工业互联网数据采集技术 课件 任务6.2工业网关配置

项目6工业数据采集综合应用任务6.2

工业网关配置任务6.2工业网关配置任务目标了解工业网关的结构和性能；

掌握网关的选型原则及要点；

熟悉工业现场操作规范；

能够完成工业网关的配置；

能够使用工业网关采集数据。知识链接工业网关结构工业网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，如图所示，网关具有多个用于连接设备的下行通信接口（南向接口），一个或者多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口（北向接口），通过连接两个或多个异构的网络，使之能够互相通信，实现不同协议之间的数据交互。知识链接工业网关结构图工业网关能够实现桥梁作用的关键，是因为具有协议转换功能，如图所示，这是它最核心最重要的功能。工业生产设备使用的控制器（如数控系统、工业机器人、PLC等）一般都采用私有或专用的工控协议，比如常见的标准工控协议Modbus、ProfiBus、OPCUA和BACnet等，工业工业网关与设备连接时，需要对这些协议进行解析。知识链接工业网关选型要素工业网关作为工业互联网平台与设备层连接的窗口，应根据工业现场的实际情况，支持适合的网络格式，并具备对应设备的行业接口，能直接与工业设备通信。通过有线、无线多种连接方式连接工业以太网或互联网，实现终端设备有效接入工业互联网平台。因此，对工业网关进行选型时，需要根据不同的现场情况和设备情况考虑以下指标知识链接工业网关选型要素支持的工业通信协议：由于企业需要进行互联的工业设备已经部署在工业现场执行生产任务，这些设备存在着系统架构不同、通信协议不同等异构特性，特别是大量设备存在私有协议，给互联互通带来很多困难，如果将这些工业设备全部更新换代成使用统一标准接口的终端设备需要耗费大量的资金，这是很难实现的；既然工业设备的标准化难以实现，那么在为项目选型工业网关时，就需要考虑该网关是否支持对应的工业现场设备的通信协议。知识链接工业网关选型要素支持的设备通信接口：工业网关选型时，需要根据现场工业设备的接口、串口种类和数量需求，选择符合要求的工业网关产品，否则需要增加转接设备，增加额外成本。可转发的平台接口：工业网关采集到工业设备数据之后，需要把数据转发到工业互联网平台，因此需要具备转发到工业互联网平台的接口协议，在选型的时候需要考虑选用的工业网关的转发接口是否匹配要对接的工业互联网平台。知识链接工业网关选型要素最大的采集点数：采集点数也是工业网关的重要影响因素，为项目选型工业网关时，需要根据业务需求和设备采集点表考虑，网关最大支持的采集点数必须大于业务需求的点数，并留有一定的冗余，以保证扩展性；其次，要保证传输精度和采集速率，从而确保数据的准确性和实时性。知识链接工业网关选型要素网关的联网方式：此处的联网方式是指工业网关与工业互联网平台的联网通信方式。工业网关的联网方式与使用环境相关，通常的联网方式有：蜂窝（4G、5G等）、以太网、WIFI等。需要根据工业现场环境、平台服务器部署要求来确定联网方式。蜂窝方式网络更加独立不受现有网络布局限制，但有资费支出，且有信号要求；以太网方式网络最稳定，但需结合现有网络布局进行布线；WIFI方式，不受现有网络布局限制，但网络易出现波动。知识链接6-4如何选用工业网关工业网关选型要素网关的可靠性：鉴于工业的高可靠性要求，工业网关应满足恶劣的工业现场环境和日益复杂的工业过程控制要求。网关需要坚固耐用，具有较宽的工作温度范围、较强的抗电磁干扰能力等。除此之外，需要保证数据采集及通信的可靠性，在最大最小通信速率下，数据丢包率和数据错误率要在允许的误差范围内。因此选择的工业网关能适应的工作环境的温湿度需要满足工业现场的环境温湿度范围、抗电磁干扰要求、IP防护等级要求等。例如，钢铁行业的环境温度可达85℃，在选型时就不能选用仅满足工业现场常用的-20~55℃工作温度范围的网关。工业网关选型要素说明：抗电磁干扰能力，使用EMC等级进行判断，EMC标准分为1~4级，等级越高抗干扰能力越好。电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。知识链接工业网关选型要素网关的硬件配置：网关的硬件配置影响其存储和运算能力，从而影响网关的最大采集点数、采集频率、断点续传能力。因此对工业网关选型时，需要匹配项目需求进行综合考虑确定。网关的硬件配置包含如下内容知识链接工业网关选型要素硬盘：是网关主要的存储设备，除存储程序固件及配置文件外，还缓存一些数据。例如：在网络不同的情况下，工业网关采集的数据局无法实时上传至平台，此时这些数据将存储在硬盘内，等网络恢复通信时，工业网关再将这些数据上传至平台。补充说明：断点续传：在一些极端的工业场景下，比如偏远地区的工厂、或者是发生自然灾害，网络的不确定性很大，为适应现场网络的不确定性、提高工业网关的容错机制，在选型时需要考虑断点续传能力，确保在遇到网络中断时，网关继续准确采集，将数据缓存到非易失设备中，并在网络恢复正常时，把缓存数据通过转发通道补传到工业云平台。