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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；智能網關；自適應接入

隨著物聯網、云計算、大數據等技術的快速發展，接入物聯網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。

因此，針對復雜工業場景下通信協議復雜、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終端設備的協議自適應接入方法，旨在解決各種不同設備、不同協議、不同數據格式之間的互聯與集成，實現工業現場異構設備的自適應接入、協議互通和統一化管理^[2]，實現工業物聯網邊緣側強實時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時工控設備網中異構設備多協議自適應接入的需求，本文融合工業4.0中資產管理殼的思想，利用軟件定義網絡，通過接入層的智能網關實現工業現場異構設備的多協議自適應接入，將邊緣側的邊緣計算、機理模型等有機結合，實現工業物聯網邊緣側強實時高同步的數據交換與通信，進一步實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　智能網關

在工業自動化領域，通過研究工業互聯網異構融合過程中廣域與局域、無線與有線等端到端傳輸的多模態協同機理，構建具備異構設備多協議融合與統一的智能網關，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，構建數字化標識，從而實現邊緣側多協議設備的自動化接入。基于智能網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字化標識，自動適配現場總線協議簇、工業以太網協議簇、OPC協議簇等，實現多協議自適應接入。設備管理殼主要負責設備的接入、配置、狀態監控及管理工作，通過與設備的通信，獲取設備的狀態、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網絡管理，負責網絡通信的管理工作，識別和解析不同協議的網絡數據，并將數據封裝成統一的格式，進行轉發和傳輸。SDN網絡管理主要用于實現網絡資源的靈活管理和調度、提高網絡整體效率和安全性、保證網絡通信的穩定性和可靠性^[5]。

2　自適應接入方法

異構工業設備自適應接入技術是一種實現不同類型和型號的工業設備之間互聯互通的解決方案，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同工作。需要解決的問題包括設備的識別、標準協議之間的相互轉換、非標準協議的解析，以及數據格式的統一。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。錄入數據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，每個報文下的采集項名稱及數據格式等。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，一是設備廠家庫，二是設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，根據現場業務場景，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，設備種類分PLC、機器人、數控機床、電機、傳感器、控制系統、閥門、HMI面板等，按照業務場景的不同，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、現場總線等有線方式接入，設備非直連通過Wi-Fi、Zigbee、藍牙等網絡模塊接入。

（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等接口的協議，遠距離蜂窩通信主要有針對3G/4G/5G、NBIoT等接口的協議，有線通信主要有針對RS232、RS485、CAN、RJ45等接口的協議^[6]。

因此，針對不同種類的設備、不同種類的接口、不同種類的協議，需要開發相應的硬件接口適配，以實現設備的互聯互通。

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議，并將專有通信協議轉換為標準協議。通過使用通用的接口和協議，不同類型的設備可以使用同一種協議和數據格式與不同的網關和系統進行交互。

2.3　設備識別

按照設備接口的多樣性以及協議的多樣性，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的網絡管理進行設備發現和信息收集。

（1）設備庫識別

云端設備庫構建后，可根據現場應用情況下發設備庫到智能網關，智能網關根據設備庫中設備類型、特征報文、通信協議等信息，按照協議特征+設備尋址的方式逐個設備掃描，從而識別設備協議及設備類型；識別到設備后，形成在線設備列表。

（2）SDN網絡管理識別

SDN網絡管理通過自動識別網絡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、流量控制等。通過在智能網關里部署SDN控制器及其相應的模塊，使用基于OpenFlow協議的消息與網絡中的多協議設備進行交互^[7]，發現并收集設備的類型、位置、支持的協議等信息；在設備發現與信息收集的基礎上，使用抽象模型對多種協議和設備的行為進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，同時通過實時監控網絡流量的狀態和設備的運行情況，對控制策略進行優化和調整，以實現網絡的最佳性能和可靠性。

2.4　協議轉換

協議轉換主要通過軟件算法來解析和管理不同設備的協議。智能網關識別到設備列表后，根據設備協議類型，使用相應的協議解析算法來讀取和解析設備的數據[8]。將不同設備的通信協議轉換成統一的協議，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。

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

2.5　設備通信

云端根據識別到的設備列表，可對每個設備進行通信配置，根據設備通信庫中配置的多個參數模板信息，選擇跟現場要求匹配的參數模板，下載到智能網關；智能網關根據通信配置相關信息實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議和數據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境，對其可行性進行驗證。

參考工業互聯網“云-邊-端”和通信網絡架構體系，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分以太網設備和現場總線設備，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；協議包括Modbus、Profibus-DP、CANopen、ModbusTCP、MQTT等。

具體步驟如下：

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

（2）在智能網關中，通過地址+特征庫的方式進行掃描，實現設備識別；

（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，按照統一的通信協議上傳到云端進行顯示和分析。

在平臺頁面查看到的現場總線端的頁面如圖5、圖6所示。

圖5 現場總線端設備識別設備顯示

圖6 現場總線端設備數據顯示

在平臺頁面查看到的以太網端的頁面如圖7、圖8所示。

圖7 以太網端識別設備顯示

圖8 以太網端設備數據顯示

上述多協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現并識別各種設備及協議，實現了數據的上傳下達。

4　結束語

異構工業設備自適應接入技術是實現工業4.0、智能制造等應用場景中設備連接和協同工作的重要技術手段。本文提出的這種異構設備多協議自適應接入的方法，通過實驗驗證表明該方法能夠實現對多種協議和設備的統一管理和控制，能夠有效提高網絡的性能和可靠性，具有高靈活性和可擴展性，為未來網絡的發展提供了新的思路和方向，對于促進工業設備的互聯互通和智能制造的發展具有重要意義。

作者簡介：

陳淑芳（1984-），女，江西宜春人，工程師，碩士，現就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業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，現就職于上海電器科學研究所（集團）有限公司，主要從事工業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研究所（集團）有限公司，主要從事工業控制及通信方面的研究。

參考文獻：

[1] 黎明, 張云, 關大力, 等. 數字化車間異構設備數據源集成關鍵技術研究與應用[J]. 航空制造技術, 2022, 65 (7) : 38 – 43.

[2] 黃勇光, 黃兵. 基于數據融合的海量物聯設備接入協議自適應轉換系統[J]. 電子設計工程, 2023, 32 (10) : 64 - 68.

[3] 應俊, 蔡月明, 劉明祥, 等. 適用于配電物聯網的低壓智能終端自適應接入方法[J]. 電力系統自動化, 2020, 44 (2) : 22 - 27.

[4] 袁博. 面向軟件定義的智能物聯網網關的研究與設計[D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2020.

[5] 辛榮寰, 陳禮波, 曹童杰. 基于軟件定義網絡架構的多接入邊緣計算+工業互聯網策略研究[J]. 郵電設計技術, 2021 (6) : 73 - 77.

[6] 王艷. 物聯網網關異構協議中間件關鍵技術研究[D]. 深圳: 深圳大學, 2016.

[7] 侯明星, 亓慧. 基于SDN的異構型物聯網安全解決方案研究[J]. 智能處理與應用, 2017 (12) : 38 - 40.

[8] 陳俊峰. 物聯網異構設備接入協議解析與特征識別的研究與實現[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2020.

摘自《自動化博覽》2024年4月刊