工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)的融合成為博弈的焦點(diǎn)。工業(yè)企業(yè)面臨設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集問題，原因有二：一是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)碎片化突出，短期內(nèi)無法統(tǒng)一工業(yè)協(xié)議、接口、總線標(biāo)準(zhǔn)；二是國內(nèi)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化程度低，數(shù)據(jù)采集困難。

為了解決這個(gè)問題，市場上出現(xiàn)了各種工業(yè)網(wǎng)關(guān)，但產(chǎn)品的功能和性能參差不齊。用戶面臨工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的硬件選擇問題；同時(shí)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)本身的接入能力和各項(xiàng)指標(biāo)也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的評(píng)價(jià)體系。

面對(duì)上述問題，通過對(duì)網(wǎng)關(guān)的深入研究，梳理出網(wǎng)關(guān)的分類和關(guān)鍵指標(biāo)，旨在推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

1 工業(yè)網(wǎng)關(guān)概述

工業(yè)網(wǎng)關(guān)是連接互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)與控制層的核心設(shè)備，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中起到鏈接作用。上層為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等，下層為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)控機(jī)床（CNC）、傳感器等.

在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)可以位于傳感器和設(shè)備之間，也可以位于云之間。通過邊緣節(jié)點(diǎn)，可以在近傳感器端進(jìn)行大量的分析和過濾。網(wǎng)關(guān)具有高擴(kuò)展性、高性價(jià)比、高安全性等多種優(yōu)勢。

圖1 各種工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的連接拓?fù)?/p>

各種工業(yè)網(wǎng)關(guān)的連接拓?fù)淙鐖D1所示。PLC網(wǎng)關(guān)連接各種PLC控制器，收集PLC控制信息，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、控制等功能； CNC網(wǎng)關(guān)收集CNC系統(tǒng)和機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息，機(jī)器人網(wǎng)關(guān)連接工業(yè)機(jī)器人，DCS網(wǎng)關(guān)收集DCS的運(yùn)行情況。狀態(tài)、振動(dòng)傳感器和溫度傳感器可以連接到網(wǎng)關(guān)以感知振動(dòng)和溫度信息。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工業(yè)異構(gòu)設(shè)備的互聯(lián)互通，可網(wǎng)關(guān)下發(fā)云端，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備上云。因此，工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)備。

2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)分類

根據(jù)對(duì)市場主流物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的調(diào)查研究，從轉(zhuǎn)發(fā)通信方式、轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議、采集對(duì)象、邊緣計(jì)算能力、安全能力、應(yīng)用行業(yè)、采集接口等維度對(duì)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分類。

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)通信方式維度

對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)通信方式的維度，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為：以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、通用無線（GPRS）工業(yè)網(wǎng)關(guān)、無線互聯(lián)網(wǎng)（WiFi）工業(yè)網(wǎng)關(guān)、第四代通信技術(shù)（4G）工業(yè)網(wǎng)關(guān)、窄帶互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程無線通信 (LORA) 工業(yè)網(wǎng)關(guān)。轉(zhuǎn)發(fā)通信方式如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)發(fā)通信方式

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議維度

從轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議維度劃分，網(wǎng)關(guān)可分為：ModbusRTU工業(yè)網(wǎng)關(guān)、ModbusTCP工業(yè)網(wǎng)關(guān)、OPCUA工業(yè)網(wǎng)關(guān)、MQTT工業(yè)網(wǎng)關(guān)、HTTPS工業(yè)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)、BACNET工業(yè)網(wǎng)關(guān)、IEC104工業(yè)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的物理接口和支持的協(xié)議如表2所示。

表2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)物理接口及支持的協(xié)議

2.3 采集對(duì)象維度

根據(jù)采集對(duì)象維度，網(wǎng)關(guān)可分為機(jī)器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)、數(shù)控機(jī)床工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PLC工業(yè)網(wǎng)關(guān)、儀表工業(yè)網(wǎng)關(guān)（DCS工業(yè)網(wǎng)關(guān)）。機(jī)器人工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集機(jī)器人控制器的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、各運(yùn)動(dòng)軸坐標(biāo)值等信息。

數(shù)控機(jī)床工業(yè)網(wǎng)關(guān)收集數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的信息，包括系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行模式、報(bào)警信息、進(jìn)給速度和倍率、主軸轉(zhuǎn)速和倍率、代號(hào)、坐標(biāo)值等信息。 PLC工業(yè)網(wǎng)關(guān)具有采集各品牌PLC I/O量、自動(dòng)化成套設(shè)備及傳感器I/O量、MODBUS協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。儀器儀表工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以從數(shù)字儀器和各種傳感器中收集數(shù)據(jù)。

