工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及應(yīng)用 - 安裝調(diào)試能源采集儀表

樹根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用》以技術(shù)積累與行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)賦能人才培養(yǎng)項(xiàng)目二

采集生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)任務(wù)二安裝調(diào)試能源采集儀表>>賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考任務(wù)描述采集方案得到甲方確認(rèn)后，開始能源采集儀表的安裝調(diào)試工作。這個(gè)環(huán)節(jié)中，唐工安排小鄭負(fù)責(zé)廠房?jī)?nèi)的電能源儀表的安裝任務(wù)，首先安裝的是就近有物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的電能源采集儀表的安裝。在本任務(wù)中，小鄭需要制作信號(hào)線端子和電源線，根根據(jù)接線原理圖把220V的供電電源接入到能源采集儀表，完成輸入電流和輸入電壓的接線；同時(shí)需要把電能源儀表與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS485接口進(jìn)行連接，全部接線完成后，需要對(duì)安裝好的能源采集儀表進(jìn)行上電測(cè)試，檢驗(yàn)是否正確安裝。知識(shí)導(dǎo)圖任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解電能源采集儀表的外觀結(jié)構(gòu)；了解電能源采集儀表的各種組網(wǎng)方式；技能目標(biāo)：能根據(jù)任務(wù)要求準(zhǔn)備勞保用品和工具；能使用萬(wàn)用表測(cè)量供電電壓；能制作信號(hào)線端子、電源線；能理解接線原理圖、安裝圖；熟悉電能源采集儀表的接口；熟悉電能源采集儀表的RS485組網(wǎng)方式；能正確完成電能源采集儀表的電壓、電流輸入進(jìn)行接線；能正確完成電能源采集儀表的供電電源接線；能正確完成能源采集儀表的通信接線；能規(guī)范操作能源采集儀表的通電測(cè)試。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考1.能源采集儀表的面板說(shuō)明RootBand-Pro(Z)智能采集終端（以下簡(jiǎn)稱根云小匠），是針對(duì)能源管理所開發(fā)的一款智能電力監(jiān)控儀表，能夠提供高精度的三相電壓、電流和功率等基本測(cè)量數(shù)據(jù)，并具有分時(shí)計(jì)費(fèi)、需量計(jì)算、剩余電流保護(hù)及溫度保護(hù)等功能。儀表的外觀如圖所示。1.能源采集儀表的面板說(shuō)明（1）天線接口：通過(guò)無(wú)線上網(wǎng)方式時(shí)，安裝對(duì)應(yīng)的天線以增強(qiáng)信號(hào)；（2）硬件序列號(hào)：每個(gè)硬件出廠唯一的編號(hào)；（3）接線端子：用于實(shí)現(xiàn)電氣連接；（4）SIM卡槽：用4G上網(wǎng)方式時(shí)，放置SIM卡的位置；1.能源采集儀表的面板說(shuō)明（5）指示燈指示燈說(shuō)明Run運(yùn)行狀態(tài)指示燈。正常運(yùn)行狀態(tài)下，Run指示燈每隔1秒亮一次，持續(xù)時(shí)間1秒

Net裝置的微功率無(wú)線/Lora模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)閃爍Data無(wú)線通信數(shù)據(jù)指示燈，裝置的無(wú)線模塊對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該燈會(huì)閃爍Comm.RS485通信指示燈，當(dāng)裝置通過(guò)RS485通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，該燈會(huì)閃爍1.能源采集儀表的面板說(shuō)明（6）液晶顯示：根云小匠可通過(guò)液晶查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，默認(rèn)界面顯示正向有功電能。其他顯示內(nèi)容，詳看附錄D。（7）按鍵：按鍵說(shuō)明如表所示。按鍵按鍵說(shuō)明▼短按切換顯示數(shù)據(jù)的組別（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、參數(shù)查詢）/輸入密碼/修改設(shè)置參數(shù)長(zhǎng)按退出設(shè)置新密碼頁(yè)面?短按確認(rèn)參數(shù)長(zhǎng)按進(jìn)入/退出參數(shù)整定界面2.能源采集儀表的接口說(shuō)明根云小匠的接口如圖2-2-2所示，其接口說(shuō)明如表2-2-3所示。序號(hào)端子號(hào)端口數(shù)量輸入/輸出端子定義①V1，V2，V3，VN4輸入電壓端子②DO11，DO12，DO21，DO224輸出繼電器輸出端子③1，2（?Ir，Ir-）2輸入剩余電流端子④3~10（TC1~TC4）8輸入測(cè)溫端子⑤I11，I12，I21，I22，I31，I326輸入電流端子⑥D(zhuǎn)IC，DI1，DI2，DI3，DI45輸入開關(guān)量輸入端子⑦D+，D-

RS485通信端子⑧L/+，N/-

電源端子根云小匠可以通過(guò)有線或者無(wú)線方式進(jìn)行組網(wǎng)。3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式以有線方式進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，通過(guò)根云小匠的RS485通信接口接入物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或其他采集服務(wù)器。以無(wú)線方式進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，則支持4種無(wú)線通信方式：GPRS無(wú)線通信、LoRa通信、NB-IoT通信、4G通信，這些通信方式在選型時(shí)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。