文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）04-066-06中圖分類(lèi)號：TP29

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

關(guān)鍵詞：異構設備；智能網(wǎng)關(guān)；自適應接入

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等技術(shù)的快速發(fā)展，接入物聯(lián)網(wǎng)的終端設備中存在大量的異構設備，這些設備支持不同的協(xié)議和標準，同時(shí)具有不同的特性和要求^[1]，給設備的接入和管理帶來(lái)了很大的挑戰。

因此，針對復雜工業(yè)場(chǎng)景下通信協(xié)議復雜、泛在接入難、自動(dòng)化和智能化管控能力不足的問(wèn)題，本文研究構建了實(shí)時(shí)性、同步性要求高的異構工業(yè)終端設備的協(xié)議自適應接入方法，旨在解決各種不同設備、不同協(xié)議、不同數據格式之間的互聯(lián)與集成，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)異構設備的自適應接入、協(xié)議互通和統一化管理^[2]，實(shí)現工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側強實(shí)時(shí)高同步的數據交換與通信。

1　方案研究

面向智能制造中高實(shí)時(shí)工控設備網(wǎng)中異構設備多協(xié)議自適應接入的需求，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(guò)接入層的智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)異構設備的多協(xié)議自適應接入，將邊緣側的邊緣計算、機理模型等有機結合，實(shí)現工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側強實(shí)時(shí)高同步的數據交換與通信，進(jìn)一步實(shí)現了邊緣側資源調度與決策。

1.1　系統總體架構

系統采用邊緣計算場(chǎng)景下“云-邊-端”三層體系異構終端接入機制，支持海量終端的自適應接入^[3]。系統架構圖如圖1所示。

圖1 異構設備自適應接入系統架構

1.2　智能網(wǎng)關(guān)

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通過(guò)研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)異構融合過(guò)程中廣域與局域、無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)等端到端傳輸的多模態(tài)協(xié)同機理，構建具備異構設備多協(xié)議融合與統一的智能網(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(guò)設備管理殼與通信管理殼技術(shù)，構建數字化標識，從而實(shí)現邊緣側多協(xié)議設備的自動(dòng)化接入?；谥悄芫W(wǎng)關(guān)的異構設備自適應接入框圖如圖2所示。

圖2 基于智能網(wǎng)關(guān)的異構設備自適應接入框圖

設計通用化設備管理殼，包括設備庫管理與設備管理，構建邊緣側異構設備的數字化標識，自動(dòng)適配現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議簇、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簇、OPC協(xié)議簇等，實(shí)現多協(xié)議自適應接入。設備管理殼主要負責設備的接入、配置、狀態(tài)監控及管理工作，通過(guò)與設備的通信，獲取設備的狀態(tài)、數據等信息，并將這些信息處理成統一的格式，供通信管理殼使用。

設計通用化通信管理殼，包括通信模型、通信配置以及SDN網(wǎng)絡(luò )管理，負責網(wǎng)絡(luò )通信的管理工作，識別和解析不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )數據，并將數據封裝成統一的格式，進(jìn)行轉發(fā)和傳輸。SDN網(wǎng)絡(luò )管理主要用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的靈活管理和調度、提高網(wǎng)絡(luò )整體效率和安全性、保證網(wǎng)絡(luò )通信的穩定性和可靠性^[5]。

2　自適應接入方法

異構工業(yè)設備自適應接入技術(shù)是一種實(shí)現不同類(lèi)型和型號的工業(yè)設備之間互聯(lián)互通的解決方案，旨在提高設備的兼容性和互操作性、促進(jìn)設備之間的信息共享和協(xié)同工作。需要解決的問(wèn)題包括設備的識別、標準協(xié)議之間的相互轉換、非標準協(xié)議的解析，以及數據格式的統一。因此自適應接入的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

2.1　設備庫構建

在平臺端建立一個(gè)龐大的設備庫，包括設備特征庫和設備通信庫。錄入數據包括設備廠(chǎng)家和設備廠(chǎng)家下的各種設備型號，針對每種設備型號的通信協(xié)議、特征報文、參數模板等，每種參數模板下涉及的采集報文，每個(gè)報文下的采集項名稱(chēng)及數據格式等。通過(guò)設備特征庫進(jìn)行設備的識別，通過(guò)設備通信庫進(jìn)行設備的采集。

