IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用

鄒明偉，沈 洋，左英姣

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品與設(shè)備按照約定的協(xié)議，通過物聯(lián)網(wǎng)域名相連接，進(jìn)行信息交換與通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。工業(yè)產(chǎn)品與設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)域名的連接，首要的就是給工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)備匹配一個(gè)IP地址。而隨著IPv4的全球地址數(shù)瀕臨耗盡，IPv6應(yīng)運(yùn)而生，成為替代IPv4的下一代IP協(xié)議。

1 IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用

作為物聯(lián)網(wǎng)主戰(zhàn)場(chǎng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，使得互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，對(duì)于解決目前產(chǎn)能過剩、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和生產(chǎn)管理等問題和提高生產(chǎn)效率有重大意義。但是既有的IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，主要表現(xiàn)為無法提供充足的地址空間和受到傳輸安全的制約[1-2]。目前，IPv4地址資源已無法滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的使用，推進(jìn)IPv6便成為目前的一種解決方案。相比之下，IPv6采用128位地址空間，可以提供的地址數(shù)量是IPv4的296倍。其海量的地址空間不僅可以滿足人和物兩者之間任意組合的通信方式，還可以滿足具有大規(guī)模密集部署特性的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景[3]。此外，IPv6協(xié)議改進(jìn)了原有協(xié)議的安全性和擴(kuò)展性，擴(kuò)大了地址空間，打破了底層設(shè)備技術(shù)多樣性帶來的相互通信與互操作障礙，同時(shí)使得尋址能力、服務(wù)質(zhì)量和安全性能均有提升，在安全性、移動(dòng)管理、服務(wù)類型等方面也有更好的支持，已成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。因此，在以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用IPv6協(xié)議，構(gòu)建全I(xiàn)P化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。

儀器儀表是國(guó)家裝備制造的基礎(chǔ)，其制造水平代表了國(guó)家的制造能力。流量?jī)x表作為具有代表性的測(cè)量?jī)x表之一，已廣泛應(yīng)用于石油天然氣、石油化工、水處理、食品飲料、制藥、能源、冶金、紙漿造紙和建筑材料等行業(yè)，但流量?jī)x表制造企業(yè)的智能化、自動(dòng)化程度與產(chǎn)能普遍存在瓶頸。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，流量?jī)x表制造企業(yè)為了減少資源浪費(fèi)、提高生產(chǎn)效率，加大了對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)與智能化監(jiān)控的投入。結(jié)合IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升生產(chǎn)效率已勢(shì)在必行。通過研究流量?jī)x表的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)化流量調(diào)節(jié)等技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地記錄現(xiàn)場(chǎng)流量?jī)x表的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。研究生產(chǎn)信息、裝置控制信息、環(huán)境控制、表計(jì)數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，規(guī)模化生產(chǎn)。

2 IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)，將具有感知、采集、監(jiān)測(cè)、控制等能力的各類設(shè)備融入工業(yè)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)到智能工業(yè)的轉(zhuǎn)化，達(dá)到降低產(chǎn)品成本、減少資源消耗、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高制造效率的目的。流量?jī)x表的測(cè)量方法和儀表種類繁多，應(yīng)用范圍廣。在某些惡劣環(huán)境或水務(wù)遠(yuǎn)程抄表環(huán)境中，控制人員需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的流量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。結(jié)合流量?jī)x表制造與應(yīng)用場(chǎng)景的特色，從技術(shù)角度分析，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分為三個(gè)部分:一是設(shè)備端，二是網(wǎng)絡(luò)端，三是服務(wù)端。

設(shè)備端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、工藝邏輯執(zhí)行及控制。設(shè)備端不僅需要采集工藝現(xiàn)場(chǎng)的流量數(shù)據(jù)，也需要對(duì)原始流量信號(hào)進(jìn)行放大和運(yùn)算處理，并且能夠執(zhí)行一些邏輯控制。網(wǎng)絡(luò)端連接設(shè)備端和服務(wù)端，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)端面向各類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享和決策。服務(wù)端主要包括以下內(nèi)容：一是展示工藝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫面，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工藝流程一一對(duì)應(yīng)，實(shí)時(shí)畫面可以及時(shí)地反映工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況；二是查詢、編輯、保存、分析、打印各種數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線數(shù)據(jù)等；三是自動(dòng)生成運(yùn)行日志，及時(shí)保存現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，以備查詢和管理；四是顯示系統(tǒng)報(bào)警、診斷信息，便于系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時(shí)候，及時(shí)通知工作人員解決問題。

IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。設(shè)備端有檢測(cè)流量信號(hào)的電磁水表、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、液位計(jì)等流量?jī)x表，執(zhí)行命令的水泵、焊接機(jī)器人，采集流量?jī)x表數(shù)據(jù)并上傳無線通信模塊、網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)端有基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)、路由器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端與服務(wù)端的通信連接[4-5]；服務(wù)端有防火墻、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、液晶顯示大屏、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享和決策。

圖1 IPv6工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用架構(gòu)

2.2 設(shè)備端設(shè)計(jì)

設(shè)備端需要實(shí)現(xiàn)對(duì)流量信號(hào)的放大與運(yùn)算處理，采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備和物料的數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行情況，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)。在本應(yīng)用場(chǎng)景中，設(shè)備端包括三個(gè)部分:一是檢測(cè)流量信號(hào)的電磁水表、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、液位計(jì)等流量?jī)x表；二是執(zhí)行命令的水泵、焊接機(jī)器人；三是采集、上傳流量?jī)x表數(shù)據(jù)并接收服務(wù)端指令的無線通信模塊、SIC網(wǎng)關(guān)。

設(shè)備端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。在流量?jī)x表轉(zhuǎn)換器硬件主板及無線通信模塊上搭載RS-485通信技術(shù)，利用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集，無線通信模塊I/O端口通過繼電器獲取水泵、焊接機(jī)器人的狀態(tài)信息，通過控制水泵、焊接機(jī)器人的啟動(dòng)和停止，達(dá)到監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的目的。無線通信模塊利用IPv6 TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下發(fā)。

圖2 設(shè)備端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)端設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)端通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，作為紐帶負(fù)責(zé)將設(shè)備端獲取到的信息，安全、可靠地傳輸?shù)椒?wù)端，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行信息處理。為了具有更多的地址空間、更快的傳輸速率、更好的服務(wù)質(zhì)量、更方便快捷的網(wǎng)絡(luò)管理及更高的安全性能，在流量?jī)x表的應(yīng)用場(chǎng)景中利用基于IPv6 的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

IPv6是在 IPv4的基礎(chǔ)之上發(fā)展的第二代 Internet網(wǎng)絡(luò)，IPv6的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與 IPv4的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基本相同，即 TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，IPv6與IPv4的主要區(qū)別在于通信協(xié)議及技術(shù)的不同。IPv6的地址長(zhǎng)度為128位，采用十六進(jìn)制表示，有三種表示形式。本方案采用冒分十六進(jìn)制表示法，格式為X:X:X:X:X:X:X:X。其中，每個(gè)X表示地址中的16位二進(jìn)制。IPv6報(bào)文的整體結(jié)構(gòu)分為IPv6報(bào)頭、擴(kuò)展報(bào)頭和上層協(xié)議數(shù)據(jù)3部分。圖3是IPv6報(bào)頭結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在IPv4報(bào)頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，提升了數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸和處理效率。

原來的Internet安全機(jī)制只建立于應(yīng)用程序級(jí)，如E-mail加密、SNMPv2網(wǎng)絡(luò)管理安全、接入安全等，無法從IP層來保證Internet的安全[6]。IP級(jí)安全保證分組的鑒權(quán)和私密特性。其具體實(shí)現(xiàn)主要由IP的驗(yàn)證頭(authentication header,AH)和封裝安全載荷(encapsulating security payload,ESP)標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)。IPv6通過安全協(xié)議套、包頭認(rèn)證、安全包頭封裝、ESPDES-CBC方式及鑒權(quán)加私密方式實(shí)現(xiàn)了IP級(jí)的安全[7]。

網(wǎng)絡(luò)端基于IPv6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與無線通信模塊的網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)起者和接收者地址都具有IPv6協(xié)議地址，通信兩端通過建立基于IPv6地址的Socket套接字進(jìn)行表計(jì)流量數(shù)據(jù)、泵和機(jī)器人電流數(shù)據(jù)上傳和平臺(tái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)下發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信。

