隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的制造業(yè)企業(yè)正通過5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建新的生產(chǎn)模式，保證在經(jīng)濟(jì)下行時(shí)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的大幅度降低；在經(jīng)濟(jì)上行時(shí)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，獲得更多的利潤(rùn)。
那么，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)究竟是什么？又是如何與5G通訊技術(shù)進(jìn)行深度融合，賦能制造業(yè)轉(zhuǎn)型？
一、5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是由三層結(jié)構(gòu)組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在網(wǎng)絡(luò)層中，以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)，打造新型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，新建或改造產(chǎn)線級(jí)、車間級(jí)、工廠級(jí)等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，形成生產(chǎn)單元廣泛連接、信息（IT）運(yùn)營(yíng)（OT）深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應(yīng)用高效賦能的先進(jìn)工廠。
在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，不同的生產(chǎn)的設(shè)備，采用不同的工業(yè)協(xié)議，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大量的廠商私有協(xié)議。這種狀況的存在，主要因?yàn)楣I(yè)軟硬件系統(tǒng)存在較強(qiáng)的封閉性和復(fù)雜性。要實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)，需要對(duì)各種協(xié)議做解析并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)存量改造項(xiàng)目開展時(shí)最先遇到的問題。
二、5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的發(fā)展
在復(fù)雜多樣的工業(yè)場(chǎng)景中，要把產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在基于互聯(lián)網(wǎng)的用戶界面，按照傳統(tǒng)的做法，大致需要如此的操作：
1）在產(chǎn)線配置工控機(jī)時(shí)，安裝專用的數(shù)據(jù)采集軟件，例如Kepware、IOServer等；
2）整理配置PLC控制器數(shù)據(jù)標(biāo)簽，在工控機(jī)中配置對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)、輪詢周期、點(diǎn)位信息，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地工控機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)；
3）借助網(wǎng)絡(luò)將工控機(jī)數(shù)據(jù)通過OPC通訊協(xié)議匯聚到SCADA，完成工廠級(jí)數(shù)據(jù)匯聚；
4）完成SCADA系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)對(duì)接，將數(shù)據(jù)傳送到IT部門的數(shù)據(jù)庫(kù)上；
5）經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最終呈現(xiàn)在生產(chǎn)主管的界面上。
最終網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示：
圖 一：傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
如上圖所示：受限于工控機(jī)系統(tǒng)能力，該系統(tǒng)一般采用分布式結(jié)構(gòu)，由產(chǎn)線工控機(jī)完成就近多臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)集中和監(jiān)控，然后再由網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯聚到中心機(jī)房SCADA，最終完成數(shù)據(jù)的集中和呈現(xiàn)。
5G數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)，需要通過5G專網(wǎng)為工廠的快速信息化提供一張低時(shí)延、大帶寬、廣連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，大大簡(jiǎn)化工廠專網(wǎng)建設(shè)的成本和工程量，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)提供極大的便利。
在5G網(wǎng)絡(luò)推廣的初期，5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)多數(shù)以試點(diǎn)或者小規(guī)模的應(yīng)用為主，系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，把產(chǎn)線工控機(jī)使用的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)IOServer簡(jiǎn)單的部署到5G MEC服務(wù)器上來(lái)，完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)采集，然后完成SCADA系統(tǒng)以及數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)。
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
圖 二：5G+ IOServer架構(gòu)
從上圖可以看出，簡(jiǎn)單的把“圖二”的系統(tǒng)中的本地SCADA系統(tǒng)部署在MEC邊緣節(jié)點(diǎn)側(cè)，即可實(shí)現(xiàn)按設(shè)定周期，輪詢采集現(xiàn)場(chǎng)控制器數(shù)據(jù)的功能。
但是這種做法并不適合大規(guī)模應(yīng)用到5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，究其原因主要是：
