工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術及應用 -工業(yè)網(wǎng)關的選型

樹根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術與應用》以技術積累與行業(yè)實踐經(jīng)驗賦能人才培養(yǎng)項目一采集工業(yè)設備數(shù)據(jù)任務二工業(yè)網(wǎng)關的選型>>賽項組成賦能萬物，連接未來01020304任務說明知識準備任務實施課后思考任務描述上一個任務中，解決方案工程師已經(jīng)對企業(yè)的業(yè)務需求和現(xiàn)場設備進行了詳細調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結(jié)果梳理了采集點表。在本任務中，項目實施工程師需要根據(jù)調(diào)研所了解到的現(xiàn)場設備通信接口、通信協(xié)議、需要采集的點數(shù)等信息，在市場上尋找能匹配的工業(yè)網(wǎng)關的品牌型號。知識導圖任務目標知識目標：熟悉網(wǎng)關的作用；熟悉網(wǎng)關選型的主要考慮因素；熟悉網(wǎng)關選型的對比分析方法；熟悉安裝網(wǎng)關的方法和注意事項；熟悉網(wǎng)關選型中對工業(yè)通信協(xié)議的要求；熟悉網(wǎng)關選型中對接口類型的要求；技能目標：能根據(jù)工業(yè)設備情況及網(wǎng)關選型主要考慮因素選擇合適的網(wǎng)關；能看懂工業(yè)網(wǎng)關的產(chǎn)品資料，理解網(wǎng)關的參數(shù)性能優(yōu)劣；熟悉網(wǎng)關的聯(lián)網(wǎng)方式；熟悉網(wǎng)關的可靠性包含的內(nèi)容；熟悉設定網(wǎng)關采集頻率的設定依據(jù)；熟悉網(wǎng)關的斷點續(xù)傳能力的重要性；了解網(wǎng)關選型中對邊緣計算的考慮依據(jù)。賽項組成賦能萬物，連接未來01020304任務說明知識準備任務實施課后思考1.工業(yè)網(wǎng)關的作用工業(yè)網(wǎng)關是一款采用嵌入式硬件的計算機設備，具有多個用于連接設備的下行通信接口（南向接口），一個或者多個用于連接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺或采集系統(tǒng)的上行網(wǎng)絡接口（北向接口），如圖1-2-1所示；通過連接兩個或多個異構的網(wǎng)絡，使之能夠互相通信，實現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交互。1.工業(yè)網(wǎng)關的作用工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁作用的關鍵，是因為具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，如圖1-2-2所示，這是它最核心最重要的功能。工業(yè)生產(chǎn)設備使用的控制器（如數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機器人、PLC等）一般都采用私有或?qū)Ｓ玫墓た貐f(xié)議，比如常見的標準工控協(xié)議Modbus、ProfiBus、OPCUA和BACnet等，工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關與設備連接時，需要對這些協(xié)議進行解析。而北向連接互聯(lián)網(wǎng)，使用的一般是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如MQTT、COAP等協(xié)議，工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關需要將從設備獲取的數(shù)據(jù)封裝為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議所需的數(shù)據(jù)包格式，才能發(fā)送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。此外，針對不同的應用場景，工業(yè)網(wǎng)關還能有存儲功能、安全管理、設備管理、網(wǎng)關配置、空中升級（OTA）等功能。2.網(wǎng)關選型的考慮因素工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與設備層連接的窗口，應根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，支持適合的網(wǎng)絡格式，并具備對應設備的行業(yè)接口，能直接與工業(yè)設備通信。通過有線、無線多種連接方式連接工業(yè)以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)終端設備有效接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。因此，對工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關進行選型時，需要根據(jù)不同的現(xiàn)場情況和設備情況考慮以下指標。（1）支持的工業(yè)通信協(xié)議由于企業(yè)需要進行互聯(lián)的工業(yè)設備已經(jīng)部署在工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行生產(chǎn)任務，這些設備存在著系統(tǒng)架構不同、通信協(xié)議不同等異構特性，特別是大量設備存在私有協(xié)議，給互聯(lián)互通帶來很多困難，如果將這些工業(yè)設備全部更新?lián)Q代成使用統(tǒng)一標準接口的終端設備需要耗費大量的資金，這是很難實現(xiàn)的。既然工業(yè)設備的標準化難以實現(xiàn)，那么在為項目選型工業(yè)網(wǎng)關時，就需要考慮該網(wǎng)關是否支持對應的工業(yè)現(xiàn)場設備的通信協(xié)議。