圖3 IPv6報(bào)頭結(jié)構(gòu)圖

2.4 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和分析，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的監(jiān)控和管理。服務(wù)端提供可適應(yīng)各種顯示終端的應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)，不管是LED大屏、桌面計(jì)算機(jī)，還是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的移動(dòng)終端，利用操作系統(tǒng)自帶的IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都可以在線監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、可視化分析運(yùn)行狀態(tài)、查看報(bào)警事件、故障維修派工、應(yīng)急事件響應(yīng)等，隨時(shí)隨地掌握遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和及時(shí)處理故障維修事件，最大限度降低因設(shè)備故障帶來的各種損失[8]。

服務(wù)端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。業(yè)務(wù)層將設(shè)備端上傳的數(shù)據(jù)通過IPv6數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行集成、存儲(chǔ)和分析，利用客戶端和管理端的各系統(tǒng)展示計(jì)量數(shù)據(jù)、生成圖文報(bào)表、可視化生產(chǎn)線、獲取診斷信息等，并實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中查看所需信息。

圖4 服務(wù)端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 應(yīng)用驗(yàn)證

利用電磁水表，實(shí)時(shí)采集流量，通過無線通信模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)水表的通信轉(zhuǎn)發(fā)，最終客戶端瀏覽器訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)提供的URL進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。供水管道上安裝一臺(tái)電磁水表，在線監(jiān)測(cè)水表的實(shí)時(shí)用水量，并與過往時(shí)期的歷史用水量進(jìn)行比對(duì)分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)用水量同比突增的情況時(shí)，可初步判定為非正常用水，并記錄發(fā)生該事件的時(shí)間。若一段時(shí)間過后實(shí)時(shí)用水量并未恢復(fù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間后，就認(rèn)為該水表的下游管道可能出現(xiàn)泄漏或爆管。工作人員通過對(duì)用水量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使系統(tǒng)自動(dòng)判斷供水管網(wǎng)在運(yùn)行過程中的突發(fā)異常，進(jìn)而向負(fù)責(zé)該管段的維護(hù)人員進(jìn)行預(yù)警提示。根據(jù)提示的內(nèi)容來確定發(fā)生異常的管道位置，達(dá)到幫助管道運(yùn)維人員及時(shí)掌握情況的目的，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維功能。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水泵和焊接機(jī)器人工作時(shí)段的工作電流。其中，通過水泵機(jī)組的工作電流判斷標(biāo)定生產(chǎn)線的能源消耗利用狀況，通過焊接機(jī)器人設(shè)備的工作電流判斷裝配生產(chǎn)線的能源消耗利用狀況。設(shè)備的工作電流數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)平臺(tái)，最終客戶通過瀏覽器訪問云平臺(tái)提供的URL進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過在泵房的設(shè)備，以及在智能生產(chǎn)裝配線的焊接機(jī)器人上安裝電流監(jiān)測(cè)傳感器，在線監(jiān)測(cè)電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與設(shè)備待機(jī)狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下的不同電流值進(jìn)行比對(duì)分析?？蛻粲涗浽O(shè)備待機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)、待機(jī)電流，以及負(fù)載工作時(shí)長(zhǎng)、負(fù)載電流等參數(shù)數(shù)據(jù)[9]。根據(jù)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行日能源消耗和待機(jī)/負(fù)載時(shí)長(zhǎng)占比的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)幫助設(shè)備能源監(jiān)測(cè)管理人員及時(shí)掌握情況的目的。

4 結(jié)論

基于IPv6的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在流量?jī)x表中的應(yīng)用方案充分利用IPv6的尋址能力、服務(wù)質(zhì)量與安全性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量?jī)x表計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程處理和分析，對(duì)流量?jī)x表生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，降低運(yùn)維成本，提高生產(chǎn)效率。

物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合是一片藍(lán)海。IPv6技術(shù)將承載核心傳輸，解決人和物、物和物的海量連接、快速傳輸和信息共享，帶來智能化體驗(yàn)[10]。未來的智能制造將基于泛在網(wǎng)絡(luò)，從無人化向協(xié)同化方向發(fā)展，從需求驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變。