1.流量浪費(fèi)。MEC云端IOServer周期性全量的數(shù)據(jù)采集，流量消耗過大。例如：現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)PLC@1000點(diǎn)/S的采集頻率，每月需要約50G的通訊流量，此時(shí)只要邊緣端設(shè)備具備數(shù)據(jù)采集、篩選、過濾、變化上傳等策略，就可以大幅度降低網(wǎng)絡(luò)流量開銷。這種做法基本沿襲傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的做法，在本地提供支持5G傳輸、具備IOServer系統(tǒng)功能的設(shè)備。
2.斷網(wǎng)數(shù)據(jù)丟失。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí), 數(shù)據(jù)連接中斷，斷網(wǎng)期間的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)則無(wú)法獲取，底層PLC等數(shù)據(jù)不緩存數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)將會(huì)受到影響，此時(shí)邊緣端能夠儲(chǔ)存斷點(diǎn)就顯得尤為關(guān)鍵。
3.算力占用、系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。云端集中輪詢采集，占用大量的系統(tǒng)資源（包括線程計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)連接資源）。如果對(duì)于硬件系統(tǒng)的配置提出更高的要求， 就會(huì)提升建設(shè)成本。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行強(qiáng)依賴于中心化的IOServer，出現(xiàn)任何運(yùn)行問題，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的業(yè)務(wù)停滯。
通過以上分析，核心網(wǎng)集中輪詢采集的方式，存在諸多弊端，不是一個(gè)最優(yōu)的解決方案。隨著技術(shù)的迭代，邊緣采集脫穎而出。捷創(chuàng)技術(shù)自主研發(fā)的JENET 5G智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)就是通過圖中所示的5G 接入設(shè)備的方式，集成IOServer的邊緣采集系統(tǒng)，來(lái)完成OT到IT數(shù)據(jù)解耦，這就是新興的“5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)”。
圖三：JENET 5G/4G智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)
5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)相較之前的5G DTU、5G CPE，重點(diǎn)在于5G+邊緣計(jì)算。5G給傳輸帶來(lái)前所未有的高帶寬、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)特性，邊緣計(jì)算一改之前的中心匯聚計(jì)算的模式，提倡去中心化應(yīng)用。把感知層大量的數(shù)據(jù)先做有效的過濾和計(jì)算，提煉出有效的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果再上發(fā)給中心進(jìn)行更高效的計(jì)算和統(tǒng)籌，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)運(yùn)算效率和存儲(chǔ)資源的利用。
5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)讓傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用得以信息化升級(jí)換代，大量應(yīng)用于智慧工廠、智能電網(wǎng)、交通運(yùn)輸、智慧農(nóng)業(yè)、水利信息化、冶金信息化等行業(yè)。
使用5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)完成5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的方案如下：
圖 四：5G+ IIoT架構(gòu)
如上圖系統(tǒng)中，使用到的JENET 5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是由捷創(chuàng)技術(shù)面向工業(yè)及商業(yè)場(chǎng)景推出的新一代智能網(wǎng)關(guān)，主要具有如下技術(shù)特征：
1）支持南向多種通訊接口的接入：以太網(wǎng)、RS485、RS232、IO等；
2）支持南向多種工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)解析：EthernetIP、S7、Melsec、Hostlink、Modbus等；
3）數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確時(shí)間標(biāo)簽；
4）支持北向多協(xié)議兼容：MQTT、HTTP、Restful、OPC UA等；
5）支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能：存儲(chǔ)斷網(wǎng)無(wú)法傳輸成功的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后完成記錄數(shù)據(jù)傳輸；
6）支持多規(guī)則計(jì)算：周期性調(diào)整、報(bào)警上報(bào)、數(shù)據(jù)。
此類邊緣產(chǎn)品構(gòu)建的解決方案，可以很好的彌補(bǔ)以上提出的系統(tǒng)的弱點(diǎn)，為5G深入全連接工廠建設(shè)提供可靠的邊緣側(cè)解決方案。
工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型極大的推動(dòng)了工業(yè)控制和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整合集成的發(fā)展，5G邊緣網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。這一產(chǎn)品綜合了高速數(shù)據(jù)采集、邊緣數(shù)據(jù)過濾和處理和IIoT平臺(tái)高效通信等功能，在很大程度上簡(jiǎn)化和改善了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)過程。目前這一新生事物已經(jīng)有了一些工業(yè)實(shí)踐的支持，在汽車、有色金屬、輪胎、化工等多個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)采集、分析、診斷等方面都取得了實(shí)際效果，相信其綜合集成的性能一定會(huì)在今后的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮更多的作用。
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