《電子技術應用》
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工控系統中工業數據采集的關鍵技術

2019-09-03
關鍵詞: 控制系統 數據采集

  工業數據采集過程,包含多類工業設備接入、多種工業通信網絡協議解析、多源工業數據格式轉換、實時工業數據存儲與預處理等多個環節,為實現多源設備、異構系統、運營環境、人等要素信息的實時高效采集,需要大量 IT、OT 與 CT 核心關鍵技術支撐。

  本報告所列工業數據采集關鍵技術主要源于工業數據采集各相關方共同關切和發展急需的方面。工業數據采集主要涉及工業通信網絡、協議轉換、物體標識及解析、邊緣計算、工業人工智能等關鍵技術。工業數據采集常用工業通信網絡技術主要有工業現場總線、工業以太網、工業光纖網絡、TSN、NB-IoT、4G/5G 等,總體上可16分為有線和無線通信網絡技術。

  有線通信網絡技術主要包括現場總線、工業以太網、工業光纖網絡、TSN 等,現階段工業現場設備數據采集主要采用有線通信網絡技術,以保證信息實時采集和上傳,對生產過程實時監控的需求。

  無線通信網絡技術正逐步向工業數據采集領域滲透,已成為有線網絡的重要補充。主要包括短距離通信技術 RFID、Zigbee、WIFI 等,用于車間內的傳感數據讀取、物品及資產管理、AGV 等無線設備的網絡連接;專用工業無線通信技術 WIA-PA/FA、WirelessHART、ISA100.11a 等;以及蜂窩無線通信技術 4G/5G、NB-IoT 等,用于工廠外智能產品、大型遠距離移動設備、手持終端等的網絡連接。

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  現場總線主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題,是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。現場總線目前仍沒有統一標準,很多公司都推出其各自的現場總線技術,但彼此的開放性和互操作性還難以統一,目前應用較多的有 Profibus、CAN、LonWorks、HART、Modbus 等。

  現場總線在工業界使用時間較長,技術成熟穩定。現場總線仍然是目前工業環境應用最為廣泛的工業網絡,現場總線的簡單17性、可靠性高的優點受到許多用戶的喜愛。隨著中國產業升級的進一步深化,現場總線作為智能制造和工業互聯網的基礎,預計從 2018 年開始新增節點數會逐步回升。

  工業以太網最大的優勢在于:能夠使企業的信息網絡和控制網絡實現統一;以太網容易實現網絡集成,開發技術廣泛,價格較低,容易獲得眾多廠商的支持。工業以太網近幾年快速發展,技術逐漸成熟,電磁兼容性、高低溫等工業特性已能夠滿足工業數據采集需求,在工業數據采集領域得到了廣泛應用,近年來工業以太網的市場占比逐步上升。

  工業光纖網絡具有以下優點:PON 通過無源器件組網,不受電磁干擾和雷電影響;采用自愈環形網絡支持并聯型,切換時間短、抵抗失效能力強;點到多點傳輸架構,終端并行接入,部署靈活;僅需單根光纖線傳輸,最遠覆蓋 30 公里范圍;多業務承載,支持數據、視頻、語音、時間同步等多種業務;高安全性,PON 網絡設置 ONU 安全注冊機制,下行數據傳送天然加密,上行數據傳送時分機制隔離。

  TSN 是 IEEE 提出的一個國際標準,TSN 是為了解決工業領域中的互操作性孕育而生的標準協議,廠商設備之間可以進行非常好的互聯互通。TSN 是基于以太網標準的確定性實時通信機制,定義了極其準確、極易預測的網絡時間,具備高數據量傳輸與優先權設定功能等優勢。TSN 是其它工業以太網協議的基礎,現有的工業以太網協議未來將會成為 TSN 網絡之上的專屬網絡協議,因此這類協議依舊會存在,但彼此之間不會互相取代。

  NB-IoT 是由 3GPP 定義的基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術,它支持海量連接、有深度覆蓋能力、功耗低,適合于傳感、計量、監控等工業數據采集應用,可滿足這些應用對廣覆蓋、低功耗、低成本的需求,目前廣泛商用的 2G/3G/4G 及其他無線技術都無法滿足這些挑戰。

  NB-IoT 單小區可支持 5 萬用戶,NB-IoT 可以比現有無線技術提供 50~100 倍的接入數;NB-IoT 比 LTE 提升 20dB 增益,很好實現廣域覆蓋,就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。NB-IoT 引入超長 DRX 省電技術和 PSM 省電態模式,可讓設備時時在線,通過減少不必要的信令和在 PSM 狀態時不接受尋呼信息來達到省電目的,保障電池 5 年以上的使用壽命。

  從發展態勢看,5G 目前還處于技術標準的研究階段,5G 有望 2020 年正式商用。目前,有線連接在工業數據采集連接數量方面占主導地位。但預測顯示,從 2022 年到 2026 年,5G 物聯網連接的平均年復合增長率將達到 464%。


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