通過(guò)根云小匠對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)這些無(wú)線通信方式，直接把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或者其他采集服務(wù)器。無(wú)線方式組網(wǎng)免去了接線，可以減少現(xiàn)場(chǎng)布線成本，降低施工成本，但是對(duì)環(huán)境的無(wú)線信號(hào)穩(wěn)定性要求會(huì)更高。有線方式無(wú)線方式（1）RS485通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式在儀表選型時(shí)首要考慮的是具有什么聯(lián)網(wǎng)通信接口；以前是數(shù)據(jù)模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。RS485代表通訊的物理介質(zhì)層和鏈路層，是一個(gè)對(duì)通訊接口的硬件描述，它只需要兩根通訊線，即可以在兩個(gè)或兩個(gè)以上的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接，是半雙工的通訊方式，在具體某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)設(shè)備只能進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。（1）RS485通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式根云小匠采用RS485接口通信時(shí)，使用的通信協(xié)議為ModbusRTU，波特率可選1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps，奇偶校驗(yàn)位和停止位都可以進(jìn)行設(shè)置；其組網(wǎng)示意如圖所示。該組網(wǎng)方案適用于集中安裝場(chǎng)所，如工廠內(nèi)部，大型商場(chǎng)等。（2）GPRS通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式GPRS（英文全稱為：Generalpacketradioservice，中文名稱為：通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)）是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。它經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代(2G)和第三代(3G)移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。最初有人想通過(guò)擴(kuò)展GPRS來(lái)覆蓋其他標(biāo)準(zhǔn)，只是這些網(wǎng)絡(luò)都正在轉(zhuǎn)而使用GSM標(biāo)準(zhǔn)，這樣GSM就成了GPRS唯一能夠使用的網(wǎng)絡(luò)。（2）GPRS通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式根云小匠GPRS信道的工作方式為客戶端方式，其通過(guò)GPRS信道與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立連接后進(jìn)行通信，工作模式為永久在線模式，在此模式下，只要上電后模塊檢測(cè)到GSM網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，即向主站發(fā)起數(shù)據(jù)連接。只要連接建立，模塊將一直工作于數(shù)據(jù)交換狀態(tài)；其組網(wǎng)方式如圖所示。該組網(wǎng)方案適用于分散、距離較遠(yuǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的場(chǎng)合。（3）LoRa通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式LoRa（英文全稱為：LongRangeRadio，中文名稱為：遠(yuǎn)距離無(wú)線電）是semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其最大的特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3-5倍。根云小匠電腦LoRa通信使用的是470-510MHz這個(gè)無(wú)線電計(jì)量?jī)x表使用的頻段。支持透?jìng)鞴δ?，通過(guò)設(shè)置參數(shù)可使能透?jìng)鞴δ埽摴ぷ髂Ｊ较?，裝置可將LoRa/RS485接收的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至RS485/LoRa接口；其組網(wǎng)方式如圖所示。該組網(wǎng)方案適用于分散安裝的環(huán)境場(chǎng)景，比如商業(yè)區(qū)、工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)合。（4）NB-IoT通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式NB-IoT（英文全稱為：NarrowBandInternetofThings，中文名稱為：窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是一種利用移動(dòng)基站進(jìn)行通信的窄帶低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它使用了授權(quán)的頻段，可直接部署于現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上，需要運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)和支持。根云小匠的NB-IoT通信的工作鏈接使用UDP鏈接，裝置通過(guò)NB-IoT信道向指定的服務(wù)器和端口發(fā)送UDP鏈接的數(shù)據(jù)，并且可以接收服務(wù)器發(fā)送的請(qǐng)求命令；其組網(wǎng)方式如圖所示。該組網(wǎng)方案適用低功耗的、廣域范圍的、傳輸數(shù)據(jù)量小且更新頻率也不高的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如水表、氣表、路燈、停車、共享單車、物流集裝箱、空氣監(jiān)測(cè)儀等各種戶外場(chǎng)景。