随着制造工厂、公用事业和基础设施系统日益采用新的数字技术，弥合工厂车间IT系统与机器、传感器和控制系统之间的差距的需求日益增长。在这方面，工业网关解决方案是安全且可扩展的IIoT系统最重要的构建模块。
本文深入分析了网关解决方案、其与其他系统的关联、模块化与可扩展性，以及这些特性在工业应用中的重要性。
工业网关解决方案解析
工业网关解决方案结合硬件和一些专有软件，将分散的工业系统连接到企业网络以及云服务。与标准办公路由器不同，工业网关解决方案设计用于工厂车间或现场环境及更坚固的环境，支持不同的通信协议和实时数据处理。
从这个意义上说，你应该把工业网关想象成一种用于网关网络基础设施、数据包整形和优先级排序的边缘计算设备。
主要特点包括
• 坚固的结构，能抵抗极端振动和灰尘，以及包括坚固电缆在内的电磁环境。
•连接方式的灵活性Cellular/NB-IoTWi-Fi、以太网等。
• 许多工业网关使用基于四核的Arm处理器来管理网络安全、协议转换和本地分析。
工业网关解决方案的主要组成部分
通过工业网关，有许多方式将运营技术与信息技术结合起来。这里有几个例子。
• 数据聚合——将不同传感器、电表和工业控制器的数据汇总到单一站点。
•协议 - Modbus RTU/TCP、PROFINET、EtherCAT 和 OPC UA 被更改为 MQTT、HTTP 或其他一些云友好格式。
•边缘处理——数据聚合、过滤和压缩在边缘进行，减轻云计算负担并节省带宽。
•安全通信——身份验证、加密和防火墙的结合确保工业网络的安全，尤其是在运营技术与IT边界，或网络断开互联网连接时。
•数据存储与转发——数据会暂时存储在北向方向，以保留连接中断时丢失的数据，服务恢复时传输会自动完成。
•设备管理——现场设备可远程监控和更新，无需现场访问。
支撑当代工业门户的关键技术
近期技术的发展意味着，如今的工业网关能够将多种强大功能结合起来，如边缘计算、多协议支持、内置安全，且都以坚固耐用、现场适用的形式呈现。
1）多协议支持
许多工业通信协议正在使用。它们包括但不限于Modbus RTU/TCP、PROFINET、EtherCAT、BACnet、DNP3、OPC UA和MQTT。一个好的工业网关解决方案会配备OT端协议栈，用于连接PLC、传感器或控制器，同时配备IT端协议栈，连接云服务或企业系统。网关的价值在于其协议转换。
2）边缘计算与本地分析：
现代网关能够对设备进行一定程度的处理，以限制发送到云端的数据量。这通过边缘过滤实现，只发送重要数据（即值已超过某个阈值）。这在多种遥测应用场景中，可将发送的数据量减少多达90%。边缘计算允许触发运营指标的警报，并允许在不依赖云的情况下执行控制操作。
3）蜂窝连接集成：
对于分布式资产，如公用事业电表或远程泵站，蜂窝连接通常是最实用的解决方案。配备嵌入式蜂窝调制解调器（4G LTE和日益增多的5G）的工业网关，在没有固定线路基础设施的情况下，提供了有用的广域连接。如双SIM待机和蜂窝网络、以太网和Wi-Fi之间的自动故障切换等功能，提升了网关的可靠性。
4）网络安全功能
工业网络日益相互连接使安全从次要位置走向主流设计。工业网关解决方案包括硬件加密、防火墙规则、访问控制列表以及VPN支持。高级解决方案还包括网络分段和DPI，将关键控制网络与更受信任的外部网络隔离开来。网关的设计还与工业网络中包含零信任政策的分段和DPI技术正相关，每个组件都负责数据的认证和加密。
工业网关解决方案的市场趋势及增长因素
对工业网关解决方案的需求正在迅速增长。例如，工业物联网网关市场预计2025年估值为4500亿美元，预计2032年将增长至6470亿美元，复合年增长率为5.33%。工业通信网关市场范围较小，预计将从2025年的26.4亿美元增长到2032年的43.5亿美元，复合年增长率为7.40%。
以下因素推动了工业网关解决方案的快速发展：
• 采用预测性维护系统：工业网关解决方案使得能够监控机械状态并预测故障，从而消除意外停机。
• 采用工业4.0和智能工厂：在数字化运营的制造工厂中，将旧设备与更新的IT系统连接的需求变得更加迫切。网关作为棕地项目中的自动化环节。
• 智能电网和AMI/AMR部署的扩展：公用事业公司正在大规模部署先进计量基础设施（AMI）和自动计量读数（AMR）系统。在这些网络中，结合蜂窝连接与协议转换（适用于DLMS/COSEM、Modbus及其他公用协议）的工业网关解决方案是关键的网络元素。
• 边缘人工智能集成：许多工业网关包含人工智能推理引擎。这意味着这些网关可以直接在设备上执行分析功能，如异常检测，避免将视频或传感器流传输到云端。
工业网关解决方案及其应用
工业网关解决方案在各行业的应用有哪些？
1）智能制造
网关连接可编程逻辑控制器（PLC）、数控（CNC）机器、机器人设备和视觉系统，无论是在车间还是云端。网关解决方案能够执行逻辑和协议转换（例如，PROFINET转换为MQTT）、整合车间数据，并协助设计实时数据仪表盘，供主管在其车间操作中使用。
2）公用电网和变电站
在电力配电网络中，网关整合来自远程终端单元（RTU）、保护继电器和智能计量设备的数据。他们将IEC 61850、DNP3或Modbus转换为安全的云协议，用于远程监控分布式能源资源。
3）水与废水管理
远程泵站、处理厂和蜂窝网关通过串口（RS-485 Modbus RTU）接口集成SCADA系统，报告流量、压力和化学物质水平。
4）智慧城市
交通信号控制器以及环境和噪音传感器是管理城市资源分布式特性的设备示例。配备4G和5G的工业网关可以将现场设备连接到城市管理系统。
5）可再生能源场地
偏远的工业太阳能和风电场可以使用工业网关来承受恶劣的田间环境。它们可以通过蜂窝网络轻松传输现场数据。
摘要
工业网关解决方案通过数据聚合和协议转换、边缘计算和安全连接，将工业设备与IT系统集成。它奠定了自动化和智能电网的基础，并推动了更大规模的工业自动化和预测性维护生态系统。随着5G和零信任结构的发展，网关的重要性日益凸显。对于工程师和采购专业人士来说，边缘处理、协议支持、工业坚固性和安全的工业环境知识，对于提供高效且有韧性的工业物联网系统至关重要。
常见问题解答
问：标准路由器和工业网关之间最大的区别是什么？
答：标准路由器发送IP数据包，而工业网关则将协议（如Modbus转换为MQTT），在边缘进行处理，并且在极端条件下设计得非常坚固。
问：如果老旧系统只有串口，工业网关是否可用？
答：绝对有。工业网关既有RS-232接口，也支持RS-485接口，用于传统PLC、电表、控制器等。
问：使用工业网关时，我需要额外的安全产品吗？
答：通常不会。工业网关标配防火墙、内置防火墙、带有IPsec/OpenVPN的VPN、硬件加密和访问控制。
问：有哪些蜂窝网络选项？
答：大多数网关提供4G LTE、5G和NB-IoT。多个网关支持双SIM待机，并且内置了蜂窝网络、以太网和Wi-Fi的故障切换功能。
问：通过边缘过滤，传输数据的最大减少幅度是多少？
答：在一些遥测应用中，仅发送超出定义阈值的变更，发送的数据量可减少多达90%。
