为重点。工业生产环境下设备分布广泛，顺市场数据量庞大，设备管理难度大。工业互联网网关历提出分级管理方法，在网关上增设管理应用，提高云端数据的有效性。物联网将传统通信网络与无线传感网络融合，智能网关将数据有机组合，构建完整的管理系统。本文介绍基于工业互联网的智能网管系统设计方法，通过处理器携带PRUICSS 完成工业控制协议处理，支持工业通信系统包括Ethernet、Profibus 等，实现OT 与IT 互联通，在网关上支持嵌入式内存，方案简化工业智能网关硬件设计。