（5）4G通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式4G通信技術(shù)（英文全稱為：the4thgenerationmobilecommunicationtechnology，中文名稱為：第四代移動(dòng)通信技術(shù)）是在3G技術(shù)上的一次更好的改良，其相較于3G通信技術(shù)來(lái)說(shuō)一個(gè)更大的優(yōu)勢(shì)，是將WLAN技術(shù)和3G通信技術(shù)進(jìn)行了很好的結(jié)合，使圖像的傳輸速度更快，讓傳輸圖像的質(zhì)量和圖像看起來(lái)更加清晰。在智能通信設(shè)備中應(yīng)用4G通信技術(shù)讓用戶的上網(wǎng)速度更加迅速，速度可以高達(dá)100Mbps。（5）4G通信組網(wǎng)3.能源采集儀表的組網(wǎng)方式根云小匠的4G信道的工作方式為客戶端方式，裝置通過(guò)4G信道與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立連接后，進(jìn)行通信。其4G通信模塊的工作模式為永久在線模式，只要上電后模塊檢測(cè)到LTE網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，即向主站發(fā)起數(shù)據(jù)連接。只要連接建立，模塊將一直工作于數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。該組網(wǎng)方案適用于不方便布線、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定且數(shù)據(jù)量不是非常大的場(chǎng)景。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考1.任務(wù)準(zhǔn)備本次任務(wù)采用的工具及勞保用具同“1.3.3任務(wù)實(shí)施”中的“1.任務(wù)準(zhǔn)備”。2.測(cè)量供電電壓戴好低壓絕緣手套，萬(wàn)用表設(shè)置為“測(cè)量交流電壓”，量程調(diào)至600V交流電檔位，打開供電電源開關(guān)。找準(zhǔn)交流電壓正負(fù)極位置，使用測(cè)量筆（黑色筆測(cè)負(fù)極，紅色筆測(cè)正極），測(cè)量電源電壓是否與智能電表的工作電壓相符（本次示例使用的是：品牌名為根云小匠、型號(hào)為RootBand-Pro（Z）的智能電表，以下簡(jiǎn)稱根云小匠，其工作電壓是交流電220V），如圖所示，圖中的電壓值在電壓偏差范圍內(nèi)。如果供電電源的電壓與電表參數(shù)電壓相符再進(jìn)行下一步操作，若不符則需重新選擇220V的供電電源。3.制作信號(hào)線按照任務(wù)1.3中“制作電源線端子”的操作步驟，制作信號(hào)線，并分別接入根云小匠的信號(hào)端子口，制作完成后的信號(hào)線端子如左圖所示。由于本任務(wù)需要使用上位機(jī)（電腦）對(duì)根云小匠進(jìn)行配置調(diào)試，因此信號(hào)線另一端需接入RS485/USB的轉(zhuǎn)換器以便調(diào)試，制作完成后的信號(hào)線如右圖所示。說(shuō)明：信號(hào)線長(zhǎng)度需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要接線長(zhǎng)度進(jìn)行裁剪。4.制作電源線本任務(wù)需要制作電源線，制作步驟參考1.3中“制作電源線端子”的剝線、壓線操作步驟，數(shù)量和電源線長(zhǎng)度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，如圖所示。5.安裝能源采集儀表（1）安裝前檢查安裝前應(yīng)進(jìn)行通電檢查，以保障根云小匠的可靠性和性能滿足設(shè)計(jì)要求。安裝前檢查安裝地點(diǎn)、環(huán)境負(fù)荷是否符合要求，周圍無(wú)振動(dòng)和易燃易爆物品，以及無(wú)腐蝕氣體等。安裝點(diǎn)的溫度和濕度不應(yīng)超過(guò)根云小匠規(guī)定的工作溫濕度范圍。檢查安裝位置，注意檢修方便，有足夠的的空間放置有關(guān)的線、端子排等必要的設(shè)備。關(guān)閉設(shè)備電源。5.安裝能源采集儀表（2）主機(jī)安裝圖采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式安裝，如圖所示。5.安裝能源采集儀表（3）接線原理圖如圖2-2-12所示是本任務(wù)使用的接線原理圖，本任務(wù)的負(fù)載（工作站）使用220V的單相電壓。5.安裝能源采集儀表（4）電流輸入接線本任務(wù)的需要采集能源數(shù)據(jù)的工作站的工作電壓為220V的單相電壓，因此采集單相電流；使用的是5A的開口電流互感器，其安裝圖如圖所示。5.安裝能源采集儀表（5）電壓輸入接線根云小匠可以直接接入220/380VAC的星形系統(tǒng)。如果被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓高于220/380V，則需要使用電壓互感器（簡(jiǎn)稱為PT）把電壓按比例降到裝置允許的輸入范圍內(nèi)。本任務(wù)的電壓輸入為220V，無(wú)需電壓互感器，實(shí)物接線接入完成如圖所示。5.安裝能源采集儀表（6）供電電源接線用交流電給根云小匠供電時(shí)，相線接L/+端，中性線接N/-端。用于直流電給根云小匠供電時(shí)，電源端子接線不需要區(qū)分正/負(fù)極。本任務(wù)使用的是220V交流電源給根云小匠供電，將220V電源按照下圖2-2-16所示正確的連接到L/+、L/-處。5.安裝能源采集儀表（6）供電電源接線供電電源接入根云小匠的電源線端子后，需要檢查線端子是否有短路情況。將萬(wàn)用表調(diào)整至蜂鳴檔，在無(wú)任何負(fù)載情況下（生產(chǎn)設(shè)備不通電），使用紅黑測(cè)量筆，測(cè)量正負(fù)電源線端子，如圖所示。若萬(wàn)用表蜂鳴器響，說(shuō)明兩個(gè)端子口之間有短路，需要檢查并重新接入，之后再次檢查。若萬(wàn)用表蜂鳴器不響且無(wú)數(shù)值，說(shuō)明無(wú)問(wèn)題，可執(zhí)行后續(xù)操作。5.安裝能源采集儀表（7）通信接線通信電纜可以采用普通的屏蔽雙絞線，長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要裁剪，但總長(zhǎng)度不宜超過(guò)1200米，各個(gè)設(shè)備的RS485口正負(fù)極性必須連接正確，電纜屏蔽層一端接地。如果屏蔽雙絞線較長(zhǎng)，建議在其末端接一個(gè)約120Ω的電阻以提高通信的可靠性。通信接線如圖所示：5.安裝能源采集儀表（7）通信接線本任務(wù)需要通過(guò)RS-485/USB轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)連接以便調(diào)試，通信線接線示意如圖所示。