По мере того как производственные предприятия, коммуникации и инфраструктурные системы всё чаще внедряют новые цифровые технологии, возникает растущая потребность в преодолении разрыва между ИТ-системами заводских цехов и системами машин, датчиков и управления. В этом отношении решение промышленного шлюза является важнейшим строительным блоком безопасной и расширяемой системы IIoT.
В этой статье представлен глубокий анализ шлюзового решения, его связи с другими системами, модульности и расширяемости, а также значимости этих особенностей для промышленных применений.
Объяснение решения Industrial Gateway
Решение Industrial Gateway сочетает аппаратное обеспечение и некоторые проприетарные программы для подключения разрозненных промышленных систем к корпоративным сетям, а также облачным сервисам. В отличие от стандартного офисного маршрутизатора, решение для промышленного шлюза предназначено для производственных или полевых объектов, а также для более надёжных условий, поддерживая различные протоколы связи и обработку данных в реальном времени.
В этом смысле стоит представить промышленный шлюз как устройство периферийных вычислений для сетевой инфраструктуры шлюзов, а также для формирования пакетов и приоритизации.
Ключевые особенности включают
• Прочная конструкция, устойчивая к сильным вибрациям и пыли, а также электромагнитная среда, включая прочные кабели.
• Гибкость в способе подключенияСотовое/NB-IoT, Wi-Fi, Ethernet и многое другое.
• Многие промышленные шлюзы используют четырёхъядерные процессоры на базе ARM для управления кибербезопасностью, трансляцией протоколов и локальной аналитикой.
Основные компоненты промышленного шлюзового решения
Существует множество способов интегрировать операционные технологии с информационными через промышленные шлюзы. Вот несколько из них.
• Агрегация данных — собирает данные с различных датчиков, счетчиков и промышленных контроллеров на одном объекте.
•Протокол — Modbus RTU/TCP, PROFINET, EtherCAT и OPC UA изменены на форматы MQTT, HTTP или другие облачные форматы.
• Edge processing — агрегация данных, фильтрация и сжатие происходят на краю, что снижает нагрузку на облачные вычисления и экономит пропускную способность.
• Защищённая коммуникация — сочетание аутентификации, шифрования и межсетевых экранов обеспечивает безопасность промышленных сетей, особенно на границе операционных технологий и ИТ, или когда сети отключены от интернета.
•Хранение и пересылка данных — данные временно хранятся в северном направлении, чтобы сохранить данные, которые в противном случае будут потеряны при разрыве соединения, а передача происходит автоматически при восстановлении сервиса.
•Управление устройствами — полевые устройства могут быть удалённо отслеживаны и обновляться без необходимости посещения объекта.
Ключевые технологии, лежащие в основе современных промышленных ворот
Последние технологические достижения позволяют современным промышленным шлюзам сочетать множество мощных функций, таких как периферийные вычисления, поддержка нескольких протоколов, встроенная безопасность — всё это в надёжном, готовом к работе форм-факторе.
1) Поддержка мультипротоколов
Используется множество промышленных протоколов связи. К ним относятся, но не ограничиваются, Modbus RTU/TCP, PROFINET, EtherCAT, BACnet, DNP3, OPC UA и MQTT. Хорошее промышленное решение для шлюза будет включать стеки протоколов на стороне OT для подключения к ПЛК, сенсору или контроллеру, а также IT-стеки для подключения к облачному сервису или корпоративной системе. Ценность шлюза заключается в конвертации протокола.
2) Edge Computing и локальная аналитика:
Современные шлюзы способны выполнять определённый объём обработки на устройстве, чтобы ограничить количество данных, отправляемых в облако. Это достигается с помощью фильтрации по краям, когда отправляются только значимые данные (то есть значение изменилось выше определённого порога). Это может сократить объём передаваемых данных до 90% в некоторых случаях телеметрии. Edge-вычисления позволяют запускать оповещения об операционных метриках и выполнять управляющие действия без облачного подключения.
3) Интеграция сотовой связи:
Для распределённых объектов, таких как счетчики коммунальных услуг или удалённые насосные станции, сотовая связь часто является самым практичным решением. Промышленные шлюзы, оснащённые встроенным сотовым модемом (4G LTE и всё чаще 5G), обеспечивают полезное широкопрозрачное подключение без стационарной инфраструктуры. Такие функции, как режим ожидания с двойным SIM-картой и автоматический резерв между сотовой связью, Ethernet и Wi-Fi, повышают надёжность шлюза.
4) Функции кибербезопасности
Растущая взаимосвязь промышленных сетей отодвинула безопасность на второй план в традиционный дизайн. Промышленное шлюзовое решение включает аппаратное шифрование, правила межсетевого экрана, списки контроля доступа, а также поддержку VPN. Современные решения также включают сегментацию сети и DPI для разделения критически важных управляющих сетей от более надёжных внешних сетей. Дизайн шлюзов также положительно связан с технологиями сегментации и DPI, которые включают политику нулевой доверия в промышленных сетях, при которой каждый компонент отвечает за аутентификацию и шифрование данных.
