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关于制造业物联网网关设备的研讨

发布时间:2019-01-10 01:06:07 文章来源:未来智讯    
    关于制造业物联网网关设备的研讨作者:未知   摘 要   在综合分析我国制造业发展现状的基础上,针对制造现场中生产设备以及抑制系统之间因通讯协议不同而难以实现互联互通的问题,选取物联网网关设备以满足需求,分析了物联网网关技能的特征与体系结构,对于其应用于制造业的现状做出研讨,提出了设备的系统结构,并按照功能划分模块,最后给出了物联网网关设备在制造过程中的应用案例,对进一步研讨制造业信息化与服务化的未来趋势有一定参考价值。
  【关键词】制造业 物联网 网关 通讯协议
  我国制造业目前正面临着各种各样的难题和挑战,先进制造技能的兴起和应用,全球经济一体化所带来的国内外市场竞争加剧的影响,都在促使当今社会对企业提高产品质量,降低生产成本,缩短生产周期,削减资源消耗,提供售后服务等多方面都提出了更高的需求,而物联网技能作为新兴的先进信息技能,是制造业信息化发展的重要组成局部。2011年7月,我国科技部发布的《国家十二五科学和技能发展规划》将物联网作为新一代信息技能纳入国家重点发展的战略性新兴家当。
  但是,受限于我国传统生产模式的束缚,物联网的应用在定位和特征方面仍存在争议,缺少统一的标准与架构,尤其在通讯协议与标准这方面,制造业工场车间中不同的生产设备之间仍在使用大量不同类型的通讯与抑制协议,这涉及到多个技能领域,如自动化抑制标准,电网通讯协议,RFID等,就目前而言,没有任何一个统一标准来实现制造现场的物联通讯,因此,如何有效集成、转换、共享现有的通讯协议以变成协议体系是一个亟待解决的问题。需要一种物联通讯设备,通过提供制造业现场生产设备的信息集成与协议转换能力,以实现不同设备或者管理抑制系统的互联互通。在这种需求前提下,物联网网关设备能够作为解决方案应用于制造现场之中。
  1 物联网网关技能
  通讯问题是异构网络最基本的问题,关系到应用服务数据获取与追踪,以及相关信息感知与传输的方法,不同的应用场景衍生出了不同的调制、编码、网络形式,这种通讯方式的多样性导致了相互分离的信息孤岛问题的变成,成为了物联网进一步发展需要突破的难题。物联网网关技能,是针对感知层与网络层之间存在的协议通讯问题而产生的。
  物联网的接入方式有很多种,如广域的ISDN(综合业务数字网)、短距离的ZigBee等,物联网网关设备即一种将整合多种接入方式,统一接入指标网络的关键设备。在物联网体系之中,物联网网关可以起到感知网络与传统通讯网络之间数据传输的枢纽作用,以实现二者之间以及其他多种不同种类的感知网络之间的协议转换。此外,物联网网关同时还兼具设备的可配置性和可管理性,用户能够通过网络平台对网关设备进行配置与管理,最终,用户还能够对感知层的各个节点的状态信息进行实时性的获取,并可以完成远程的管控操作。
  2 物联网网关设备系统结构
  在针对目前制造业测控领域多通讯标准与现场总线协议并存的前提背景下,研讨如何将两种或者多种通讯协议系统进行集成是一大研讨热点,而网关则为系统集成提供了很好的解决方案。物联网网关设备能够作为工业级网关抑制器,实现制造现场由不同的生产设备及管理抑制系统所构成的多种异构网络之间的协议转换。
  2.1 设备系统组成结构
  如图1所示,从组成结构方面来看,物联网网关设备能够分为两层:软件层以及硬件层。硬件层主要由高本能的嵌入式微处理器和围绕其搭建的外围硬件接口组成,软件层则由嵌入式实时操作系统和可在此操作系统上运行的应用程序组成。
  2.1.1 硬件层面
  嵌入式微处理器是其核心设备,根据制造现场的设备与抑制系统的实际情况,提供多路的硬件接口,以保证不同的制造设备与抑制系统的接入能力;选择时钟频率较高的且指令执行时间较短的微处理器,据此需求可选用ARM9微处理器,可以进一步提升物联通讯设备的数据处理分析功能;除此之外,硬件层还包括FLASH闪存芯片和SDRAM(同步动态随机存储器),以保障制造数据的存储。
  2.1.2 软件层面
  主要以嵌入式操作系统为核心,这里能够选用Linux系统,它是能将物联通讯设备接入工业现场标准化的多个异构网络而不是使用昂贵的PC机才能够的关键。支持底层现场设备所使用的多种类型的工业通讯和现场总线协议,同时,支持TCP/IP等互联网协议,以连通上层信息管理系统。包括管理配置模块保证物联通讯设备的可管理性与可配置性,运行在嵌入式操作系统上的应用程序,则为用户提供协议转换、日志管理、平安认证、数据入库等多方面的功能。
  2.2 设备应用体系结构
