IIoT-шлюзы

Промышленные IIoT-шлюзы

IIoT Gateway обеспечивает обмен данными между оборудованием операционного уровня OT и информационными системами IT. Шлюз может собирать данные от PLC, PAC, Remote I/O, приводов, счётчиков, анализаторов и другого оборудования, преобразовывать их в унифицированное представление и передавать в SCADA, базы данных, MES, Edge- или облачные платформы.

В отличие от простого преобразователя протоколов IIoT-шлюз может выполнять агрегацию множества источников данных, предварительную обработку, буферизацию, регистрацию и передачу информации нескольким потребителям.

Интеграция OT и IT

Одна из основных задач IIoT Gateway — соединение промышленного уровня OT с системами верхнего уровня.

На стороне оборудования могут использоваться Modbus RTU, Modbus TCP, OPC UA и другие промышленные протоколы, а на стороне IT — MQTT, OPC UA, базы данных, web API и облачные сервисы.

Набор поддерживаемых технологий зависит от конкретной аппаратной и программной платформы.

Southbound и Northbound протоколы

При выборе IIoT-шлюза полезно разделять интерфейсы и протоколы на southbound и northbound.

Southbound используется для получения данных от PLC, Remote I/O, измерительных приборов и другого полевого оборудования. Northbound обеспечивает передачу собранной информации SCADA, серверу, базе данных, MES или облачной платформе.

Один и тот же протокол, например OPC UA или Modbus TCP, в зависимости от архитектуры системы может использоваться на разных уровнях.

MQTT

MQTT широко применяется для передачи телеметрии между IIoT-шлюзами, серверами и облачными платформами по модели publish/subscribe.

При подборе необходимо учитывать поддерживаемую версию MQTT, возможности TLS, аутентификацию, QoS, структуру topics и способы преобразования внутренних тегов оборудования в MQTT messages.

Само наличие MQTT не является достаточным основанием считать устройство IIoT Gateway.

OPC UA

OPC UA используется для стандартизированного обмена промышленными данными между оборудованием, SCADA, программными приложениями и Edge-системами.

IIoT-шлюз может выполнять функции OPC UA Client, Server или обе роли. Поэтому характеристику «OPC UA» необходимо дополнять фактической ролью устройства.

Modbus RTU и Modbus TCP

IIoT Gateway может собирать данные от существующего оборудования по Modbus RTU через RS-485 и Modbus TCP через Ethernet.

При проектировании необходимо учитывать роль Master/Client или Slave/Server, количество подключаемых устройств, ограничения по количеству тегов и период опроса.

Преобразование промышленных протоколов

Многие IIoT-шлюзы дополнительно выполняют protocol conversion, позволяя передавать данные между устройствами с различными промышленными протоколами.

Если единственной или основной функцией изделия является непосредственное преобразование одного промышленного протокола в другой, такое устройство логичнее относить к шлюзам промышленных протоколов.

Сбор и нормализация данных

Оборудование разных производителей может представлять технологические параметры через различные адреса, регистры и протоколы.

IIoT Gateway позволяет собрать эти данные в одной точке и, в зависимости от программной платформы, преобразовать их в унифицированные теги для дальнейшего использования.

Edge-обработка данных

Некоторые IIoT-шлюзы способны выполнять вычисления непосредственно рядом с технологическим оборудованием: фильтрацию, масштабирование, математические операции, обработку событий и другую предварительную подготовку данных.

Edge processing позволяет уменьшить объём передаваемой информации и выполнять часть операций без постоянного обращения к удалённой системе.

Буферизация данных

При временной потере связи с сервером или облачной системой шлюз может сохранять данные локально и передавать их после восстановления соединения.

Наличие store-and-forward, размер локального буфера и алгоритм восстановления передачи необходимо проверять для конкретной модели и программной платформы.

IIoT Gateway и облачные платформы

Некоторые шлюзы имеют встроенные средства интеграции с публичными или частными облачными платформами.

Поддержка MQTT сама по себе не означает наличие готового коннектора к конкретному cloud provider. Необходимо различать стандартный протокол передачи данных и специализированную интеграцию производителя.

IIoT Gateway и PLC/PAC

PLC или PAC прежде всего выполняет детерминированную или циклическую программу управления технологическим процессом.

IIoT Gateway в первую очередь собирает, преобразует, агрегирует и передаёт данные между системами.

Современное устройство может сочетать обе функции. В таком случае классификация определяется основным назначением конкретной модели, а не только наличием CODESYS, MQTT или OPC UA.

IIoT Gateway и Remote I/O

Remote I/O обеспечивает непосредственное подключение физических DI, DO, AI, AO и других сигналов к системе управления.

IIoT Gateway может иметь собственные физические I/O, однако если его основной функцией является сбор и интеграция данных OT/IT, наличие I/O не делает его обычным Remote I/O.