需要注意的是，根云小匠的D+接口需要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器的T/R+接口，以及對(duì)應(yīng)Gbox上的A1接口；根云小匠的D-接口對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器的T/R-借款，以及對(duì)應(yīng)GBox上的B1接口相接。說(shuō)明：如果需要拓展網(wǎng)關(guān)端口，可以將網(wǎng)關(guān)的A1、B1端口外接至接線端子中進(jìn)行轉(zhuǎn)接。6.設(shè)備通電測(cè)試（1）在給電表上電測(cè)試之前，需要檢查：電源線連接是否正確，電表供電是否為交流220V，以下操作步驟請(qǐng)?jiān)谂宕鹘^緣手套后進(jìn)行。（2）打開外部電源，為電表供電。（3）儀表上電后，如果連接正常，則Run指示燈每隔1秒亮一次，持續(xù)時(shí)間1秒，RS485通信正常時(shí)，Comm燈會(huì)閃爍；否則需要根據(jù)前面的步驟排查問(wèn)題，連接正常如圖2-2-19所示。測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題之后，根云小匠安裝調(diào)試的任務(wù)完成。7.常見故障排查（1）儀表上電后運(yùn)行燈不亮檢查電源電壓和其他接線是否正確，電源電壓應(yīng)在工作范圍以內(nèi)；關(guān)閉裝置和上位機(jī)，再重新開機(jī)。（2）儀表上電后工作不正常關(guān)閉裝置和上位機(jī)，再重新開機(jī)。（3）電壓或電流讀數(shù)不正確檢查接線模式設(shè)置是否與實(shí)際接線方式相符；檢查電流互感器（CT）變比是否設(shè)置正確；檢查GND是否正確接地；檢查屏蔽是否接地；檢查電流互感器（CT）是否完好。7.常見故障排查（4）功率或功率因數(shù)讀數(shù)不正確如果功率或功率因數(shù)讀數(shù)不正確，但電壓和電流讀數(shù)正確，則需對(duì)比實(shí)際接線和接線圖的電壓和電流輸入，檢查相位關(guān)系是否正確。（5）RS485通信不正常檢查上位機(jī)的通信波特率、ID和通訊規(guī)約設(shè)置是否與裝置一致；檢查數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位的設(shè)置和上位機(jī)是否一致；檢查RS232/RS485轉(zhuǎn)換器是否正常；檢查整個(gè)通信網(wǎng)線路有無(wú)問(wèn)題（短路、斷路、接地、屏蔽線是否正確單端接地等）；關(guān)閉裝置和上位機(jī)，再重新開機(jī)；通訊線路長(zhǎng)建議在通訊線路的末端并聯(lián)約100～200歐的匹配電阻。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考掃碼獲取更多資訊樹根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用》以技術(shù)積累與行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)賦能人才培養(yǎng)緒論工業(yè)數(shù)據(jù)采集概述賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的范圍工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)0.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告2018》中，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義為：利用泛在感知技術(shù)對(duì)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高效采集和云端匯聚。0.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)中的邊緣層，如圖0-1所示。通過(guò)各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的范圍工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)可以加速業(yè)務(wù)場(chǎng)景交互，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，類似于給生產(chǎn)制造配上了“大腦”，使之靈活應(yīng)對(duì)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。通過(guò)分析整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造設(shè)備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產(chǎn)控制的準(zhǔn)確性，大幅增強(qiáng)了生產(chǎn)制造的柔性化水平和協(xié)調(diào)度。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義通過(guò)智能數(shù)控設(shè)備、傳感識(shí)別技術(shù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進(jìn)的數(shù)字裝備與管控技術(shù)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)制造過(guò)程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)程的“誘明化”運(yùn)行，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)程的智能化。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，實(shí)時(shí)采集溫度、電壓、電流等工業(yè)數(shù)據(jù)，可以直觀展示設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全面、實(shí)時(shí)、精確的狀態(tài)感知。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備故障診斷方面，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)設(shè)備工作日志、歷史故障、運(yùn)行軌跡、實(shí)時(shí)位置等海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，基于知識(shí)庫(kù)和自學(xué)習(xí)機(jī)制建立故障智能診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障精準(zhǔn)定位。