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

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

關鍵詞：異構設備；智能網(wǎng)關；自適應接入

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術的快速發(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，同時具有不同的特性和要求^[1]，給設備的接入和管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。

因此，針對復雜工業(yè)場景下通信協(xié)議復雜、泛在接入難、自動化和智能化管控能力不足的問題，本文研究構建了實時性、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(shù)據(jù)格式之間的互聯(lián)與集成，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構設備的自適應接入、協(xié)議互通和統(tǒng)一化管理^[2]，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側強實時高同步的數(shù)據(jù)交換與通信。

1　方案研究

面向智能制造中高實時工控設備網(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，通過接入層的智能網(wǎng)關實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場異構設備的多協(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，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣側強實時高同步的數(shù)據(jù)交換與通信，進一步實現(xiàn)了邊緣側資源調(diào)度與決策。

1.1　系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)采用邊緣計算場景下“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(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 異構設備自適應接入系統(tǒng)架構

1.2　智能網(wǎng)關

在工業(yè)自動化領域，通過研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)異構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)同機理，構建具備異構設備多協(xié)議融合與統(tǒng)一的智能網(wǎng)關，高效處理不同接入方式下的自動實時感知與行為解析^[4]，并通過設備管理殼與通信管理殼技術，構建數(shù)字化標識，從而實現(xiàn)邊緣側多協(xié)議設備的自動化接入。基于智能網(wǎng)關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(shù)字化標識，自動適配現(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，實現(xiàn)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(jiān)控及管理工作，通過與設備的通信，獲取設備的狀態(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)絡管理，負責網(wǎng)絡通信的管理工作，識別和解析不同協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成統(tǒng)一的格式，進行轉發(fā)和傳輸。SDN網(wǎng)絡管理主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的靈活管理和調(diào)度、提高網(wǎng)絡整體效率和安全性、保證網(wǎng)絡通信的穩(wěn)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是一種實現(xiàn)不同類型和型號的工業(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、促進設備之間的信息共享和協(xié)同工作。需要解決的問題包括設備的識別、標準協(xié)議之間的相互轉換、非標準協(xié)議的解析，以及數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。因此自適應接入的關鍵技術如下所述。

2.1　設備庫構建

在平臺端建立一個龐大的設備庫，包括設備特征庫和設備通信庫。錄入數(shù)據(jù)包括設備廠家和設備廠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(shù)模板等，每種參數(shù)模板下涉及的采集報文，每個報文下的采集項名稱及數(shù)據(jù)格式等。通過設備特征庫進行設備的識別，通過設備通信庫進行設備的采集。

在云端建立統(tǒng)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層次，一是設備廠家?guī)欤窃O備廠家下的設備型號庫，三是設備型號下的采集點信息庫。同時，根據(jù)現(xiàn)場業(yè)務場景，可形成相對應的采集參數(shù)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，設備種類分PLC、機器人、數(shù)控機床、電機、傳感器、控制系統(tǒng)、閥門、HMI面板等，按照業(yè)務場景的不同，可選擇設備直連和設備非直連的接入方式。設備直連通過以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等有線方式接入，設備非直連通過Wi-Fi、Zigbee、藍牙等網(wǎng)絡模塊接入。

（2）從接口的多樣性上，數(shù)據(jù)傳輸接口繁多，不同種類的設備有不同的硬件接口，同一種類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、長距離蜂窩通信、有線通信等。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，針對不同種類的設備、不同種類的接口、不同種類的協(xié)議，需要開發(fā)相應的硬件接口適配，以實現(xiàn)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(shù)據(jù)格式和協(xié)議，并將專有通信協(xié)議轉換為標準協(xié)議。通過使用通用的接口和協(xié)議，不同類型的設備可以使用同一種協(xié)議和數(shù)據(jù)格式與不同的網(wǎng)關和系統(tǒng)進行交互。

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。對一些無法改造的舊設備，可通過設備庫的方式進行識別；對一些智能設備，可通過SDN的網(wǎng)絡管理進行設備發(fā)現(xiàn)和信息收集。

（1）設備庫識別

云端設備庫構建后，可根據(jù)現(xiàn)場應用情況下發(fā)設備庫到智能網(wǎng)關，智能網(wǎng)關根據(jù)設備庫中設備類型、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設備掃描，從而識別設備協(xié)議及設備類型；識別到設備后，形成在線設備列表。

（2）SDN網(wǎng)絡管理識別

SDN網(wǎng)絡管理通過自動識別網(wǎng)絡中的拓撲結構和設備信息，并將其存儲在拓撲數(shù)據(jù)庫中，包括設備配置、鏈路狀態(tài)、流量控制等。通過在智能網(wǎng)關里部署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)絡中的多協(xié)議設備進行交互^[7]，發(fā)現(xiàn)并收集設備的類型、位置、支持的協(xié)議等信息；在設備發(fā)現(xiàn)與信息收集的基礎上，使用抽象模型對多種協(xié)議和設備的行為進行統(tǒng)一的描述和建模。最后可根據(jù)抽象和建模的結果，制定相應的控制策略，同時通過實時監(jiān)控網(wǎng)絡流量的狀態(tài)和設備的運行情況，對控制策略進行優(yōu)化和調(diào)整，以實現(xiàn)網(wǎng)絡的最佳性能和可靠性。

2.4　協(xié)議轉換

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

設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，實現(xiàn)多種協(xié)議之間的轉換，也可以將不同協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進行適配。例如，將DLT645協(xié)議的電表數(shù)據(jù)轉換為Modbus協(xié)議的電表數(shù)據(jù)。

2.5　設備通信

云端根據(jù)識別到的設備列表，可對每個設備進行通信配置，根據(jù)設備通信庫中配置的多個參數(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；智能網(wǎng)關根據(jù)通信配置相關信息實現(xiàn)異構設備的數(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)格式上傳到云端進行顯示和分析。

3　試驗驗證

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

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

圖4 試驗驗證系統(tǒng)架構

參與驗證的設備種類分以太網(wǎng)設備和現(xiàn)場總線設備，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；

（2）在智能網(wǎng)關中，通過地址+特征庫的方式進行掃描，實現(xiàn)設備識別；

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

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

在平臺頁面查看到的現(xiàn)場總線端的頁面如圖5、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場總線端設備識別設備顯示

圖6 現(xiàn)場總線端設備數(shù)據(jù)顯示

在平臺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)端識別設備顯示

圖8 以太網(wǎng)端設備數(shù)據(jù)顯示

上述多協(xié)議自適應接入測試在實驗室進行了初步驗證，測試結果表明，該方法可以成功地發(fā)現(xiàn)并識別各種設備及協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳下達。

4　結束語

異構工業(yè)設備自適應接入技術是實現(xiàn)工業(yè)4.0、智能制造等應用場景中設備連接和協(xié)同工作的重要技術手段。本文提出的這種異構設備多協(xié)議自適應接入的方法，通過實驗驗證表明該方法能夠實現(xiàn)對多種協(xié)議和設備的統(tǒng)一管理和控制，能夠有效提高網(wǎng)絡的性能和可靠性，具有高靈活性和可擴展性，為未來網(wǎng)絡的發(fā)展提供了新的思路和方向，對于促進工業(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研究所（集團）有限公司，主要從事工業(yè)自動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(xiàn)就職于上海電器科學研究所（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(xiàn)就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業(yè)控制及通信方面的研究。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2024年4月刊