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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）04-066-06中圖分類號(hào)：TP29

★陳淑芳，張人杰，聶佳（上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海200063）

關(guān)鍵詞：異構(gòu)設(shè)備；智能網(wǎng)關(guān)；自適應(yīng)接入

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，接入物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備中存在大量的異構(gòu)設(shè)備，這些設(shè)備支持不同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有不同的特性和要求^[1]，給設(shè)備的接入和管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。

因此，針對(duì)復(fù)雜工業(yè)場景下通信協(xié)議復(fù)雜、泛在接入難、自動(dòng)化和智能化管控能力不足的問題，本文研究構(gòu)建了實(shí)時(shí)性、同步性要求高的異構(gòu)工業(yè)終端設(shè)備的協(xié)議自適應(yīng)接入方法，旨在解決各種不同設(shè)備、不同協(xié)議、不同數(shù)據(jù)格式之間的互聯(lián)與集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備的自適應(yīng)接入、協(xié)議互通和統(tǒng)一化管理^[2]，實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)強(qiáng)實(shí)時(shí)高同步的數(shù)據(jù)交換與通信。

1　方案研究

面向智能制造中高實(shí)時(shí)工控設(shè)備網(wǎng)中異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議自適應(yīng)接入的需求，本文融合工業(yè)4.0中資產(chǎn)管理殼的思想，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)，通過接入層的智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備的多協(xié)議自適應(yīng)接入，將邊緣側(cè)的邊緣計(jì)算、機(jī)理模型等有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)強(qiáng)實(shí)時(shí)高同步的數(shù)據(jù)交換與通信，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了邊緣側(cè)資源調(diào)度與決策。

1.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用邊緣計(jì)算場景下“云-邊-端”三層體系異構(gòu)終端接入機(jī)制，支持海量終端的自適應(yīng)接入^[3]。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入系統(tǒng)架構(gòu)

1.2　智能網(wǎng)關(guān)

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通過研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)融合過程中廣域與局域、無線與有線等端到端傳輸?shù)亩嗄B(tài)協(xié)同機(jī)理，構(gòu)建具備異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議融合與統(tǒng)一的智能網(wǎng)關(guān)，高效處理不同接入方式下的自動(dòng)實(shí)時(shí)感知與行為解析^[4]，并通過設(shè)備管理殼與通信管理殼技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化標(biāo)識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)多協(xié)議設(shè)備的自動(dòng)化接入。基于智能網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入框圖如圖2所示。

圖2 基于智能網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)設(shè)備自適應(yīng)接入框圖

設(shè)計(jì)通用化設(shè)備管理殼，包括設(shè)備庫管理與設(shè)備管理，構(gòu)建邊緣側(cè)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)字化標(biāo)識(shí)，自動(dòng)適配現(xiàn)場總線協(xié)議簇、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簇、OPC協(xié)議簇等，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議自適應(yīng)接入。設(shè)備管理殼主要負(fù)責(zé)設(shè)備的接入、配置、狀態(tài)監(jiān)控及管理工作，通過與設(shè)備的通信，獲取設(shè)備的狀態(tài)、數(shù)據(jù)等信息，并將這些信息處理成統(tǒng)一的格式，供通信管理殼使用。

設(shè)計(jì)通用化通信管理殼，包括通信模型、通信配置以及SDN網(wǎng)絡(luò)管理，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的管理工作，識(shí)別和解析不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成統(tǒng)一的格式，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸。SDN網(wǎng)絡(luò)管理主要用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活管理和調(diào)度、提高網(wǎng)絡(luò)整體效率和安全性、保證網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和可靠性^[5]。

2　自適應(yīng)接入方法

異構(gòu)工業(yè)設(shè)備自適應(yīng)接入技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)不同類型和型號(hào)的工業(yè)設(shè)備之間互聯(lián)互通的解決方案，旨在提高設(shè)備的兼容性和互操作性、促進(jìn)設(shè)備之間的信息共享和協(xié)同工作。需要解決的問題包括設(shè)備的識(shí)別、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換、非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的解析，以及數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。因此自適應(yīng)接入的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