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在預(yù)測(cè)性維護(hù)方面，基于設(shè)備全生命周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提前預(yù)判設(shè)備關(guān)鍵部件的變化趨勢(shì)、產(chǎn)品壽命和潛在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)設(shè)備零部件的損壞時(shí)間，主動(dòng)提前進(jìn)行維護(hù)服務(wù)。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義而如何從大量設(shè)備和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的第一個(gè)需要解決的問(wèn)題，只有采集足夠大量的工業(yè)數(shù)據(jù)，才能基于工業(yè)大數(shù)據(jù)做分析、處理、監(jiān)控、智能決策等，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的價(jià)值。從這個(gè)層面來(lái)講，工業(yè)數(shù)據(jù)采集是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和先決條件，是工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)透明工廠、智能工廠的基礎(chǔ)。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析處理監(jiān)控決策數(shù)字化賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的范圍工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)0.3工業(yè)數(shù)據(jù)采集的范圍工業(yè)數(shù)據(jù)采集廣義范圍既包括工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集，也包括對(duì)ERP、MES等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。工業(yè)數(shù)據(jù)采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集ERP、MES等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠內(nèi)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)采集，可分為三類：（1）對(duì)PLC、RTU、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；（2）對(duì)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、AGV等專用智能設(shè)備/裝備的數(shù)據(jù)采集；（3）對(duì)傳感器、變送器、采集器等專用采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集主要基于智能裝備本身或加裝傳感器兩種方式采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備（如機(jī)床、機(jī)器人）數(shù)據(jù)、產(chǎn)品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過(guò)程（如工藝、質(zhì)量等）數(shù)據(jù)、環(huán)境（如溫度、濕度等）數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)（現(xiàn)場(chǎng)人員操作數(shù)據(jù)，如單次操作時(shí)間）等數(shù)據(jù)，如圖0-2所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的可視化和持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的決策與控制。0.3.2工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠外智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產(chǎn)品/裝備運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括但不限于如工作電流、電壓、功耗、電池電量、內(nèi)部資源消耗、通信狀態(tài)、通信流量等數(shù)據(jù)。主要用于實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程維護(hù)等應(yīng)用。圖0-3示意了工廠外工程機(jī)械的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。0.3.3對(duì)EPR、MES等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集此種數(shù)據(jù)采集方式主要由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)接口和系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn)對(duì)SCADA、DCS、MES、ERP等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其對(duì)接示意如圖0-4所示，系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)有很多成熟的分析和研究，故不在本書中展開。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)采集的范圍工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)本書的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置主要是生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，包含設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)。