工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)是孿生而來(lái)，類(lèi)似工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT）與物聯(lián)網(wǎng)也是一對(duì)孿生兄弟。它們把“民用”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升到“工業(yè)”級(jí)別，包括穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、耐用性、擴(kuò)展性和可靠性，當(dāng)然也包括成本提高和供應(yīng)鏈服務(wù)要求提高。以太網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)中最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)手段，從傳感器，上位機(jī)下位機(jī)互聯(lián)和辦公監(jiān)控的主要手段。但是工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)可靠性，實(shí)時(shí)通信和耐用性提出高要求，本文重點(diǎn)分析工業(yè)以太網(wǎng)提升過(guò)程中需要傳感器、設(shè)備DTU、網(wǎng)關(guān)、路由器和邊緣計(jì)算部署趨勢(shì)。

 

 

 

工業(yè)以太網(wǎng)的成功之處

 

以太網(wǎng)兼容了多種總線(xiàn)通訊協(xié)議，形成開(kāi)放的通信標(biāo)準(zhǔn)，使以太網(wǎng)成為L(zhǎng)AN協(xié)議和國(guó)際計(jì)算機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)3.0步入4.0的年代，工業(yè)以太網(wǎng)搭上順風(fēng)車(chē)，只需在“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”上做功夫，重點(diǎn)是分布式實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸速度要求較高、實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)合。

 

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

（比較普通以太網(wǎng)）

 

1. 一是應(yīng)用廣泛。基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，可解決控制系統(tǒng)中不同廠(chǎng)商設(shè)備的兼容和互操作的問(wèn)題，如VB、Java、VC等編程語(yǔ)言都可以支持其應(yīng)用開(kāi)發(fā)。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，就可以選擇多種開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2. 二是通信速率高。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)最高速率只有12M，高速以太網(wǎng)的通信速率可以高達(dá)100M或1000M，目前10G的以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，可以滿(mǎn)足對(duì)帶寬的更高要求。

3. 三是成本低廉。由于以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網(wǎng)卡的價(jià)格只有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的十幾分之一，并隨著技術(shù)發(fā)展還會(huì)進(jìn)一步下降。

4. 四是可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆９I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

 

工業(yè)以太網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)

 

工業(yè)以太網(wǎng)也并不是完美無(wú)缺的。工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)是將普通以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但普通以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮到工業(yè)控制的應(yīng)用需求，因此想要讓以太網(wǎng)適配工業(yè)領(lǐng)域，仍有許多問(wèn)題亟待解決。

 

一方面，普通以太網(wǎng)所用的交換機(jī)，路由器，網(wǎng)關(guān)，DTU和接插件等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，未針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，所以當(dāng)這些商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，不具備基本的安全性能、穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工廠(chǎng)或機(jī)械的工藝應(yīng)用要求決定了工業(yè)以太網(wǎng)需要具備實(shí)時(shí)性，尤其在一些高精度的控制系統(tǒng)中，但普通以太網(wǎng)是“盡力而為”的傳輸，顯然不具有實(shí)時(shí)性。總而言之，工業(yè)環(huán)境的確定性決定了工業(yè)以太網(wǎng)必須可靠穩(wěn)定，交換機(jī)，路由器，網(wǎng)關(guān)和DTU等必須有工業(yè)級(jí)別的選型認(rèn)知。

 

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

 

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的裝置，拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中電纜的布置。工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為星型、環(huán)型、樹(shù)型和線(xiàn)型。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也帶來(lái)了靈活的組網(wǎng)方式。通常，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以支持多種基礎(chǔ)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如星型、鏈型單環(huán)、雙環(huán)、耦合環(huán)、相切環(huán)、相交環(huán)以及多種結(jié)構(gòu)混合組網(wǎng)。

 

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（經(jīng)常與路由器/集線(xiàn)器混合使用）除了具備堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)，可運(yùn)作于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中，還具備網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)控功能，以及系統(tǒng)冗余能力。當(dāng)然，隨之而來(lái)的要求也更多，比如工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)需要防水、防塵、抗震、抗電磁干擾，以及較高的可靠性要求，保證24小時(shí)不間斷長(zhǎng)期運(yùn)行。

 