2.1　設(shè)備庫構(gòu)建

在平臺(tái)端建立一個(gè)龐大的設(shè)備庫，包括設(shè)備特征庫和設(shè)備通信庫。錄入數(shù)據(jù)包括設(shè)備廠家和設(shè)備廠家下的各種設(shè)備型號(hào)，針對(duì)每種設(shè)備型號(hào)的通信協(xié)議、特征報(bào)文、參數(shù)模板等，每種參數(shù)模板下涉及的采集報(bào)文，每個(gè)報(bào)文下的采集項(xiàng)名稱及數(shù)據(jù)格式等。通過設(shè)備特征庫進(jìn)行設(shè)備的識(shí)別，通過設(shè)備通信庫進(jìn)行設(shè)備的采集。

在云端建立統(tǒng)一的設(shè)備庫，可對(duì)照?qǐng)D3所示設(shè)備庫框圖，將設(shè)備庫配置分成三個(gè)層次，一是設(shè)備廠家?guī)欤窃O(shè)備廠家下的設(shè)備型號(hào)庫，三是設(shè)備型號(hào)下的采集點(diǎn)信息庫。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場業(yè)務(wù)場景，可形成相對(duì)應(yīng)的采集參數(shù)模板。

圖3 設(shè)備庫框圖

2.2　接口適配

異構(gòu)設(shè)備的多樣性主要包括以下方面：

（1）從設(shè)備多樣性上，按照設(shè)備能力的不同，設(shè)備種類分PLC、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)、閥門、HMI面板等，按照業(yè)務(wù)場景的不同，可選擇設(shè)備直連和設(shè)備非直連的接入方式。設(shè)備直連通過以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等有線方式接入，設(shè)備非直連通過Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)模塊接入。

（2）從接口的多樣性上，數(shù)據(jù)傳輸接口繁多，不同種類的設(shè)備有不同的硬件接口，同一種類的設(shè)備也有不同的接口，包括RS232、RS485、CAN、RJ45等。

（3）從通訊協(xié)議的多樣性上，包括近距離通信、長距離蜂窩通信、有線通信等。近距離通信主要有針對(duì)NFC、RFID、Bluetooth等接口的協(xié)議，遠(yuǎn)距離蜂窩通信主要有針對(duì)3G/4G/5G、NBIoT等接口的協(xié)議，有線通信主要有針對(duì)RS232、RS485、CAN、RJ45等接口的協(xié)議^[6]。

因此，針對(duì)不同種類的設(shè)備、不同種類的接口、不同種類的協(xié)議，需要開發(fā)相應(yīng)的硬件接口適配，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通。

接口適配可以采用面向接口編程的思想，定義一種通用數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，并將專有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。通過使用通用的接口和協(xié)議，不同類型的設(shè)備可以使用同一種協(xié)議和數(shù)據(jù)格式與不同的網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)進(jìn)行交互。

2.3　設(shè)備識(shí)別

按照設(shè)備接口的多樣性以及協(xié)議的多樣性，對(duì)設(shè)備的識(shí)別也采用多種方式。對(duì)一些無法改造的舊設(shè)備，可通過設(shè)備庫的方式進(jìn)行識(shí)別；對(duì)一些智能設(shè)備，可通過SDN的網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行設(shè)備發(fā)現(xiàn)和信息收集。

（1）設(shè)備庫識(shí)別

云端設(shè)備庫構(gòu)建后，可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況下發(fā)設(shè)備庫到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)設(shè)備庫中設(shè)備類型、特征報(bào)文、通信協(xié)議等信息，按照協(xié)議特征+設(shè)備尋址的方式逐個(gè)設(shè)備掃描，從而識(shí)別設(shè)備協(xié)議及設(shè)備類型；識(shí)別到設(shè)備后，形成在線設(shè)備列表。

（2）SDN網(wǎng)絡(luò)管理識(shí)別

SDN網(wǎng)絡(luò)管理通過自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備信息，并將其存儲(chǔ)在拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫中，包括設(shè)備配置、鏈路狀態(tài)、流量控制等。通過在智能網(wǎng)關(guān)里部署SDN控制器及其相應(yīng)的模塊，使用基于OpenFlow協(xié)議的消息與網(wǎng)絡(luò)中的多協(xié)議設(shè)備進(jìn)行交互^[7]，發(fā)現(xiàn)并收集設(shè)備的類型、位置、支持的協(xié)議等信息；在設(shè)備發(fā)現(xiàn)與信息收集的基礎(chǔ)上，使用抽象模型對(duì)多種協(xié)議和設(shè)備的行為進(jìn)行統(tǒng)一的描述和建模。最后可根據(jù)抽象和建模的結(jié)果，制定相應(yīng)的控制策略，同時(shí)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量的狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最佳性能和可靠性。