對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化程度、工業(yè)通信協(xié)議、設(shè)備接口等不統(tǒng)一，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式也會(huì)采用不同的方式。設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設(shè)備的數(shù)據(jù)采集之前，先問(wèn)問(wèn)自己為什么要采集這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)到底能夠帶來(lái)什么樣的業(yè)務(wù)價(jià)值。誠(chéng)然，國(guó)內(nèi)大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還處在解決生產(chǎn)過(guò)程可見性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來(lái)是當(dāng)務(wù)之急，至少能夠?qū)崟r(shí)地了解到現(xiàn)場(chǎng)都發(fā)生了什么。但是，在智能制造的大背景下，我們需要看得遠(yuǎn)一些，在做數(shù)據(jù)采集之前，盡可能地多去思考一下什么樣的數(shù)據(jù)對(duì)我們的業(yè)務(wù)改進(jìn)幫助最大，這樣也許會(huì)讓我們?cè)跀?shù)據(jù)采集方面的投資回報(bào)率高。這也是本書的一大特點(diǎn)，每個(gè)采集項(xiàng)目，我們都首先從業(yè)務(wù)背景和需求出發(fā)，闡述采集的目的和業(yè)務(wù)作用，然后進(jìn)行任務(wù)實(shí)操。0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：2）經(jīng)濟(jì)性中國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，工業(yè)設(shè)備種類非常多，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，不同場(chǎng)景下可能有多種采集方案，但是企業(yè)作為盈利組織，首先考慮的是投資回報(bào)率的問(wèn)題，因此，我們做設(shè)備數(shù)據(jù)采集，一定要結(jié)合我們的數(shù)采業(yè)務(wù)目標(biāo)，充分利用設(shè)備的現(xiàn)有條件（比如，設(shè)備已經(jīng)具備的上位機(jī)系統(tǒng)、已經(jīng)具備的通訊協(xié)議等）用最經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)做數(shù)采方案的設(shè)計(jì)?；谝陨显瓌t，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，選用合適的數(shù)據(jù)采集方案就非常重要。這里我們介紹一下常見的采集場(chǎng)景和對(duì)應(yīng)的采集方案。0.4.1有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集這里的上位機(jī)系統(tǒng)一般是設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的設(shè)備往往自動(dòng)化程度和信息化程度都比較高。其上位機(jī)系統(tǒng)往往已經(jīng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、存儲(chǔ)，因此，對(duì)于這種有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備，我們首選的數(shù)據(jù)采集方案就是直接從上位機(jī)系統(tǒng)中獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)，而不是去和設(shè)備打交道。這樣就能夠把一個(gè)OT的問(wèn)題（設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集）轉(zhuǎn)化為IT的問(wèn)題（兩個(gè)信息系統(tǒng)的信息集成）。因?yàn)樯衔粰C(jī)系統(tǒng)能將設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到自身所帶有的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后以開放數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)權(quán)限的方式，或以WebService等方式釋放數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中沒(méi)有上位機(jī)系統(tǒng)的眾多設(shè)備，我們就需要從設(shè)備所支持的通訊協(xié)議和支持的接口角度入手，制定數(shù)采方案。對(duì)于“基于TCP/IP通訊協(xié)議”，比較常用的有OPCClassic、SiemensS7、Modbus-TCP等通用協(xié)議，也有設(shè)備廠商自行定義的私有協(xié)議。這些協(xié)議的特點(diǎn)是都是基于TCP/IP協(xié)議簇，只是應(yīng)用層協(xié)議不同。采用這些協(xié)議的設(shè)備一般都會(huì)有RJ45的接口，也就是以太網(wǎng)口。OPCClassicSiemensS7Modbus-TCP基于TCP/IP通訊協(xié)議0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集在這種場(chǎng)景下，采用的數(shù)據(jù)采集方案是一般是通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)（也稱“物聯(lián)網(wǎng)關(guān)”或簡(jiǎn)稱“網(wǎng)關(guān)”）采集，工業(yè)網(wǎng)關(guān)解析上述工業(yè)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)網(wǎng)關(guān)在本書任務(wù)1.2中會(huì)有詳細(xì)介紹。