IIoT Gateway и HMI

HMI обеспечивает визуализацию технологического процесса и взаимодействие оператора с системой управления.

Современная HMI может поддерживать MQTT, OPC UA, SQL и удалённый доступ, но остаётся HMI, если операторский интерфейс является её основной функцией.

IIoT-шлюз обычно работает без собственного операторского дисплея и ориентирован прежде всего на машинный обмен данными между системами.

IIoT Gateway и промышленный компьютер

Промышленный компьютер является универсальной вычислительной платформой, на которой может выполняться различное пользовательское программное обеспечение.

IIoT Gateway представляет собой специализированное аппаратно-программное решение для подключения оборудования и обработки или передачи промышленных данных.

Возможность установить MQTT, OPC UA или Node-RED на промышленный компьютер сама по себе не делает конкретную аппаратную модель IIoT-шлюзом.

IIoT Gateway и шлюз промышленного протокола

Шлюз промышленного протокола прежде всего преобразует данные между двумя различными промышленными сетями или протоколами.

IIoT Gateway обычно решает более широкую задачу: подключает множество источников, формирует модель данных, выполняет предварительную обработку и передаёт информацию системам верхнего уровня.

Ethernet и последовательные интерфейсы

Для подключения оборудования IIoT-шлюзы могут иметь несколько Ethernet-портов и последовательные интерфейсы RS-232/422/485.

Количество физических интерфейсов не определяет автоматически количество независимых сетей, одновременно поддерживаемых протоколов или максимальное количество подключаемых устройств.

CAN и промышленные сети

Некоторые платформы дополнительно поддерживают CAN, CANopen, EtherCAT и другие промышленные интерфейсы.

Наличие CAN-интерфейса не означает автоматическую поддержку CANopen или другого прикладного протокола.

Сотовая связь

Некоторые IIoT-шлюзы поддерживают LTE/4G или другие средства беспроводной передачи данных для подключения удалённых объектов.

Если сотовая связь является транспортным каналом IIoT-платформы, устройство может оставаться IIoT Gateway. Если основной функцией является IP-маршрутизация мобильного трафика, изделие следует рассматривать как сотовый маршрутизатор.

Кибербезопасность IIoT

При соединении производственной сети с IT- или облачными системами необходимо учитывать аутентификацию, шифрование, сертификаты, управление учётными данными, сетевую сегментацию и обновление программного обеспечения.

Поддержка TLS или VPN не превращает IIoT Gateway в полноценный промышленный межсетевой экран. Требования к cybersecurity необходимо рассматривать в архитектуре всей системы.

Количество тегов

Для программируемых IIoT-платформ одним из важных параметров может быть максимально поддерживаемое количество тегов.

Лимит может зависеть от аппаратной платформы, версии runtime, лицензии и используемых коммуникационных драйверов, поэтому его необходимо проверять для конкретной конфигурации.

Операционная система и программная платформа

IIoT Gateway может использовать специализированный firmware, embedded Linux, Windows или другую операционную систему.

Тип ОС сам по себе не определяет функциональность устройства. Для проекта важнее доступные драйверы оборудования, протоколы, runtime, механизмы обновления и возможности локальной обработки данных.

DIN-rail монтаж

Компактные IIoT-шлюзы часто предназначены для установки на DIN-рейку внутри шкафа автоматизации.

При выборе необходимо учитывать габариты, питание, рабочую температуру, расположение коммуникационных интерфейсов и необходимое пространство для подключения кабелей и антенн.

Как выбрать IIoT-шлюз

Сначала определяется оборудование, с которого необходимо получать данные, и используемые им промышленные протоколы. Затем определяется система назначения: SCADA, OPC UA Server, MQTT Broker, база данных, MES или облачная платформа.

После этого оцениваются требования к количеству тегов, частоте опроса, локальной обработке и хранению данных, сетевым интерфейсам, cybersecurity и условиям эксплуатации.

Основные параметры при подборе

• тип IIoT Gateway;
• программная платформа и runtime;
• количество поддерживаемых тегов;
• southbound-протоколы;
• northbound-протоколы;
• MQTT;
• OPC UA Client;
• OPC UA Server;
• Modbus RTU;
• Modbus TCP;
• другие промышленные протоколы;
• поддержка баз данных;
• cloud connectivity;
• локальная обработка данных;
• store-and-forward;
• Ethernet;
• RS-232/422/485;
• CAN;
• Wi-Fi;
• сотовая связь;
• локальное хранилище;
• операционная система;
• питание;
• монтаж;
• рабочая температура.

Подбор IIoT-шлюза под проект

Для подбора желательно предоставить перечень PLC, контроллеров и другого оборудования, используемые протоколы, количество собираемых параметров и описание системы, в которую необходимо передавать данные.

HPI Networks поможет подобрать IIoT Gateway, проверить поддерживаемые коммуникационные драйверы и роли протоколов, оценить аппаратную платформу и совместимость решения с архитектурой проекта.