在云端建立統一的設備庫，可對照圖3所示設備庫框圖，將設備庫配置分成三個(gè)層次，一是設備廠(chǎng)家庫，二是設備廠(chǎng)家下的設備型號庫，三是設備型號下的采集點(diǎn)信息庫。同時(shí)，根據現場(chǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，可形成相對應的采集參數模板。

圖3 設備庫框圖

2.2　接口適配

異構設備的多樣性主要包括以下方面：

（1）從設備多樣性上，按照設備能力的不同，設備種類(lèi)分PLC、機器人、數控機床、電機、傳感器、控制系統、閥門(mén)、HMI面板等，按照業(yè)務(wù)場(chǎng)景的不同，可選擇設備直連和設備非直連的接入方式。設備直連通過(guò)以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)等有線(xiàn)方式接入，設備非直連通過(guò)Wi-Fi、Zigbee、藍牙等網(wǎng)絡(luò )模塊接入。

（2）從接口的多樣性上，數據傳輸接口繁多，不同種類(lèi)的設備有不同的硬件接口，同一種類(lèi)的設備也有不同的接口，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(cháng)距離蜂窩通信、有線(xiàn)通信等。近距離通信主要有針對NFC、RFID、Bluetooth等接口的協(xié)議，遠距離蜂窩通信主要有針對3G/4G/5G、NBIoT等接口的協(xié)議，有線(xiàn)通信主要有針對RS232、RS485、CAN、RJ45等接口的協(xié)議^[6]。

因此，針對不同種類(lèi)的設備、不同種類(lèi)的接口、不同種類(lèi)的協(xié)議，需要開(kāi)發(fā)相應的硬件接口適配，以實(shí)現設備的互聯(lián)互通。

接口適配可以采用面向接口編程的思想，定義一種通用數據格式和協(xié)議，并將專(zhuān)有通信協(xié)議轉換為標準協(xié)議。通過(guò)使用通用的接口和協(xié)議，不同類(lèi)型的設備可以使用同一種協(xié)議和數據格式與不同的網(wǎng)關(guān)和系統進(jìn)行交互。

2.3　設備識別

按照設備接口的多樣性以及協(xié)議的多樣性，對設備的識別也采用多種方式。對一些無(wú)法改造的舊設備，可通過(guò)設備庫的方式進(jìn)行識別；對一些智能設備，可通過(guò)SDN的網(wǎng)絡(luò )管理進(jìn)行設備發(fā)現和信息收集。

（1）設備庫識別

云端設備庫構建后，可根據現場(chǎng)應用情況下發(fā)設備庫到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)根據設備庫中設備類(lèi)型、特征報文、通信協(xié)議等信息，按照協(xié)議特征+設備尋址的方式逐個(gè)設備掃描，從而識別設備協(xié)議及設備類(lèi)型；識別到設備后，形成在線(xiàn)設備列表。

（2）SDN網(wǎng)絡(luò )管理識別

SDN網(wǎng)絡(luò )管理通過(guò)自動(dòng)識別網(wǎng)絡(luò )中的拓撲結構和設備信息，并將其存儲在拓撲數據庫中，包括設備配置、鏈路狀態(tài)、流量控制等。通過(guò)在智能網(wǎng)關(guān)里部署SDN控制器及其相應的模塊，使用基于OpenFlow協(xié)議的消息與網(wǎng)絡(luò )中的多協(xié)議設備進(jìn)行交互^[7]，發(fā)現并收集設備的類(lèi)型、位置、支持的協(xié)議等信息；在設備發(fā)現與信息收集的基礎上，使用抽象模型對多種協(xié)議和設備的行為進(jìn)行統一的描述和建模。最后可根據抽象和建模的結果，制定相應的控制策略，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)監控網(wǎng)絡(luò )流量的狀態(tài)和設備的運行情況，對控制策略進(jìn)行優(yōu)化和調整，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的最佳性能和可靠性。

