捷創技術邊緣計算網關，助力5G工業物聯網產業新發展
隨著工業物聯網在制造業行業的廣泛應用，越來越多的制造業企業正通過5G工業物聯網創建新的生產模式，保證在經濟下行時，實現生產成本的大幅度降低；在經濟上行時，實現企業經濟效益的最大化，獲得更多的利潤。
那么，工業物聯網究竟是什么？又是如何與5G通訊技術進行深度融合，賦能制造業轉型？
一、5G工業物聯網概述
工業物聯網是由三層結構組成：感知層、網絡層和應用層。在網絡層中，以5G為代表的新一代信息通信技術，打造新型工業物聯網基礎設施，新建或改造產線級、車間級、工廠級等生產現場，形成生產單元廣泛連接、信息（IT）運營（OT）深度融合、數據要素充分利用、創新應用高效賦能的先進工廠。
在生產現場，不同的生產的設備，采用不同的工業協議，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大量的廠商私有協議。這種狀況的存在，主要因為工業軟硬件系統存在較強的封閉性和復雜性。要實現所有設備的互聯，需要對各種協議做解析并進行數據轉換，這是工業物聯網存量改造項目開展時最先遇到的問題。
二、5G工業物聯網解決方案的發展
在復雜多樣的工業場景中，要把產線的相關數據呈現在基于互聯網的用戶界面，按照傳統的做法，大致需要如此的操作：
1）在產線配置工控機時，安裝專用的數據采集軟件，例如Kepware、IOServer等；
2）整理配置PLC控制器數據標簽，在工控機中配置對應驅動、輪詢周期、點位信息，完成對現場設備的數據采集，然后將數據存儲于本地工控機數據庫；
3）借助網絡將工控機數據通過OPC通訊協議匯聚到SCADA，完成工廠級數據匯聚；
4）完成SCADA系統與信息化系統對接，將數據傳送到IT部門的數據庫上；
5）經過數據處理，最終呈現在生產主管的界面上。
最終網絡拓撲如下圖所示：
圖 一：傳統有線網絡架構
如上圖所示：受限于工控機系統能力，該系統一般采用分布式結構，由產線工控機完成就近多臺設備的數據集中和監控，然后再由網絡將數據匯聚到中心機房SCADA，最終完成數據的集中和呈現。
5G數據采集的實現，需要通過5G專網為工廠的快速信息化提供一張低時延、大帶寬、廣連接的無線網絡，大大簡化工廠專網建設的成本和工程量，為物聯網系統的建設提供極大的便利。
在5G網絡推廣的初期，5G工業物聯網建設多數以試點或者小規模的應用為主，系統邏輯設計相對簡單，把產線工控機使用的數據采集軟件系統IOServer簡單的部署到5G MEC服務器上來，完成物聯網系統的設備連接和數據采集，然后完成SCADA系統以及數字化應用平臺的建設。
系統拓撲結構如下：
圖 二：5G+ IOServer架構
從上圖可以看出，簡單的把“圖二”的系統中的本地SCADA系統部署在MEC邊緣節點側，即可實現按設定周期，輪詢采集現場控制器數據的功能。
但是這種做法并不適合大規模應用到5G工業物聯網系統建設中，究其原因主要是：
1.流量浪費。MEC云端IOServer周期性全量的數據采集，流量消耗過大。例如：現場單臺PLC@1000點/S的采集頻率，每月需要約50G的通訊流量，此時只要邊緣端設備具備數據采集、篩選、過濾、變化上傳等策略，就可以大幅度降低網絡流量開銷。這種做法基本沿襲傳統有線網絡的做法，在本地提供支持5G傳輸、具備IOServer系統功能的設備。
2.斷網數據丟失。5G無線網絡斷開時, 數據連接中斷，斷網期間的生產過程數據則無法獲取，底層PLC等數據不緩存數據，應用系統業務將會受到影響，此時邊緣端能夠儲存斷點就顯得尤為關鍵。
3.算力占用、系統穩定性問題。云端集中輪詢采集，占用大量的系統資源（包括線程計算資源和網絡連接資源）。如果對于硬件系統的配置提出更高的要求， 就會提升建設成本。同時整個系統的正常運行強依賴于中心化的IOServer，出現任何運行問題，都會導致系統的業務停滯。
通過以上分析，核心網集中輪詢采集的方式，存在諸多弊端，不是一個最優的解決方案。隨著技術的迭代，邊緣采集脫穎而出。捷創技術自主研發的JENET 5G智能工業網關就是通過圖中所示的5G 接入設備的方式，集成IOServer的邊緣采集系統，來完成OT到IT數據解耦，這就是新興的“5G邊緣計算網關”。
圖三：JENET 5G/4G智能工業網關
5G邊緣計算網關相較之前的5G DTU、5G CPE，重點在于5G+邊緣計算。5G給傳輸帶來前所未有的高帶寬、低時延的網絡特性，邊緣計算一改之前的中心匯聚計算的模式，提倡去中心化應用。把感知層大量的數據先做有效的過濾和計算，提煉出有效的數據和計算結果再上發給中心進行更高效的計算和統籌，這樣可以大大提高數據運算效率和存儲資源的利用。
5G邊緣計算網關的出現讓傳統行業應用得以信息化升級換代，大量應用于智慧工廠、智能電網、交通運輸、智慧農業、水利信息化、冶金信息化等行業。
使用5G邊緣計算網關完成5G工業物聯網系統建設的方案如下：
圖 四：5G+ IIoT架構
如上圖系統中，使用到的JENET 5G邊緣計算網關是由捷創技術面向工業及商業場景推出的新一代智能網關，主要具有如下技術特征：
1）支持南向多種通訊接口的接入：以太網、RS485、RS232、IO等；
2）支持南向多種工業協議數據解析：EthernetIP、S7、Melsec、Hostlink、Modbus等；
3）數據時標功能：數據采集系統中的采集數據貼上精確時間標簽；
4）支持北向多協議兼容：MQTT、HTTP、Restful、OPC UA等；
5）支持斷點續傳功能：存儲斷網無法傳輸成功的數據，網絡恢復后完成記錄數據傳輸；
6）支持多規則計算：周期性調整、報警上報、數據。
此類邊緣產品構建的解決方案，可以很好的彌補以上提出的系統的弱點，為5G深入全連接工廠建設提供可靠的邊緣側解決方案。
工業企業的數字化轉型極大的推動了工業控制和工業互聯網整合集成的發展，5G邊緣網關產品應運而生。這一產品綜合了高速數據采集、邊緣數據過濾和處理和IIoT平臺高效通信等功能，在很大程度上簡化和改善了工業互聯網的實現過程。目前這一新生事物已經有了一些工業實踐的支持，在汽車、有色金屬、輪胎、化工等多個行業的數據采集、分析、診斷等方面都取得了實際效果，相信其綜合集成的性能一定會在今后的5G+工業互聯網中發揮更多的作用。
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