2.4　協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換主要通過軟件算法來解析和管理不同設(shè)備的協(xié)議。智能網(wǎng)關(guān)識(shí)別到設(shè)備列表后，根據(jù)設(shè)備協(xié)議類型，使用相應(yīng)的協(xié)議解析算法來讀取和解析設(shè)備的數(shù)據(jù)[8]。將不同設(shè)備的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的協(xié)議，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式，以便于設(shè)備之間的信息交互及數(shù)據(jù)的共享和集成。

設(shè)備管理殼通過使用不同的通信協(xié)議及格式，例如DLT645、Modbus、MQTT等，實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，也可以將不同協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行適配。例如，將DLT645協(xié)議的電表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議的電表數(shù)據(jù)。

2.5　設(shè)備通信

云端根據(jù)識(shí)別到的設(shè)備列表，可對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信配置，根據(jù)設(shè)備通信庫中配置的多個(gè)參數(shù)模板信息，選擇跟現(xiàn)場要求匹配的參數(shù)模板，下載到智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)通信配置相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)采功能，最終將采集到的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式上傳到云端進(jìn)行顯示和分析。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于上述方法，在本地實(shí)驗(yàn)室搭建了測試環(huán)境，對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云-邊-端”和通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，本文構(gòu)建的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)

參與驗(yàn)證的設(shè)備種類分以太網(wǎng)設(shè)備和現(xiàn)場總線設(shè)備，包括PLC控制器、電表、多功能儀表、傳感器、注塑機(jī)；設(shè)備接口包括485、CAN、以太網(wǎng)；協(xié)議包括Modbus、Profibus-DP、CANopen、ModbusTCP、MQTT等。

具體步驟如下：

（1）在云端建立設(shè)備庫，將設(shè)備的通信協(xié)議、基本功能和配置存放于設(shè)備特征庫中，下載到智能網(wǎng)關(guān)；

（2）在智能網(wǎng)關(guān)中，通過地址+特征庫的方式進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)設(shè)備識(shí)別；

（3）識(shí)別到設(shè)備后，形成云端在線設(shè)備列表，配置設(shè)備通信庫，開啟數(shù)采功能；

（4）采集到數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，按照統(tǒng)一的通信協(xié)議上傳到云端進(jìn)行顯示和分析。

在平臺(tái)頁面查看到的現(xiàn)場總線端的頁面如圖5、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場總線端設(shè)備識(shí)別設(shè)備顯示

圖6 現(xiàn)場總線端設(shè)備數(shù)據(jù)顯示

在平臺(tái)頁面查看到的以太網(wǎng)端的頁面如圖7、圖8所示。

圖7 以太網(wǎng)端識(shí)別設(shè)備顯示

圖8 以太網(wǎng)端設(shè)備數(shù)據(jù)顯示

上述多協(xié)議自適應(yīng)接入測試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步驗(yàn)證，測試結(jié)果表明，該方法可以成功地發(fā)現(xiàn)并識(shí)別各種設(shè)備及協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。

4　結(jié)束語

異構(gòu)工業(yè)設(shè)備自適應(yīng)接入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、智能制造等應(yīng)用場景中設(shè)備連接和協(xié)同工作的重要技術(shù)手段。本文提出的這種異構(gòu)設(shè)備多協(xié)議自適應(yīng)接入的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種協(xié)議和設(shè)備的統(tǒng)一管理和控制，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性，具有高靈活性和可擴(kuò)展性，為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了新的思路和方向，對(duì)于促進(jìn)工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通和智能制造的發(fā)展具有重要意義。

作者簡介：

陳淑芳（1984-），女，江西宜春人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化及嵌入式應(yīng)用方面的研究。

張人杰（1992-），男，湖南常德人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，主要從事工業(yè)控制及通信方面的研究。

聶　佳（1981-），女，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，主要從事工業(yè)控制及通信方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年4月刊