隨著工業(yè)物聯(lián)網在制造業(yè)行業(yè)的廣泛應用，越來越多的制造業(yè)企業(yè)正通過5G工業(yè)物聯(lián)網創(chuàng)建新的生產模式，保證在經濟下行時，實現(xiàn)生產成本的大幅度降低；在經濟上行時，實現(xiàn)企業(yè)經濟效益的最大化，獲得更多的利潤。
那么，工業(yè)物聯(lián)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(yè)轉型？
一、5G工業(yè)物聯(lián)網概述
工業(yè)物聯(lián)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(yè)物聯(lián)網基礎設施，新建或改造產線級、車間級、工廠級等生產現(xiàn)場，形成生產單元廣泛連接、信息（IT）運營（OT）深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應用高效賦能的先進工廠。
在生產現(xiàn)場，不同的生產的設備，采用不同的工業(yè)協(xié)議，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大量的廠商私有協(xié)議。這種狀況的存在，主要因為工業(yè)軟硬件系統(tǒng)存在較強的封閉性和復雜性。要實現(xiàn)所有設備的互聯(lián)，需要對各種協(xié)議做解析并進行數(shù)據(jù)轉換，這是工業(yè)物聯(lián)網存量改造項目開展時最先遇到的問題。
二、5G工業(yè)物聯(lián)網解決方案的發(fā)展
在復雜多樣的工業(yè)場景中，要把產線的相關數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在基于互聯(lián)網的用戶界面，按照傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集軟件，例如Kepware、IOServer等；
2）整理配置PLC控制器數(shù)據(jù)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(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)存儲于本地工控機數(shù)據(jù)庫；
3）借助網絡將工控機數(shù)據(jù)通過OPC通訊協(xié)議匯聚到SCADA，完成工廠級數(shù)據(jù)匯聚；
4）完成SCADA系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)對接，將數(shù)據(jù)傳送到IT部門的數(shù)據(jù)庫上；
5）經過數(shù)據(jù)處理，最終呈現(xiàn)在生產主管的界面上。
最終網絡拓撲如下圖所示：
圖 一：傳統(tǒng)有線網絡架構
如上圖所示：受限于工控機系統(tǒng)能力，該系統(tǒng)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(shù)據(jù)集中和監(jiān)控，然后再由網絡將數(shù)據(jù)匯聚到中心機房SCADA，最終完成數(shù)據(jù)的集中和呈現(xiàn)。
5G數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)，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(lián)網系統(tǒng)的建設提供極大的便利。
在5G網絡推廣的初期，5G工業(yè)物聯(lián)網建設多數(shù)以試點或者小規(guī)模的應用為主，系統(tǒng)邏輯設計相對簡單，把產線工控機使用的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)IOServer簡單的部署到5G MEC服務器上來，完成物聯(lián)網系統(tǒng)的設備連接和數(shù)據(jù)采集，然后完成SCADA系統(tǒng)以及數(shù)字化應用平臺的建設。
系統(tǒng)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(tǒng)中的本地SCADA系統(tǒng)部署在MEC邊緣節(jié)點側，即可實現(xiàn)按設定周期，輪詢采集現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)的功能。
但是這種做法并不適合大規(guī)模應用到5G工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集，流量消耗過大。例如：現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)有線網絡的做法，在本地提供支持5G傳輸、具備IOServer系統(tǒng)功能的設備。
2.斷網數(shù)據(jù)丟失。5G無線網絡斷開時, 數(shù)據(jù)連接中斷，斷網期間的生產過程數(shù)據(jù)則無法獲取，底層PLC等數(shù)據(jù)不緩存數(shù)據(jù)，應用系統(tǒng)業(yè)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(tǒng)穩(wěn)定性問題。云端集中輪詢采集，占用大量的系統(tǒng)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(tǒng)的配置提出更高的要求， 就會提升建設成本。同時整個系統(tǒng)的正常運行強依賴于中心化的IOServer，出現(xiàn)任何運行問題，都會導致系統(tǒng)的業(yè)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(yōu)的解決方案。隨著技術的迭代，邊緣采集脫穎而出。捷創(chuàng)技術自主研發(fā)的JENET 5G智能工業(yè)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(tǒng)，來完成OT到IT數(shù)據(jù)解耦，這就是新興的“5G邊緣計算網關”。
圖三：JENET 5G/4G智能工業(yè)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(shù)據(jù)先做有效的過濾和計算，提煉出有效的數(shù)據(jù)和計算結果再上發(fā)給中心進行更高效的計算和統(tǒng)籌，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)運算效率和存儲資源的利用。
5G邊緣計算網關的出現(xiàn)讓傳統(tǒng)行業(yè)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(yè)、水利信息化、冶金信息化等行業(yè)。
使用5G邊緣計算網關完成5G工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)建設的方案如下：
圖 四：5G+ IIoT架構
如上圖系統(tǒng)中，使用到的JENET 5G邊緣計算網關是由捷創(chuàng)技術面向工業(yè)及商業(yè)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(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)解析：EthernetIP、S7、Melsec、Hostlink、Modbus等；
3）數(shù)據(jù)時標功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確時間標簽；
4）支持北向多協(xié)議兼容：MQTT、HTTP、Restful、OPC UA等；
5）支持斷點續(xù)傳功能：存儲斷網無法傳輸成功的數(shù)據(jù)，網絡恢復后完成記錄數(shù)據(jù)傳輸；
6）支持多規(guī)則計算：周期性調整、報警上報、數(shù)據(jù)。
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(tǒng)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(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉型極大的推動了工業(yè)控制和工業(yè)互聯(lián)網整合集成的發(fā)展，5G邊緣網關產品應運而生。這一產品綜合了高速數(shù)據(jù)采集、邊緣數(shù)據(jù)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(yè)互聯(lián)網的實現(xiàn)過程。目前這一新生事物已經有了一些工業(yè)實踐的支持，在汽車、有色金屬、輪胎、化工等多個行業(yè)的數(shù)據(jù)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(yè)互聯(lián)網中發(fā)揮更多的作用。
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