知识链接工业网关选型要素CPU：CPU作为系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。目前工业网关使用的CPU主要有3种，一是使用单片机，没有软件操作系统；二是使用ARM架构，其软件系统为Linux操作系统；三是使用x86架构，软件系统为Windows操作系统。CPU主要参数为主频和核心数，反应CPU的重要性能。内存：内存也称为内存储器或主存储器，是系统的重要部件之一，用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。内存的运行速度也决定了计算机整体运行的快慢。知识链接工业网关选型要素网关边缘的计算能力：随着计算能力的不断下沉，已涌现出越来越多的边缘计算网关。现场采集的实时数据在工业网关内部进行本地处理、清洗、存储，甚至在本地完成分析和决策，最后将数据上传到云端。这样减少了单个传感器和云端的计算负担，以及机器与机器之间的沟通流量。如果工业现场对快速处理并反馈设备的实时数据有明确需求，选型工业网关可以把边缘计算能力考虑进去。一般情况下，工业网关的边缘计算不作为主要指标进行工业网关选型考虑。知识链接任务实施—工业网关安装与配置任务目的根据工业现场操作规范正确安装网关；能够完成网关网络连接设置；能够完成网关时间同步设置；能够完成边缘计算功能设置；能够完成云服务设置；能够完成数据采集设置。任务实施—工业网关安装与配置安装注意事项空间和环境要求：确保工业网关有足够的安装空间，避免潮湿、高温、易燃易爆等恶劣环境。同时，要确保网关附近有良好的通风条件，以保证设备的正常运行。安装位置：工业网关应该安装在易于操作和维护的位置，同时要避免受到机械振动和电磁干扰。建议安装在离地面1.5米以上的位置，以减少线缆拖地的风险。接线要求：在连接电源、网络和其他设备线缆时，要确保线缆牢固可靠，避免线缆过度弯曲或受到拉伸。同时，要正确连接零线和火线，避免接反。任务实施—工业网关安装与配置安装注意事项接地要求：确保工业网关良好接地，以降低漏电风险。接地线应连接到设备的接地端子，并确保接地电阻符合相关规定；安放标准：安装时，请保持工业网关水平，以确保设备内部元件正常工作；开机前的检查：在开机前，检查工业网关的各项配置是否正确，如IP地址、子网掩码、网关等。同时，检查设备接线是否牢固，周围环境是否安全；通电要求：在正式开机前，建议先给工业网关通电12小时，以确保设备充分启动并稳定运行；测试与调试：在完成安装后，需要进行测试与调试，确保工业网关正常工作。可以通过与其他设备进行通信测试，验证数据传输的稳定性和准确性。任务实施—工业网关安装与配置操作规范示例准备工作：明确电源端口与RS-485端口的分布与接线方式；明确电源正负极端口后，进行电源检测；进行操作之前，需要准备低压绝缘手套劳保用品和万用表工具，使用前请认真检查万用表本体、测量笔套装是否有破损情况；启动设备的供电电压，找准设备直流电压正负极位置，使用测量笔（黑色笔测负极，红色笔测正极），测量电源电压是否与网关电源参数要求相符。任务实施—工业网关安装与配置网关接线图电压检测操作示意图任务实施—工业网关安装与配置操作规范示例电源与网络端口接线：先准备好24V直流电源，并按电源说明为其连接供电线路将网关上的电源接线端与电源模块的直流输出端相连，并注意正负网络端口有两个，WAN和LAN端口，本次项目实践接LAN口任务实施—工业网关安装与配置工业智能网关配置网络参数设置网关网络连接设置网关时间同步设置边缘计算功能设置云服务设置数据采集设置任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置设置PC的IP地址：第一种方案是自动获取IP地址，如示例图所示。第二种方案都是使用固定IP地址，具体操作如下：选择“使用下面的IP地址”，输入IP地址（默认为~54中任意值），其余参数参考示例图，单击确定。网络参数设置自动获取IP示意图设置固定IP示意图任务实施—工业网关安装与配置任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置打开浏览器，在浏览器网址框输入，访问网关的LAN口IP地址；输入登录用户名和密码，设备出厂的用户名为adm，默认密码为123456。由于浏览器会进行安全防护，请点击高级进入隐藏详情，点击下方继续访问即可；登录成功后，可以看到如图所示的网页，从网页中可以看到该网关的详细参数。