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，可以構(gòu)建不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、靈活的組網(wǎng)方式、環(huán)網(wǎng)的自愈能力。其中，環(huán)網(wǎng)自愈能力就是環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點(diǎn)。使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)交換機(jī)能自動(dòng)判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當(dāng)優(yōu)先路徑中斷時(shí)自動(dòng)啟用備用路徑，從而實(shí)現(xiàn)快速自愈。更重要的是，利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，可以通過(guò)組建冗余網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的方式也是多種多樣，主要分為STP、RSTP、以及環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing，每種方式都可以縮短網(wǎng)絡(luò)中斷的恢復(fù)時(shí)間，從而達(dá)到工業(yè)環(huán)境對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)拓?fù)鋱?chǎng)景

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具備數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、利用4G/5G/Wifi網(wǎng)絡(luò)/WAN/以太網(wǎng)等為用戶(hù)提供有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能和接入工業(yè)云平臺(tái)與邊緣計(jì)算能力，能多協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)、能夠?qū)崟r(shí)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，或帶有邊緣計(jì)算能力。作為連接感知層與網(wǎng)絡(luò)層的紐帶，具有數(shù)據(jù)交互管理等功能，支持串口/并口/各種視頻I/O，支持采集PLC、傳感器、儀器儀表和各種控制器適合作為大規(guī)模的分布式設(shè)備的接入節(jié)點(diǎn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)選型，要特別注意九點(diǎn)：

1、實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PLC遠(yuǎn)程編程、上下載程序，調(diào)試監(jiān)控，包括西門(mén)子PLC、三菱PLC、歐姆龍PLC、臺(tái)達(dá)PLC、施耐德PLC、匯川、永宏、安川和信捷等主流協(xié)議硬件解析；

2、設(shè)備固件遠(yuǎn)程升級(jí)，程序上下載，包括變頻器，伺服器，儀表儀器的遠(yuǎn)程上下載程序監(jiān)控，遠(yuǎn)程調(diào)試；

3、可同時(shí)與多臺(tái)PLC或觸摸屏遠(yuǎn)程通訊，可靈活接入各種設(shè)備管理平臺(tái)；

4、實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏遠(yuǎn)程控制，以太網(wǎng)和USB接口的PLC/觸摸屏以及串口的觸摸屏；

5、實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)畫(huà)面遠(yuǎn)程映射，支持WINCC、組態(tài)王、力控等等組態(tài)軟件遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程監(jiān)控；

7、開(kāi)放式嵌入式平臺(tái)、支持定制化開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備PLC的參數(shù)輸送到云平臺(tái)上；

8、采用VPN over P2P遠(yuǎn)程安全通訊方式，結(jié)合RSA加密算法確保通訊安全，嚴(yán)防數(shù)據(jù)泄漏；

9、支持?jǐn)嗑€(xiàn)重連，異常恢復(fù)、系統(tǒng)自監(jiān)控，確保設(shè)備實(shí)時(shí)在線(xiàn)，確保監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有多個(gè)細(xì)分名稱(chēng)，包括有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、通訊采集網(wǎng)關(guān)，PLC無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，工業(yè)通訊網(wǎng)關(guān)，和傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一款具備挖掘工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)并接入到云平臺(tái)的智能嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用范圍廣，無(wú)需布線(xiàn)，減少運(yùn)維成本，安裝便捷，即插即用，可以快速幫助用戶(hù)接入高速互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

 

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

 

工業(yè)網(wǎng)關(guān)的職責(zé)是采集數(shù)據(jù)，是在設(shè)備與云之間承上啟下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化設(shè)備。在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語(yǔ)言，甚至體系結(jié)構(gòu)完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)翻譯器。網(wǎng)關(guān)對(duì)收到的信息要重新打包，以適應(yīng)目的系統(tǒng)的需求。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)也可以提供過(guò)濾和安全功能。相比于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議更加多樣。網(wǎng)關(guān)的重要性也就由此凸顯——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠把收集到的信息整合起來(lái)，并且把它傳輸?shù)较乱粚哟危蚨畔⒉拍茉诟鞑糠种g相互傳輸。

 