Тенденции на рынке и факторы роста промышленных шлюзовых решений
Спрос на промышленные шлюзовые решения стремительно растёт. Например, рынок промышленных IoT-шлюзов оценивается в $450 млрд в 2025 году и ожидается рост до $647 миллиардов в 2032 году при среднегодовом темпе 5,33%. Рынок промышленных коммуникационных шлюзов имеет меньший масштаб и, как ожидается, вырастет с 2,64 миллиарда долларов в 2025 году до 4,35 миллиарда долларов к 2032 году при среднегодовом темпе роста 7,40%.
Следующие факторы способствовали быстрому росту промышленных шлюзовых решений:
• Внедрение систем предиктивного обслуживания: промышленное шлюзовое решение позволяет отслеживать состояние оборудования и прогнозировать отказы, тем самым устраняя незапланированные простои.
• Внедрение Индустрии 4.0 и умных фабрик: На производственных предприятиях, оцифрованных в эксплуатации, необходимость подключения старого оборудования к новым ИТ-системам стала более критичной. Шлюзы служат звеном автоматизации в brownfield-проектах.
• Расширение внедрения умных сетей и AMI/AMR: Системы передовой инфраструктуры учёта (AMI) и автоматизированного считывания счетчиков (AMR) внедряются коммунальными компаниями в масштабах. В этих сетях ключевые элементы являются промышленными шлюзами, сочетающими сотовую связь с трансляцией протоколов (для DLMS/COSEM, Modbus и других утилитарных протоколов).
• Интеграция на периферии ИИ: ряд промышленных шлюзов включает движки вывода ИИ. Это означает, что эти шлюзы могут выполнять аналитические функции, такие как обнаружение аномалий, непосредственно на устройстве и избегать необходимости передавать потоки видео или датчиков в облако.
Промышленные шлюзовые решения и их применение
Каковы применения промышленных шлюзовых решений в различных отраслях?
1) Умное производство
Шлюзы связывают программируемые логические контроллеры (ПЛК), машины с числовым управлением (ЧПУ), роботизированные устройства и системы зрения как на цех, так и в облаке. Шлюзовые решения позволяют выполнять логические и протокольные преобразования (например, PROFINET в MQTT), консолидировать данные с производственных площадок и помогать в проектировании панелей управления в реальном времени для использования супервайзерами на их производственных площадках.
2) Коммунальные сети и подстанции
В электросетях шлюзы объединяют данные с удалённых терминальных блоков (RTU), защитных реле и умных устройств счёта измерения. Они преобразуют IEC 61850, DNP3 или Modbus в защищённый облачный протокол для контролируемого удалённого мониторинга распределённых энергетических ресурсов.
3) Управление водными и сточные воды
Удалённые насосные станции, очистные станции и сотовые шлюзы интегрируются с последовательными (RS-485 Modbus RTU) интерфейсами к системам SCADA и сообщают о расходах, давлении и химических веществах.
4) Умные города
Датчики светофоров, а также датчики окружающей среды и шума — примеры устройств, управляющих распределённым характером городских ресурсов. Промышленный шлюз с 4G и 5G может подключать полевые устройства к системам управления городом.
5) Объекты возобновляемой энергетики
Удалённые промышленные солнечные и ветровые электростанции могут использовать промышленные шлюзы для выдержки суровых полевых условий. Они могут легко передавать полевые данные через сотовые сети.
Краткое содержание
Промышленное шлюзовое решение интегрирует промышленное оборудование с ИТ-системами с использованием агрегации данных и трансформации протоколов, периферийных вычислений и безопасных соединений. Она закладывает основу автоматизации и умных сетей и позволяет создать более широкую промышленную автоматизацию и предиктивное обслуживание. По мере развития конструкций 5G и Zero Trust значение шлюза усиливается. Для инженеров и специалистов по закупкам необходимы знания в области передовой обработки, поддержки протоколов, промышленной прочности и безопасной промышленной среды для создания эффективных и устойчивых промышленных IoT-систем.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: В чём самое большое различие между стандартным роутером и промышленным шлюзом?
Ответ: Стандартный маршрутизатор отправляет IP-пакеты, в то время как промышленные шлюзы преобразуют протоколы (такие как Modbus в MQTT), выполняют обработку на периферии и строятся прочно для экстремальных условий.
Вопрос: Возможно ли использовать промышленный шлюз на старых системах, если у них только последовательные порты?
Ответ: Абсолютно. Промышленные шлюзы имеют интерфейсы RS-232 и RS-485 для устаревших ПЛК, счетчиков, контроллеров и тому подобного.
Вопрос: С промышленным шлюзом нужны ли мне дополнительные продукты безопасности?
Ответ: Обычно нет. Промышленные шлюзы оснащены межсетевыми экранами, встроенными VPN с IPsec/OpenVPN, аппаратным шифрованием и управлением доступом в качестве стандартных функций.
Вопрос: Какие доступны мобильные варианты?
О: Большинство шлюзов обеспечивают 4G LTE, 5G и NB-IoT. Несколько шлюзов имеют режим ожидания Dual SIM, а резервное подключение к сотовому, Ethernet и Wi-Fi встроено.
Вопрос: Каково максимальное сокращение количества передаваемых данных благодаря фильтрации краёв?
О: В некоторых телеметрических приложениях просто отправка изменений, превышающих установленный порог, может уменьшить количество передаваемых данных до 90%.
