工控系統(tǒng)中工業(yè)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程，包含多類(lèi)工業(yè)設(shè)備接入、多種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析、多源工業(yè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與預(yù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、人等要素信息的實(shí)時(shí)高效采集，需要大量 IT、OT 與 CT 核心關(guān)鍵技術(shù)支撐。

本報(bào)告所列工業(yè)數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)主要源于工業(yè)數(shù)據(jù)采集各相關(guān)方共同關(guān)切和發(fā)展急需的方面。工業(yè)數(shù)據(jù)采集主要涉及工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、物體標(biāo)識(shí)及解析、邊緣計(jì)算、工業(yè)人工智能等關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)數(shù)據(jù)采集常用工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)、TSN、NB-IoT、4G/5G 等，總體上可16分為有線和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

有線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)、TSN 等，現(xiàn)階段工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集主要采用有線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以保證信息實(shí)時(shí)采集和上傳，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐步向工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域滲透，已成為有線網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。主要包括短距離通信技術(shù) RFID、Zigbee、WIFI 等，用于車(chē)間內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)讀取、物品及資產(chǎn)管理、AGV 等無(wú)線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接；專(zhuān)用工業(yè)無(wú)線通信技術(shù) WIA-PA/FA、WirelessHART、ISA100.11a 等；以及蜂窩無(wú)線通信技術(shù) 4G/5G、NB-IoT 等，用于工廠外智能產(chǎn)品、大型遠(yuǎn)距離移動(dòng)設(shè)備、手持終端等的網(wǎng)絡(luò)連接。

現(xiàn)場(chǎng)總線主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題，是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線目前仍沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，很多公司都推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但彼此的開(kāi)放性和互操作性還難以統(tǒng)一，目前應(yīng)用較多的有 Profibus、CAN、LonWorks、HART、Modbus 等。

現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)界使用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)成熟穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)總線仍然是目前工業(yè)環(huán)境應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)單17性、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)受到許多用戶的喜愛(ài)。隨著中國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的進(jìn)一步深化，現(xiàn)場(chǎng)總線作為智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)從 2018 年開(kāi)始新增節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)逐步回升。

工業(yè)以太網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)在于：能夠使企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一；以太網(wǎng)容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，開(kāi)發(fā)技術(shù)廣泛，價(jià)格較低，容易獲得眾多廠商的支持。工業(yè)以太網(wǎng)近幾年快速發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，電磁兼容性、高低溫等工業(yè)特性已能夠滿足工業(yè)數(shù)據(jù)采集需求，在工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)占比逐步上升。

工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)：PON 通過(guò)無(wú)源器件組網(wǎng)，不受電磁干擾和雷電影響；采用自愈環(huán)形網(wǎng)絡(luò)支持并聯(lián)型，切換時(shí)間短、抵抗失效能力強(qiáng)；點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸架構(gòu)，終端并行接入，部署靈活；僅需單根光纖線傳輸，最遠(yuǎn)覆蓋 30 公里范圍；多業(yè)務(wù)承載，支持?jǐn)?shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音、時(shí)間同步等多種業(yè)務(wù)；高安全性，PON 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 ONU 安全注冊(cè)機(jī)制，下行數(shù)據(jù)傳送天然加密，上行數(shù)據(jù)傳送時(shí)分機(jī)制隔離。

TSN 是 IEEE 提出的一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TSN 是為了解決工業(yè)領(lǐng)域中的互操作性孕育而生的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，廠商設(shè)備之間可以進(jìn)行非常好的互聯(lián)互通。TSN 是基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的確定性實(shí)時(shí)通信機(jī)制，定義了極其準(zhǔn)確、極易預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，具備高數(shù)據(jù)量傳輸與優(yōu)先權(quán)設(shè)定功能等優(yōu)勢(shì)。TSN 是其它工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議未來(lái)將會(huì)成為 TSN 網(wǎng)絡(luò)之上的專(zhuān)屬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此這類(lèi)協(xié)議依舊會(huì)存在，但彼此之間不會(huì)互相取代。

NB-IoT 是由 3GPP 定義的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),它支持海量連接、有深度覆蓋能力、功耗低，適合于傳感、計(jì)量、監(jiān)控等工業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，可滿足這些應(yīng)用對(duì)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(wú)線技術(shù)都無(wú)法滿足這些挑戰(zhàn)。

NB-IoT 單小區(qū)可支持 5 萬(wàn)用戶，NB-IoT 可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供 50~100 倍的接入數(shù)；NB-IoT 比 LTE 提升 20dB 增益，很好實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋,就算在地下車(chē)庫(kù)、地下室、地下管道等信號(hào)難以到達(dá)的地方也能覆蓋到。NB-IoT 引入超長(zhǎng) DRX 省電技術(shù)和 PSM 省電態(tài)模式，可讓設(shè)備時(shí)時(shí)在線，通過(guò)減少不必要的信令和在 PSM 狀態(tài)時(shí)不接受尋呼信息來(lái)達(dá)到省電目的，保障電池 5 年以上的使用壽命。

從發(fā)展態(tài)勢(shì)看，5G 目前還處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究階段，5G 有望 2020 年正式商用。目前，有線連接在工業(yè)數(shù)據(jù)采集連接數(shù)量方面占主導(dǎo)地位。但預(yù)測(cè)顯示，從 2022 年到 2026 年，5G 物聯(lián)網(wǎng)連接的平均年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 464%。