  物联网网关设备的总体应用系统结构图2所示,底层现场设备通过不同的接入方式连接到物联通讯设备,制造数据传输过程使用不同的通讯协议,物联通讯设备支持大量主流工业通讯标准和现场总线协议,在完成现场设备的数据采集之后,根据需要,一方面实现不同协议之间转换,以完成不同现场设备和抑制系统之间数据信息的存储和传输,另一反面,物联通讯设备能够通过以太网、3G、WIFI、GPRS等接入方式,将现场设备和抑制系统接入外部互联网,以连接上层信息管理系统和执行系统。通过这种方式,物联通讯设备能够作为企业制造过程的核心设备,实现整个制造过程的资源管理、任务调度和设备管控等。
  3 系统功能模块
  针对制造企业当前的需求分析,对物联通讯设备的功能模块进行分析,整体上能够将系统分为三个模块,包括接入模块、协议转换模块和数据服务与配置管理模块,如图3所示。
  3.1 接入模块
  该模块主要由制造业生产现场设备与抑制系统所分辨使用的协议网络接入模块构成,主要是实现这些异构网络的接入,如现场总线协议网络、OPC协议网络、WSN网络和RFID网络等,同时,提供对于上层信息管理系统数据信息传输所使用的互联网协议网络的接入能力,如以太网。   3.2 协议转换模块
  此模块是网关设备的核心模块,主要提供不同通讯标准与现场总线协议的协议转换能力,参考互联网OSI模型,协议转换过程能够发生在物理层,也能够在数据链路层和应用层进行。
  在物理层,现场设备与抑制系统的互联能够通过中继器(repeater)实现,如RS485,然而其不具备存储转发功能,不过对比特流进行拷贝然后转发,所传输的数据并不做任何转换。
  在数据链路层,主要能够选取网桥(bridge)设备来进行设备与抑制系统的连接,制造数据信息的采集与传输是以帧为单位,某条链路接收到数据信息之后,网桥设备会先在数据链路层对其协议帧的首部进行解析,再根据解析到的内存地址将数据信息转发至另一条链路。
  在数据链路层以上各层,尤其是应用层,需要使用网关设备进行不同协议设备与抑制系统的连通,其能够单向或者双向连接异构网络。针对制造业现场的情况,不同的工业通讯标准和现场总线协议,以及以太网之间,在数据链路层和应用层的协议都是截然不同的,因此,主要应用网关设备实现制造业现场设备与抑制系统之间的协议转换。如图4所示,网关设备内部的协议转换过程主要是由设备1发送制造数据,经由网关设备在各个不同的层次进行解包,得到报文中的原始制造数据,在按照协议2的规约进行逐层封装打包,并最后将制造数据传送给设备2。
  3.3 数据服务与配置管理模块
  该模块的作用主要关系到的是物联网网关设备的服务质量,主要通过搭建网络管理系统平台,为用户提供数据服务功能,包括日志查询、数据浏览、设备配置管理、平安认证和远程维护等多种数据服务,同时,设备可提供两种数据存储方式,一个是通过ODBC(开放数据库互联)的方式进数据接入数据库,另一个是XML文档,且通过数据服务管理能够实现两种方式的协同。此外,该模块还可通过接入工业互联网,支持WEB服务,可以连接上层信息管理系统并数据信息进行传送。
  4 物联网网关设备的制造业应用案例
  物联网网关设备能够作为企业级抑制器,应用于企业制造过程中现场设备层与中间执行抑制层之间,作为MES系统的核心设备,如图5所示,在MES系统与现场设备之间搭建桥梁。最初物联通讯设备可连接现场如PLC系统、DCS系统和RFID、自动专机、电子看板、条码扫描等设备,通过为其提供所适用的相关协议集成收集起现场实时数据,并存储入MES系统的高频度实时数据库,并通过服务总线将数据应用于MES系统多种服务功能;其次,MES系统以物联通讯设备为核心收集现场数据,并通过其协议转换功能以实现生产车间现场与上层信息管理系统的互联互通,完成制造数据信息与打算安排指令的相互传输。最后以达成企业制造过程一体化协同化的指标。
  5 结束语
  本文在前期研讨的基础上,主要阐述了通过对制造业物联网网关设备的研讨,以解决由于制造业生产现场多种设备与管控系统使用不同通讯协议而难以实现互联互通的问题,分析了物联网网关技能的观念与特征,指出其在物联网体系中的关键作用,进而分析研讨了在作为物联网重要应用领域之一的制造业中,物联网网关设备的主要组成结构和应用体系架构,分析其主要可提供的功能,并将设备系统明确划分为三个模块,最后提出了设备相应的应用案例。对于进一步研讨制造业信息化和服务化的未来发展趋势奠定了一定的基础。
  参考文献
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  作者简介
  陈琛 (1989-),男,山东省潍坊市潍城区人。硕士学位,现为中国海洋大学学生。研讨方向为软件工程。
  作者单位
  1.中国海洋大学 山东省青岛市 266100
  2.青岛海大新星计算机工程中心 山东省青岛市 266071
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