整個(gè)采集流程從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備端開始，通過(guò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口結(jié)合其工業(yè)通信協(xié)議，把數(shù)據(jù)采集到邊緣采集設(shè)備如工業(yè)網(wǎng)關(guān)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行解析，把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)聯(lián)網(wǎng)方式結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器，如圖0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集目前通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議采集，是比較主流的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的方式。當(dāng)然這種設(shè)備場(chǎng)景下，也可以使用軟網(wǎng)關(guān)采集，軟網(wǎng)關(guān)采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網(wǎng)關(guān)里面的嵌入式軟件作為一個(gè)邊緣采集軟件安裝在上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，也是通過(guò)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議解析把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件上位機(jī)系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口是指硬件構(gòu)成或者是允許人和電腦、通信系統(tǒng)或者其它電子信息系統(tǒng)互動(dòng)的元件系統(tǒng)。本書只介紹工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的串行接口、以太網(wǎng)口。串行接口也稱串口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口，數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送。常用的串行接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來(lái)分包括RS232、RS485、RS422。以太網(wǎng)口可分為電口和光口，電口就是常用的RJ45水晶頭（一般的網(wǎng)線），光口就是光纖接口。工業(yè)設(shè)備之間通信的一般使用的是RJ45以太網(wǎng)口。（1）設(shè)備接口設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集（1）設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集工業(yè)通信協(xié)議主要是負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的通信，從開放性來(lái)分，可分為私有協(xié)議和公有協(xié)議，私有協(xié)議就是企業(yè)內(nèi)部自定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只適用于本企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備產(chǎn)品，如西門子的S7通信協(xié)議就是西門子公司的私有協(xié)議。與之對(duì)應(yīng)的就是公有協(xié)議，目前受到廣泛支持的主要協(xié)議有ProfiNet、Modbus等。（2）工業(yè)通信協(xié)議工業(yè)通信協(xié)議私有協(xié)議公有協(xié)議S7ProfiNetModbus0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)關(guān)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)方式常見的有：以太網(wǎng)、4G、Wi-Fi等。根據(jù)采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小、傳輸速度、傳輸?shù)木嚯x和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境綜合考慮選擇。對(duì)于速度要求高，傳輸數(shù)據(jù)大的需求并在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)的情況下可選擇以太網(wǎng)方式；不方便布線且傳輸數(shù)據(jù)小的場(chǎng)景則可選用無(wú)線（如4G/Wi-Fi等）的方式。（3）聯(lián)網(wǎng)方式聯(lián)網(wǎng)方式以太網(wǎng)4GWi-Fi0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集此處的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要是運(yùn)行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP等協(xié)議之上的通信協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信，常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有MQTT、HTTP、COAP等。目前，大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用的是MQTT協(xié)議作為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信的“第一語(yǔ)言”，如樹根互聯(lián)的根云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、華為云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、騰訊云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以及國(guó)外微軟Azure的物聯(lián)網(wǎng)平