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類(lèi)型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。隨著企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)部門(mén)和其他部門(mén)相互聯(lián)系的不斷增多，網(wǎng)關(guān)能夠從設(shè)備和供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)獲得信息，能夠給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)（提高生產(chǎn)信息的實(shí)用性和有效性），以及能夠在生產(chǎn)線(xiàn)、本地或遠(yuǎn)程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)和維護(hù)，前提是擁有適當(dāng)?shù)陌踩P(guān)權(quán)限。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

典型連接設(shè)備舉例

 

（1）電力行業(yè)：電力遠(yuǎn)程抄表，變電站監(jiān)測(cè)，電力線(xiàn)路監(jiān)測(cè)，配電網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（2）水利行業(yè)：水質(zhì)監(jiān)測(cè),水庫(kù)閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案，水利GPRS調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用方案，水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）石油行業(yè):油氣井的遠(yuǎn)程監(jiān)控，GPRS遠(yuǎn)程油田自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)方案。

（4）市政行業(yè)：路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，城市能耗監(jiān)測(cè)。

（5）環(huán)保行業(yè)：污染源監(jiān)測(cè)，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，噪音監(jiān)測(cè)，粉塵監(jiān)測(cè)。

（6）農(nóng)業(yè)應(yīng)用：大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理，水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)管理，農(nóng)業(yè)水泵監(jiān)測(cè)管理。

（7）其它行業(yè)：倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控管理，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程起重機(jī)管理系統(tǒng)，工業(yè)能耗監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，加油站GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，GPRS氣象信息采集系統(tǒng)。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)推薦

 

瑞芯微RK3288邊緣計(jì)算智能網(wǎng)關(guān)

 

 

ISG-210協(xié)議轉(zhuǎn)換智能網(wǎng)關(guān)

 

 

關(guān)ISG-300高性能低功耗邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

 

 

ISG-200通用標(biāo)準(zhǔn)智能網(wǎng)關(guān)   

 

 

ISG-100高性能協(xié)議轉(zhuǎn)換智能網(wǎng)關(guān)

 

工業(yè)DTU以及特點(diǎn)

 

數(shù)據(jù)傳輸單元DTU(Data Transfer unit)是專(zhuān)門(mén)用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備。它采用高性能工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，5G/4G向下兼容，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)鏈路任何時(shí)候暢通，為用戶(hù)提供高速、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

 

DTU是適用最多的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通信裝置，每臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都要占用一個(gè)TDU接口才能與IP網(wǎng)絡(luò)連接。為了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)方便快捷的進(jìn)行設(shè)備布置和在嚴(yán)酷環(huán)境下使用，DTU選型有下面10個(gè)要素：

1. 精選工業(yè)級(jí)器件，抗干擾設(shè)計(jì)，全金屬結(jié)構(gòu), 適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求

2. 寬壓電源設(shè)計(jì)，支持DC5V-35V電源輸入，內(nèi)置電源反向保護(hù)和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)

3. 提供多路串口，支持自定義串口為業(yè)務(wù)串口或數(shù)據(jù)串口鏈路配置

4. 支持基于4G網(wǎng)絡(luò)向下兼容2G/3G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接入方式

5. 內(nèi)置硬件看門(mén)狗，定期檢測(cè)機(jī)制，設(shè)備異常自動(dòng)復(fù)位

6. 多中心模式/多備份模式，本地串口升級(jí)和遠(yuǎn)程軟件升級(jí)

7. 多種協(xié)議上位開(kāi)發(fā)包支持(兼容多家DTU廠(chǎng)家的通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)DTU的無(wú)縫替換)

8. 支持ICMP、LCP鏈路檢測(cè)技術(shù)，支持心跳保活，保障網(wǎng)絡(luò)和通信穩(wěn)定可靠

9. 支持TCP/UDP/DUTCP/DCUDP等多種連接協(xié)議

10.支持多種加密方式，保證數(shù)據(jù)的安全傳輸

 

 

 

 

寫(xiě)在最后

從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域仍然將是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)并存發(fā)展，但在工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展趨勢(shì)下，全面替代現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的進(jìn)程是無(wú)可避免的。毫無(wú)疑問(wèn)，工業(yè)以太網(wǎng)的可靠穩(wěn)定性必將成為未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)方向，而上述提到的連接器、電阻器、電纜等元件就是其不可忽視的“制勝法寶”。

 

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