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（2）支持的設備通信接口工業(yè)網(wǎng)關選型時，需要根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)設備的接口、串口種類和數(shù)量需求，選擇符合要求的工業(yè)網(wǎng)關產(chǎn)品，否則需要增加轉(zhuǎn)接設備，增加額外成本。（3）可轉(zhuǎn)發(fā)的平臺接口工業(yè)網(wǎng)關采集到工業(yè)設備數(shù)據(jù)之后，需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，因此需要具備轉(zhuǎn)發(fā)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的接口協(xié)議，在選型的時候需要考慮選用的工業(yè)網(wǎng)關的轉(zhuǎn)發(fā)接口是否匹配要對接的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（4）最大的采集點數(shù)數(shù)據(jù)采集點數(shù)也是工業(yè)網(wǎng)關的重要影響因素，為項目選型工業(yè)網(wǎng)關時，需要根據(jù)業(yè)務需求和設備采集點表考慮，網(wǎng)關最大支持的采集點數(shù)必須大于業(yè)務需求的點數(shù)，并留有一定的冗余，以保證擴展性；其次，要保證傳輸精度和采集速率，從而確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（5）網(wǎng)關的聯(lián)網(wǎng)方式此處的聯(lián)網(wǎng)方式是指工業(yè)網(wǎng)關與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的聯(lián)網(wǎng)通信方式。工業(yè)網(wǎng)關的聯(lián)網(wǎng)方式與使用環(huán)境相關，通常的聯(lián)網(wǎng)方式有：蜂窩（4G、5G等）、以太網(wǎng)、WIFI等。需要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、平臺服務器部署要求來確定聯(lián)網(wǎng)方式。蜂窩方式網(wǎng)絡更加獨立不受現(xiàn)有網(wǎng)絡布局限制，但有資費支出，且有信號要求；以太網(wǎng)方式網(wǎng)絡最穩(wěn)定，但需結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡布局進行布線；WIFI方式，不受現(xiàn)有網(wǎng)絡布局限制，但網(wǎng)絡易出現(xiàn)波動。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（6）網(wǎng)關的可靠性鑒于工業(yè)的高可靠性要求，工業(yè)網(wǎng)關應滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和日益復雜的工業(yè)過程控制要求。網(wǎng)關需要堅固耐用，具有較寬的工作溫度范圍、較強的抗電磁干擾能力等。除此之外，需要保證數(shù)據(jù)采集及通信的可靠性，在最大最小通信速率下，數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)錯誤率要在允許的誤差范圍內(nèi)。因此選擇的工業(yè)網(wǎng)關能適應的工作環(huán)境的溫濕度需要滿足工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境溫濕度范圍、抗電磁干擾要求、IP防護等級要求等。例如，鋼鐵行業(yè)的環(huán)境溫度可達85℃，在選型時就不能選用僅滿足工業(yè)現(xiàn)場常用的-20~55℃工作溫度范圍的網(wǎng)關。說明：抗電磁干擾能力，使用EMC等級進行判斷，EMC標準分為1~4級，等級越高抗干擾能力越好。電磁兼容性（EMC）是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（7）網(wǎng)關的硬件配置CPU：CPU作為系統(tǒng)的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。目前工業(yè)網(wǎng)關使用的CPU主要有3種，一是使用單片機，沒有軟件操作系統(tǒng)；二是使用ARM架構，其軟件系統(tǒng)為Linux操作系統(tǒng)；三是使用x86架構，軟件系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)。CPU主要參數(shù)為主頻和核心數(shù)，反應CPU的重要性能。內(nèi)存：內(nèi)存也稱為內(nèi)存儲器或主存儲器，是系統(tǒng)的重要部件之一，用于暫時存放CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲器交換的數(shù)據(jù)。內(nèi)存的運行速度也決定了計算機整體運行的快慢。網(wǎng)關的硬件配置影響其存儲和運算能力，從而影響網(wǎng)關的最大采集點數(shù)、采集頻率、斷點續(xù)傳能力。因此對工業(yè)網(wǎng)關選型時，需要匹配項目需求進行綜合考慮確定。網(wǎng)關的硬件配置包含如下內(nèi)容2.網(wǎng)關選型的考慮因素（7）網(wǎng)關的硬件配置硬盤：是網(wǎng)關主要的存儲設備，除存儲程序固件及配置文件外，還緩存一些數(shù)據(jù)。例如：在網(wǎng)絡不同的情況下，工業(yè)網(wǎng)關采集的數(shù)據(jù)局無法實時上傳至平臺，此時這些數(shù)據(jù)將存儲在硬盤內(nèi)，等網(wǎng)絡恢復通信時，工業(yè)網(wǎng)關再將這些數(shù)據(jù)上傳至平臺。網(wǎng)關的硬件配置影響其存儲和運算能力，從而影響網(wǎng)關的最大采集點數(shù)、采集頻率、斷點續(xù)傳能力。因此對工業(yè)網(wǎng)關選型時，需要匹配項目需求進行綜合考慮確定。