基于工业网关的设备互联标准化方案

引 言

具有一定规模的自动化企业中通常包含多个工控子系统， 如钢铁企业包含电力系统、燃气系统、氮氧氩系统、压缩空气系统、热力系统、水道系统和环保系统等[1]。多样化的工控系统所采用的传感网络也是多样的：从接触式的限位、微动开关到非接触式的光电、接近开关，再到视觉、位移传感器等。所支持的设备和协议也种类繁多 ：各种厂商的 PLC、DCS、PC-Based、PXI、嵌入式系统、SCADA、变频与传动设备、现场仪表、 执行机构等设备 ；RS 232/422/485、Ethernet、WiFi、ZigBee 等通讯链路 ；一些通用协议如 Modbus、OPC、IEC-104、IEEE1888 以及各种不同厂家的专有协议。这些设备和技术大都来自中、欧、美等不同国家，所采用的现场总线标准不统一，多是由自己开发，相互之间无法兼容。

现场总线的标准涉及到各国各公司之间的利益之争，至今未能得到统一[2]。大量来自于不同生产厂商的设备，采用不同的通讯方式导致设备之间互联困难，子系统之间相互独立， 资源无法实现共享。若通过采用多种设备共同协作——工控计算机、工业软件、串口服务器等——以实现设备的互联， 则对使用人员的素质要求更高，而且设备之间联系更加错综复杂，系统变得更加脆弱，最终导致企业自动化系统的相应部署、调试与维护管理的成本剧增。

工业互联网发展的最大障碍即标准不统一[3]。目前，行业内的多总线并行体系已然形成，相应的终端设备已经大量地部署在工业现场，如果将这些终端设备全部更新换代成使用统一标准接口的终端设备需要耗费大量的资金，这是很难实现的[4]。既然终端设备的标准化难以实现，若通过一个兼容多协议、多接口的中间平台采集来自不同通信协议的数据，并进行标准化处理，将会是一个可行、易行的解决方案。

1 工业互联网的技术架构

传统的“两化”融合所采用的是美国 AMR 公司提出的三层系统结构，即过程控制系统层（Process Control System， PCS）、制造执行系统层（Manufacturing Execution System， MES）、企业资源规划层（Enterprise Resource Planning，ERP）[5]。层与层之间的联接基本没有标准可以遵循。ERP 层与MES 层同属于信息化的范畴，它们之间的联接相对比较容易实现。而PCS层，由于设备的多样性，导致其与MES 层之间联接的复杂程度更高。

将多种仪表、传感器和控制器等构成的传感网络接入到信息网络是实现工业互联网的关键。一种易行的解决方案是 ：以工业网关为核心设备，在 PCS 层与MES 层之间构建一个标准化的通信平台——信息通信技术层（Information Communication Technology，ICT），具体如图 1 所示。

网关的作用是连接两个或多个异构的网络，使之能够相互通信[6]。ICT 层即基于此功能，将异构传感网络融入工业互联网，在工业现场的多种总线协议与要求的通信协议之间进行协议转换，实现不同协议之间的数据交互。但工业网关与普通互联网网关设备的工作环境不同，工业网关还须针对苛刻的工业应用环境以及客户的特殊要求进行相应的优化定制。

2 工业网关

ICT 层的工业网关是联接传感网络与信息网络的中转站。其主要特点如下：

（1）工业网关与信息网络联接，需要拥有普通互联网路由器的基本功能，能够为工程师提供远程平台，允许用户通过信息网络对工控网络进行实时远程诊断、调试、管理，减少现场实地巡查的次数。

（2）传统的工控网络多是封闭、 孤立式的总线网络 [7]。在这样“信息 孤岛”式的网络环境下，为了提高通 信的效率，多采用未进行任何加密 保护的“明码”形式进行数据传输。 在与信息网络联接之后，这些“明码” 传输的数据以及工控网络直接暴露 在所有信息网络的用户面前，病毒、 骇客的问题也随之而来。关键数据 被窃取以及工控网络瘫痪等导致的 损失都是难以估量的。所以通信网 关应具备多种防护技术，能够主动 实时地监控、识别、报警、阻挡来 自信息网络对工控系统的数据攻击、 窃取、篡改、破坏等行为，保障系统 网络信息安全。 

（3）工业网关要应对传感网络 设备的多总线并行问题。为实现传感 网络的快速接入，工业网关应与传 感网络设备之间能够直接进行通信。 工业网关需要具备多种行业接口， 兼容多种现行的协议，并整合多种 设备功能于一身以灵活应用于多种 场景。

（4）作为产品级设备，工业网 关应该简单易用，使相关人员通过 简单的培训甚至自学就可以掌握其 基本的使用。而作为工业级设备， 稳定可靠是必需的，具有宽工作温 度范围、强抗电磁干扰能力、断线缓存能力等。 

归结起来，工业网关应具备 6 项特性 ：①远程管理 ；② 安全互联；③智能应用；④稳定可靠；⑤简单易用；⑥降低成本。 

图 2 所示为 SymLink-GAP 工业安全网关的系统架构。 该架构内部由两个独立主机系统组成，其内网主机连接受保 护网络（如工控网络），外网主机连接信息网络（如因特网）。 内网兼容各类主流 PLC、智能仪表、现场总线协议等数据接入， 外网提供以标准协议将数据转发给第三方或数据库。在内网 主机与外网主机之间，物理层采用专有隔离硬件，链路层和应 用层采用私有通信协议，并对数据流进行单向控制，数据仅由 内网向外网单向传输。

3 应 用

图 3 所示是工业网关应用于某钢铁企业能源管理中心系统的示意图。其目的是实现能源介质数据采集、能源设备状态 监控、在线运行管理、优化节能调度和基础能源管理等功能。 

工业网关整合通讯接口服务器、工控机、工控软件的功 能于一体。系统通过工业网关采集必要的底层系统的数据， 并将这些数据自动、完整、实时地推送到实时 / 历史数据库， 达到能源管理系统的综合监控和管理要求。

4 结 语

针对工业现场设备复杂繁多、多种现场总线长期共存而 导致企业两化建设与维护成本居高不下的现状，提出基于工 业互联网网关的 ICT 中间平台通信标准化方案，既可避免已 有现场设备的更新换代，又能实现低成本的现场设备互联互 通。并基于工业互联网的应用提出工业通信网关需要具备的 六项重要特性。为工业互联网多样化的设备之间互联互通提 供一种标准、易行的方案。