2.4 邊緣計(jì)算能力維度

從邊緣計(jì)算能力維度，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為透傳級(jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、基礎(chǔ)級(jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算級(jí)工業(yè)網(wǎng)關(guān)。其中，透傳級(jí)網(wǎng)關(guān)沒有協(xié)議包解析，只支持透傳；基礎(chǔ)級(jí)網(wǎng)關(guān)支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、協(xié)議分析、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、斷線續(xù)傳、遠(yuǎn)程控制；邊緣計(jì)算級(jí)網(wǎng)關(guān)在基礎(chǔ)級(jí)的基礎(chǔ)上，增加了邊緣計(jì)算、本地告警、邊緣控制。

2.5工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 安全維度

從安全維度來看，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)和邊界隔離工業(yè)網(wǎng)關(guān)。

2.6 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用行業(yè)維度

從應(yīng)用行業(yè)維度來看，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為電力行業(yè)通信管理機(jī)、石化功能安全遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、智能樓宇（BACnet）網(wǎng)關(guān)等。

2.7 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采集接口維度

從采集接口維度劃分，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可分為采集網(wǎng)關(guān)和協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

3 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)

工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為連接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和設(shè)備層的窗口，應(yīng)支持多種網(wǎng)絡(luò)格式，并具有多種行業(yè)接口，可與多種異構(gòu)設(shè)備直接通信。通過有線和無線多種連接方式連接工業(yè)以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，并與云平臺(tái)連接，使終端設(shè)備有效連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。處理系統(tǒng)級(jí)和平臺(tái)級(jí)的對(duì)接相對(duì)容易，但涉及到控制層的異構(gòu)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)起來就復(fù)雜得多。要實(shí)現(xiàn)上述功能，工業(yè)網(wǎng)關(guān)至少應(yīng)滿足以下關(guān)鍵指標(biāo)。

3.1 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)接入能力

工業(yè)網(wǎng)關(guān)的主要功能是連接性。需要根據(jù)具體應(yīng)用場景支持不同廠家的PLC、CNC、DCS等現(xiàn)場控制設(shè)備，提供各類標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議傳輸數(shù)字、模擬、脈沖等信號(hào)量。互聯(lián)接入能力首先要解決異構(gòu)工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)能力。工業(yè)設(shè)備目前具有系統(tǒng)架構(gòu)不同、通信協(xié)議不同等異構(gòu)特性。尤其是大量設(shè)備有私有協(xié)議，給互聯(lián)帶來了很多困難。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)已開始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，解決互聯(lián)互通問題。例如，數(shù)字系統(tǒng)互聯(lián)目前國內(nèi)外有OPCUA標(biāo)準(zhǔn)、MTCONNECT標(biāo)準(zhǔn)和Nclink標(biāo)準(zhǔn)，但大部分CNC廠商仍然使用自己的專有軟件開發(fā)包（SDK）來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。同樣，不同的PLC廠商也有自己的通訊協(xié)議。數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)互通的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和PLC通訊協(xié)議見表3和表4。

表 3 數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

表4 PLC通訊協(xié)議

3.2 數(shù)據(jù)采集能力

數(shù)據(jù)采集也是工業(yè)網(wǎng)關(guān)的必備功能。首先，必須有足夠的點(diǎn)容量來訪問更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且應(yīng)該保留一些冗余以確保可擴(kuò)展性。其次，要保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和采集率，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3.3 可靠傳輸能力

鑒于行業(yè)對(duì)可靠性的高要求，工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和日益復(fù)雜的工業(yè)過程控制要求。網(wǎng)關(guān)需要堅(jiān)固耐用，工作溫度范圍寬，抗電磁干擾能力強(qiáng)等。此外，還要保證數(shù)據(jù)采集和通信的可靠性。在最大和最小通信速率下，數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率必須在允許的錯(cuò)誤范圍內(nèi)。

3.4 斷點(diǎn)恢復(fù)能力

為了適應(yīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的不確定性，完善工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的容錯(cuò)機(jī)制，網(wǎng)關(guān)需要具備一定的數(shù)據(jù)緩存能力。在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，網(wǎng)關(guān)繼續(xù)準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)緩存在非易失性設(shè)備中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)，通過轉(zhuǎn)發(fā)通道將緩存的數(shù)據(jù)重新傳輸?shù)焦I(yè)云平臺(tái)。

3.5 本地報(bào)警能力

在網(wǎng)絡(luò)故障、設(shè)備故障等情況下，網(wǎng)關(guān)應(yīng)根據(jù)配置信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供本地告警信息，支持開關(guān)量、模擬量等多種告警類型。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還可以增加智能預(yù)警功能。在向設(shè)備發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包時(shí)，當(dāng)返回速度達(dá)到一定閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)行預(yù)警，提醒操作者注意。