網(wǎng)關的硬件配置包含如下內(nèi)容說明：斷點續(xù)傳：在一些極端的工業(yè)場景下，比如偏遠地區(qū)的工廠、或者是發(fā)生自然災害，網(wǎng)絡的不確定性很大，為適應現(xiàn)場網(wǎng)絡的不確定性、提高工業(yè)網(wǎng)關的容錯機制，在選型時需要考慮斷點續(xù)傳能力，確保在遇到網(wǎng)絡中斷時，網(wǎng)關繼續(xù)準確采集，將數(shù)據(jù)緩存到非易失設備中，并在網(wǎng)絡恢復正常時，把緩存數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)發(fā)通道補傳到工業(yè)云平臺。2.網(wǎng)關選型的考慮因素（8）網(wǎng)關邊緣的計算能力隨著計算能力的不斷下沉，已涌現(xiàn)出越來越多的邊緣計算網(wǎng)關?，F(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)關內(nèi)部進行本地處理、清洗、存儲，甚至在本地完成分析和決策，最后將數(shù)據(jù)上傳到云端。這樣減少了單個傳感器和云端的計算負擔，以及機器與機器之間的溝通流量。如果工業(yè)現(xiàn)場對快速處理并反饋設備的實時數(shù)據(jù)有明確需求，選型工業(yè)網(wǎng)關可以把邊緣計算能力考慮進去。一般情況下，工業(yè)網(wǎng)關的邊緣計算不作為主要指標進行工業(yè)網(wǎng)關選型考慮。賽項組成賦能萬物，連接未來01020304任務說明知識準備任務實施課后思考1.工業(yè)網(wǎng)關的選型分析根據(jù)任務一現(xiàn)場調(diào)研的結(jié)果，結(jié)合工業(yè)網(wǎng)關列出了需要考慮的幾個選型因素，匹配GBox網(wǎng)關的參數(shù)，如表1-2-1所示。如果選用其他工業(yè)品牌的工業(yè)網(wǎng)關，也是按照此步驟的對比分析進行選型判斷。考慮因素項目要求GBox匹配情況支持的工業(yè)通信協(xié)議本項目要求使用的工業(yè)通信協(xié)議為SIEMENSS7-1200_Network支持西門子、三菱、施耐德等多個品牌的500多種協(xié)議設備接口本項目要求使用以太網(wǎng)口進行連接具有串行接口、以太網(wǎng)口、4G轉(zhuǎn)發(fā)接口本項目需要把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到根云平臺支持包括根云平臺在內(nèi)的30多種轉(zhuǎn)發(fā)接口采集點數(shù)本項目要求需要的采集點數(shù)不多于100個滿足最大1000個采集點聯(lián)網(wǎng)方式本項目要求采用4G上網(wǎng)方式支持WIFI、WAN、移動網(wǎng)絡三種上網(wǎng)方式考慮因素項目要求GBox匹配情況可靠性要求本項目的使用環(huán)境為室內(nèi)，環(huán)境溫度為-10℃-40℃，環(huán)境濕度為20-70％RH，無其他特殊要求工作溫度：-25～55℃存儲溫度：-40～70℃環(huán)境濕度：10～90％RH（無冷凝）電磁兼容：CE、FCC認證，EMC3級IP防護：40采集頻率本項目要求最低采集周期為1s最快采集周期20ms斷點續(xù)傳存儲容量要求不低于1G4G斷點存儲邊緣計算本項目不需要進行邊緣計算具備有邊緣計算能力，使用lua腳本語言編寫計算程序說明：在實際的工業(yè)項目中，本步驟屬于技術選型，是選擇供應商的必須滿足條件。在滿足了技術選型要求之后，實際采購選擇供應商還需要結(jié)合工業(yè)網(wǎng)關的售后服務質(zhì)量、價格、供貨周期是否匹配項目周期等因素進行綜合考慮。賽項組成賦能萬物，連接未來01020304任務說明知識準備任務實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)采集技術與應用》以技術積累與行業(yè)實踐經(jīng)驗賦能人才培養(yǎng)緒論工業(yè)數(shù)據(jù)采集概述賽項組成賦能萬物，連接未來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)研究報告2018》中，對工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義為：利用泛在感知技術對多源設備、異構系統(tǒng)、運營環(huán)境、人等要素信息進行實時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)采集對應工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構中的邊緣層，如圖0-1所示。通過各類通信手段接入不同設備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，以及異構數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。賽項組成賦能萬物，連接未來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)務場景交互，推進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中的應用，類似于給生產(chǎn)制造配上了“大腦”，使之靈活應對各種業(yè)務場景。通過分析整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造設備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產(chǎn)控制的準確性，大幅增強了生產(chǎn)制造的柔性化水平和協(xié)調(diào)度。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義通過智能數(shù)控設備、傳感識別技術、制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進的數(shù)字裝備與管控技術，實時采集生產(chǎn)制造過程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過程的“誘明化”運行，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過程的智能化。