2.4　協(xié)議轉換

協(xié)議轉換主要通過(guò)軟件算法來(lái)解析和管理不同設備的協(xié)議。智能網(wǎng)關(guān)識別到設備列表后，根據設備協(xié)議類(lèi)型，使用相應的協(xié)議解析算法來(lái)讀取和解析設備的數據[8]。將不同設備的通信協(xié)議轉換成統一的協(xié)議，不同設備的數據格式轉換成統一的格式，以便于設備之間的信息交互及數據的共享和集成。

設備管理殼通過(guò)使用不同的通信協(xié)議及格式，例如DLT645、Modbus、MQTT等，實(shí)現多種協(xié)議之間的轉換，也可以將不同協(xié)議的數據格式進(jìn)行適配。例如，將DLT645協(xié)議的電表數據轉換為Modbus協(xié)議的電表數據。

2.5　設備通信

云端根據識別到的設備列表，可對每個(gè)設備進(jìn)行通信配置，根據設備通信庫中配置的多個(gè)參數模板信息，選擇跟現場(chǎng)要求匹配的參數模板，下載到智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)根據通信配置相關(guān)信息實(shí)現異構設備的數采功能，最終將采集到的數據按照統一的通信協(xié)議和數據格式上傳到云端進(jìn)行顯示和分析。

3　試驗驗證

本文基于上述方法，在本地實(shí)驗室搭建了測試環(huán)境，對其可行性進(jìn)行驗證。

參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云-邊-端”和通信網(wǎng)絡(luò )架構體系，本文構建的試驗驗證系統的架構如圖4所示。

圖4 試驗驗證系統架構

參與驗證的設備種類(lèi)分以太網(wǎng)設備和現場(chǎng)總線(xiàn)設備，包括PLC控制器、電表、多功能儀表、傳感器、注塑機；設備接口包括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）在云端建立設備庫，將設備的通信協(xié)議、基本功能和配置存放于設備特征庫中，下載到智能網(wǎng)關(guān)；

（2）在智能網(wǎng)關(guān)中，通過(guò)地址+特征庫的方式進(jìn)行掃描，實(shí)現設備識別；

（3）識別到設備后，形成云端在線(xiàn)設備列表，配置設備通信庫，開(kāi)啟數采功能；

（4）采集到數據后，轉換成統一的數據格式，按照統一的通信協(xié)議上傳到云端進(jìn)行顯示和分析。

在平臺頁(yè)面查看到的現場(chǎng)總線(xiàn)端的頁(yè)面如圖5、圖6所示。

圖5 現場(chǎng)總線(xiàn)端設備識別設備顯示

圖6 現場(chǎng)總線(xiàn)端設備數據顯示

在平臺頁(yè)面查看到的以太網(wǎng)端的頁(yè)面如圖7、圖8所示。

圖7 以太網(wǎng)端識別設備顯示

圖8 以太網(wǎng)端設備數據顯示

上述多協(xié)議自適應接入測試在實(shí)驗室進(jìn)行了初步驗證，測試結果表明，該方法可以成功地發(fā)現并識別各種設備及協(xié)議，實(shí)現了數據的上傳下達。

4　結束語(yǔ)

異構工業(yè)設備自適應接入技術(shù)是實(shí)現工業(yè)4.0、智能制造等應用場(chǎng)景中設備連接和協(xié)同工作的重要技術(shù)手段。本文提出的這種異構設備多協(xié)議自適應接入的方法，通過(guò)實(shí)驗驗證表明該方法能夠實(shí)現對多種協(xié)議和設備的統一管理和控制，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展性，為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展提供了新的思路和方向，對于促進(jìn)工業(yè)設備的互聯(lián)互通和智能制造的發(fā)展具有重要意義。

作者簡(jiǎn)介：

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

張人杰（1992-），男，湖南常德人，工程師，碩士，現就職于上海電器科學(xué)研究所（集團）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，高級工程師，碩士，現就職于上海電器科學(xué)研究所（集團）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