任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置网关配置页面图任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置如需修改WEB管理界面的用户名和密码可进入网关的“系统管理>>用户管理”页面设置新的用户名和密码，如需修改LAN口的IP地址可按照图示操作指示访问网关的“网络>>网络接口>>LAN”页面进行修改任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置用户管理配置页面图任务实施—工业网关安装与配置网络参数设置LAN口配置页面图任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置使用SIM卡拨号连接网络：将SIM卡插入卡槽（注意：插拔SIM卡操作时，必须拔掉电源，以免造成数据丢失或设备损坏），插入SIM卡后将4GLTE天线与ANT口连接，接通网关的电源。接下来按图示操作。任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置连接状态页面图任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置使用以太网连接Internet：进入网关配置的“网络>>网络接口>>WAN”页面，配置WAN口的IP地址（网络类型为静态IP地址时需要根据现场网络情况配置IP、子网掩码等信息）并点击提交进入“网络>>路由>>静态路由”页面，为WAN口添加静态路由（接口项选择“WAN”，其余项根据现场网络情况配置）并点击提交。最后进入“系统管理>>工具”页面，使用Ping命令检测网关是否成功接入网络。任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置WAN设置示意图任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置静态路由配置示意图任务实施—工业网关安装与配置网关网络连接设置Ping操作示意图任务实施—工业网关安装与配置网关时间同步置标准时间的设定：在1884年的国际子午线会议上，将全球以英国格林尼治天文台旧址为中时区（零时区），东、西各12个时区，共24个时区，每个时区横跨经度15度，时间正好是1小时，称为格林威治时间(GMT,GreenwichMeanTime)；1972年后采用全球统一使用国际无线电咨询委员会规范的世界标准时间（UTC，CoordinatedUniversalTime），相较而言，UTC计时更精准；中国国内采用中国标准时间(CST,ChinaStandardTime),CST以北京时间为参考，按照时区划分标准，北京处于东八区，所以中国标准时间与世界标准时间的关系是：CST=UTC+8；在精度要求不高，能接收秒级误差，可使用CST=GMT+8进行时间换算；为了确保工业数据时间同步，2012年IEEE成立TSN（Time-SensitiveNetwork，时间敏感网络）工作组，开发了一系列数据链路层协议规范，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网局域网，目前TSN技术在工业互联网应用较为广泛。任务实施—工业网关安装与配置网关时间同步置时间同步操作：进入网关配置页面后，点击系统管理菜单，进入系统时间模块，选择UTC+8:00中国大陆选项，如图所示。配置成功后，设备采用NTP(NetworkTimeProtocol,网络时间协议)作为时间同步协议；默认采用作为同步服务器，该地址是一组时间服务器虚拟集群，包含了全球3000多台时间服务器，服务器会根据时区为客户提供统一的时间信息服务；中国国内的时间服务器为，国内用户也可采用该地址用作NTP服务器地址；选用统一的时间服务参考，可确保数据的时间信息统一、准确。任务实施—工业网关安装与配置网关时间同步置时间同步设置示意图任务实施—工业网关安装与配置边缘计算功能设置打开配置界面，进入边缘计算选项，选择python边缘计算引擎，选择“启动”即可任务实施—工业网关安装与配置边缘计算功能设置进入“边缘计算>>Python边缘计算”页面，点击添加按钮并选择需要安装的App包文件，随后点击确定任务实施—工业网关安装与配置边缘计算功能设置启用后App将在网关中运行并且每次开机后自动运行，实际运行状态如图所示任务实施—工业网关安装与配置云服务设置进入“边缘计算>设备监控>云服务”页面，勾选启用云服务并配置相应的MQTT连接参数和发布及订阅消息（本文档以配置发布消息为例），配置完成后点击提交；需要注意的是，云平台类型要根据实际情况选择，厂商在系统里已经集成了MQTT协议，并与相关设备做了配套设置，可以正常使用，再将网关设备ProductKey、DeviceName及相关参数填写进去即可，具体操作如图所示。任务实施—工业网关安装与配置云服务设置云服务配置示意图任务实施—工业网关安装与配置数据采集设置本次数据采集设置以采集启动信号为例进行介绍。数据采集设置之前需要明确任务的网络拓扑图，如图所示，本次的采集目标为按钮启动信号任务实施—工业网关安装与配置数据采集设置本次项目用到的PLC型号为S7-1200。首先打开博图软件，对PLC进行硬件组态。先在左边菜单栏点创建新项目，