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在設備狀態(tài)監(jiān)測方面，實時采集溫度、電壓、電流等工業(yè)數(shù)據(jù)，可以直觀展示設備實時的運行狀態(tài)，實現(xiàn)設備全面、實時、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)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在設備故障診斷方面，利用大數(shù)據(jù)分析技術，對設備工作日志、歷史故障、運行軌跡、實時位置等海量工業(yè)數(shù)據(jù)進行挖掘分析，基于知識庫和自學習機制建立故障智能診斷模型，實現(xiàn)設備故障精準定位。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在預測性維護方面，基于設備全生命周期的運行數(shù)據(jù)，提前預判設備關鍵部件的變化趨勢、產(chǎn)品壽命和潛在風險，預測設備零部件的損壞時間，主動提前進行維護服務。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義而如何從大量設備和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的第一個需要解決的問題，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，才能實現(xiàn)數(shù)字化的價值。從這個層面來講，工業(yè)數(shù)據(jù)采集是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎和先決條件，是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)透明工廠、智能工廠的基礎。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析處理監(jiān)控決策數(shù)字化賽項組成賦能萬物，連接未來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)場設備的數(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ERP、MES等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。工業(yè)數(shù)據(jù)采集工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集ERP、MES等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集0.3.1工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集主要通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡等工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對工廠內(nèi)設備的接入和數(shù)據(jù)采集，可分為三類：（1）對PLC、RTU、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設備的數(shù)據(jù)采集；（2）對機器人、數(shù)控機床、AGV等專用智能設備/裝備的數(shù)據(jù)采集；（3）對傳感器、變送器、采集器等專用采集設備的數(shù)據(jù)采集。0.3.1工業(yè)現(xiàn)場設備的數(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)場數(shù)據(jù)，包括設備（如機床、機器人）數(shù)據(jù)、產(chǎn)品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過程（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)場人員操作數(shù)據(jù)，如單次操作時間）等數(shù)據(jù)，如圖0-2所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程的可視化和持續(xù)優(yōu)化，實現(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)采集主要通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對工廠外智能產(chǎn)品/裝備的遠程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產(chǎn)品/裝備運行時關鍵指標數(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)。主要用于實現(xiàn)智能產(chǎn)品/裝備的遠程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護等應用。圖0-3示意了工廠外工程機械的數(shù)據(jù)采集過程。0.3.3對EPR、MES等應用系統(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)平臺通過接口和系統(tǒng)集成方式實現(xiàn)對SCADA、DCS、MES、ERP等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其對接示意如圖0-4所示，系統(tǒng)集成技術與應用已經(jīng)有很多成熟的分析和研究，故不在本書中展開。