3.6 邊緣計(jì)算能力

隨著計(jì)算能力的不斷下沉，越來越多的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)在現(xiàn)場采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)關(guān)本地進(jìn)行處理、清洗、存儲(chǔ)，甚至分析決策在本地完成，最后將數(shù)據(jù)上傳到云端。這減少了單個(gè)傳感器和云的計(jì)算負(fù)擔(dān)，以及機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信流量。

3.7 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制能力

對(duì)于網(wǎng)關(guān)的運(yùn)維，一些工業(yè)網(wǎng)關(guān)企業(yè)通過部署和管理云平臺(tái)來解決，可以在云端對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程故障排除、操作歷史統(tǒng)計(jì)、用戶權(quán)限控制、設(shè)備跟蹤定位等功能；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障和報(bào)警時(shí)，云平臺(tái)無需到現(xiàn)場即可通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行應(yīng)急處理。

3.8 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)安全防護(hù)能力

工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，可以部署一套安全策略，如提供基于IP地址/端口的防火墻管控能力、提供設(shè)備身份認(rèn)證機(jī)制、傳輸協(xié)議信息加密機(jī)制等，可配置包發(fā)送策略等

3.9 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)可配置性

工業(yè)網(wǎng)關(guān)需要具備一定的可配置性，包括系統(tǒng)管理配置、采集服務(wù)配置、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)配置、邊緣計(jì)算配置、本地告警配置、應(yīng)用程序升級(jí)、通信協(xié)議升級(jí)等。不僅是對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備本身的管理，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的管理都必須通過網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，并且必須獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志和狀態(tài)。

4 產(chǎn)業(yè)網(wǎng)關(guān)發(fā)展趨勢

根據(jù)最新的市場研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到2023年，全球物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)數(shù)量將達(dá)到171.8億臺(tái)，2019-2023年的平均增長率將超過30%。涵蓋的最終應(yīng)用包括商業(yè)零售、航空航天、工業(yè)制造等。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及，工業(yè)網(wǎng)關(guān)必然會(huì)迎來一段蓬勃發(fā)展的時(shí)期。工業(yè)網(wǎng)關(guān)的發(fā)展過程大致是從單一功能的數(shù)據(jù)采集儀，到遠(yuǎn)程終端，再到協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)。

未來的工業(yè)網(wǎng)關(guān)將呈現(xiàn)以下趨勢。

4.1 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)功能集成

工業(yè)網(wǎng)關(guān)不再只是數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，未來會(huì)更強(qiáng)大邊緣計(jì)算、邊緣控制、監(jiān)控預(yù)警等功能。作為工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)一匯聚節(jié)點(diǎn)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以感知、區(qū)分和控制不同的業(yè)務(wù)流，成為智能制造中邊緣側(cè)服務(wù)的管理平臺(tái)。 .時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)、第五代通信技術(shù)（5G）、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)將進(jìn)一步提高工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可控性，實(shí)現(xiàn)IT與OT的真正融合。

4.2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)備異構(gòu)、接口異構(gòu)、協(xié)議異構(gòu)、數(shù)據(jù)異構(gòu)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)功能性能參差不齊，無疑增加了現(xiàn)場實(shí)施的難度，成為設(shè)備互聯(lián)和人機(jī)互聯(lián)的制約因素。瓶頸。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)不斷開放和融合的背景下，工業(yè)網(wǎng)關(guān)也將在一些行業(yè)和應(yīng)用場景中逐步標(biāo)準(zhǔn)化和相對(duì)統(tǒng)一。

4.3 工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)軟件化

隨著底層設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和接口的逐步統(tǒng)一，越來越多的設(shè)備將直接連接上位機(jī)或云平臺(tái)，無需單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)關(guān)盒。網(wǎng)關(guān)的功能，例如協(xié)議分析和數(shù)據(jù)采集，作為單獨(dú)的微服務(wù)集成到云平臺(tái)中，或者直接嵌入到現(xiàn)場設(shè)備中。網(wǎng)關(guān)不再僅依賴硬件存在。可在云端實(shí)現(xiàn)按需軟件定義網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)車間工業(yè)設(shè)備接入的靈活配置和統(tǒng)一管理。

5 結(jié)論

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打破企業(yè)內(nèi)部的信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)通信，促進(jìn)各種工業(yè)數(shù)據(jù)的全流、無縫融合。網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備端入口，助力企業(yè)OT與IT技術(shù)深度融合。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化和復(fù)雜性，沒有單一的供應(yīng)商能夠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中提供端到端的解決方案。因此，需要對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)分領(lǐng)域，從邊緣側(cè)打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最后“一公里”，實(shí)現(xiàn)IT的“一網(wǎng)到底”。網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)。