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工控系统中工业数据采集的关键技术

  工业数据采集过程,包含多类工业设备接入、多种工业通信网络协议解析、多源工业数据格式转换、实时工业数据存储与预处理等多个环节,为实现多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息的实时高效采集,需要大量 IT、OT 与 CT 核心关键技术支撑。

  本报告所列工业数据采集关键技术主要源于工业数据采集各相关方共同关切和发展急需的方面。工业数据采集主要涉及工业通信网络、协议转换、物体标识及解析、边缘计算、工业人工智能等关键技术。工业数据采集常用工业通信网络技术主要有工业现场总线、工业以太网、工业光纤网络、TSN、NB-IoT、4G/5G 等,总体上可16分为有线和无线通信网络技术。

  有线通信网络技术主要包括现场总线、工业以太网、工业光纤网络、TSN 等,现阶段工业现场设备数据采集主要采用有线通信网络技术,以保证信息实时采集和上传,对生产过程实时监控的需求。

  无线通信网络技术正逐步向工业数据采集领域渗透,已成为有线网络的重要补充。主要包括短距离通信技术 RFID、Zigbee、WIFI 等,用于车间内的传感数据读取、物品及资产管理、AGV 等无线设备的网络连接;专用工业无线通信技术 WIA-PA/FA、WirelessHART、ISA100.11a 等;以及蜂窝无线通信技术 4G/5G、NB-IoT 等,用于工厂外智能产品、大型远距离移动设备、手持终端等的网络连接。

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  现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线目前仍没有统一标准,很多公司都推出其各自的现场总线技术,但彼此的开放性和互操作性还难以统一,目前应用较多的有 Profibus、CAN、LonWorks、HART、Modbus 等。

  现场总线在工业界使用时间较长,技术成熟稳定。现场总线仍然是目前工业环境应用最为广泛的工业网络,现场总线的简单17性、可靠性高的优点受到许多用户的喜爱。随着中国产业升级的进一步深化,现场总线作为智能制造和工业互联网的基础,预计从 2018 年开始新增节点数会逐步回升。

  工业以太网最大的优势在于:能够使企业的信息网络和控制网络实现统一;以太网容易实现网络集成,开发技术广泛,价格较低,容易获得众多厂商的支持。工业以太网近几年快速发展,技术逐渐成熟,电磁兼容性、高低温等工业特性已能够满足工业数据采集需求,在工业数据采集领域得到了广泛应用,近年来工业以太网的市场占比逐步上升。

  工业光纤网络具有以下优点:PON 通过无源器件组网,不受电磁干扰和雷电影响;采用自愈环形网络支持并联型,切换时间短、抵抗失效能力强;点到多点传输架构,终端并行接入,部署灵活;仅需单根光纤线传输,最远覆盖 30 公里范围;多业务承载,支持数据、视频、语音、时间同步等多种业务;高安全性,PON 网络设置 ONU 安全注册机制,下行数据传送天然加密,上行数据传送时分机制隔离。

  TSN 是 IEEE 提出的一个国际标准,TSN 是为了解决工业领域中的互操作性孕育而生的标准协议,厂商设备之间可以进行非常好的互联互通。TSN 是基于以太网标准的确定性实时通信机制,定义了极其准确、极易预测的网络时间,具备高数据量传输与优先权设定功能等优势。TSN 是其它工业以太网协议的基础,现有的工业以太网协议未来将会成为 TSN 网络之上的专属网络协议,因此这类协议依旧会存在,但彼此之间不会互相取代。

  NB-IoT 是由 3GPP 定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术,它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低,适合于传感、计量、监控等工业数据采集应用,可满足这些应用对广覆盖、低功耗、低成本的需求,目前广泛商用的 2G/3G/4G 及其他无线技术都无法满足这些挑战。

  NB-IoT 单小区可支持 5 万用户,NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50~100 倍的接入数;NB-IoT 比 LTE 提升 20dB 增益,很好实现广域覆盖,就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。NB-IoT 引入超长 DRX 省电技术和 PSM 省电态模式,可让设备时时在线,通过减少不必要的信令和在 PSM 状态时不接受寻呼信息来达到省电目的,保障电池 5 年以上的使用寿命。

  从发展态势看,5G 目前还处于技术标准的研究阶段,5G 有望 2020 年正式商用。目前,有线连接在工业数据采集连接数量方面占主导地位。但预测显示,从 2022 年到 2026 年,5G 物联网连接的平均年复合增长率将达到 464%。


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