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行业新闻你的位置:主页 > 行业新闻 >谈一下工控——工业数据采集关键技术

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。

(一) 工业通信网络

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。

1. 现场总线:

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。

2. 工业以太网:

工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网采用 TCP/IP 协议,和IEEE 802.3 标准兼容,但在应用层会加入各自特有的协议。工业以太网实现了以太网 TCP/IP 协议与工业现场总线的融合,是在标准以太网协议基础上修改或增加一些特定的功能而形成的。工业以太网在发展过程中形成了多种协议标准,包括 Profinet、EthernetIP、Modbus/TCP、EtherCAT 等,这些协议背后皆有各自支持厂商,难以形成统一标准。

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。

3. 工业光纤网络

随着无源光网络(PON)技术在电信、电力行业的广泛应用,工业光纤网络已成为工业数据采集领域的一种新型组网技术。工业光纤网络在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置,工业18光纤网络由汇聚设备 OLT、无源分光器、PON 接入设备 ONU 组成,可以提供多种工业接口,实现工业设备数据、生产数据到企业 IT系统的可靠有效地传输。

工业光纤网络在工业场景下最常用的组网方式是基于 TypeD 保护方式的手拉手保护链型组网和星型组网,实现全光路保护,提高了车间通信网络的可靠性,为制造企业的通信可靠性提供了坚实的保障。

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。

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4. TSN

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。

通过为以太网增添诸多功能特性,有效地解决了工业数据采集数据在以太网传输中的时序性、低延时和流量整形问题。同时又保持了 100%向后兼容传统以太网,TSN 确保了关键任务型时间敏感数据在网络上不会滞留,有助于跨许多行业打造一个互操作性的生态系统。通过使用标准的以太网组件,TSN 可无缝集成现有棕色地带应用和标准的 IT 网络来提高易用性。此外,TSN 继承了 HTTP 接口和 WEB 服务,实现了工业数据采集系统所需的远程监控、可视化和修复功能。

5. NB-IoT

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。

6. 5G(第五代移动通信网络)

近些年 WiFi、Zigbee 和 WirelessHART 等无线通信网络技术已经在制造车间使用,但这些无线技术存在局限性,不能满足智能制造对于数据采集的灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠等通信要求。

5G 具有更高的速率、更宽的带宽,预计 5G 网速将比 4G 提高 10 倍左右,从行业应用看,5G 具有更高的可靠性,更低的时延,支持接入网络更多、密度更大,可以为关键任务型的服务提供保障能力。能满足工业数据采集的高带宽、低时延和高可靠性等网络通信需求,可保证工业信息实时采集和上传,从而实现对生产过程的实时监控。

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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