賽項組成賦能萬物，連接未來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)采集的實現(xiàn)0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)本書的學習任務設置主要是生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集，包含設備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)。對于設備數(shù)據(jù)，由于工業(yè)現(xiàn)場設備的自動化程度、工業(yè)通信協(xié)議、設備接口等不統(tǒng)一，對設備數(shù)據(jù)采集方式也會采用不同的方式。設備數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)過程數(shù)據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設備的數(shù)據(jù)采集之前，先問問自己為什么要采集這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)到底能夠帶來什么樣的業(yè)務價值。誠然，國內(nèi)大部分的工業(yè)現(xiàn)場還處在解決生產(chǎn)過程可見性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來是當務之急，至少能夠?qū)崟r地了解到現(xiàn)場都發(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)對我們的業(yè)務改進幫助最大，這樣也許會讓我們在數(shù)據(jù)采集方面的投資回報率高。這也是本書的一大特點，每個采集項目，我們都首先從業(yè)務背景和需求出發(fā)，闡述采集的目的和業(yè)務作用，然后進行任務實操。0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時候，需要遵循兩大原則：2）經(jīng)濟性中國工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境非常復雜，工業(yè)設備種類非常多，對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，不同場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率的問題，因此，我們做設備數(shù)據(jù)采集，一定要結(jié)合我們的數(shù)采業(yè)務目標，充分利用設備的現(xiàn)有條件（比如，設備已經(jīng)具備的上位機系統(tǒng)、已經(jīng)具備的通訊協(xié)議等）用最經(jīng)濟高效的方式來做數(shù)采方案的設計?；谝陨显瓌t，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場場景，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景和對應的采集方案。0.4.1有上位機系統(tǒng)的設備數(shù)據(jù)采集這里的上位機系統(tǒng)一般是設備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的設備往往自動化程度和信息化程度都比較高。其上位機系統(tǒng)往往已經(jīng)對設備數(shù)據(jù)進行了采集、存儲，因此，對于這種有上位機系統(tǒng)的設備，我們首選的數(shù)據(jù)采集方案就是直接從上位機系統(tǒng)中獲取設備的數(shù)據(jù)，而不是去和設備打交道。這樣就能夠把一個OT的問題（設備層的數(shù)據(jù)采集）轉(zhuǎn)化為IT的問題（兩個信息系統(tǒng)的信息集成）。因為上位機系統(tǒng)能將設備的數(shù)據(jù)存儲到自身所帶有的數(shù)據(jù)庫中，然后以開放數(shù)據(jù)庫訪問權限的方式，或以WebService等方式釋放數(shù)據(jù)訪問接口。上位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集對于生產(chǎn)現(xiàn)場中沒有上位機系統(tǒng)的眾多設備，我們就需要從設備所支持的通訊協(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，也有設備廠商自行定義的私有協(xié)議。這些協(xié)議的特點是都是基于TCP/IP協(xié)議簇，只是應用層協(xié)議不同。采用這些協(xié)議的設備一般都會有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)議的設備數(shù)據(jù)采集在這種場景下，采用的數(shù)據(jù)采集方案是一般是通過工業(yè)網(wǎng)關（也稱“物聯(lián)網(wǎng)關”或簡稱“網(wǎng)關”）采集，工業(yè)網(wǎng)關解析上述工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)網(wǎng)關在本書任務1.2中會有詳細介紹。整個采集流程從工業(yè)現(xiàn)場的設備端開始，通過控制系統(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)采集到邊緣采集設備如工業(yè)網(wǎng)關，工業(yè)網(wǎng)關對工業(yè)通信協(xié)議進行解析，把設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，然后通過聯(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)平臺服務器或采集服務器，如圖0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集目前通過工業(yè)網(wǎng)關進行協(xié)議采集，是比較主流的工業(yè)設備數(shù)據(jù)采集的方式。當然這種設備場景下，也可以使用軟網(wǎng)關采集，軟網(wǎng)關采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網(wǎng)關里面的嵌入式軟件作為一個邊緣采集軟件安裝在上位機系統(tǒng)運行，也是通過對工業(yè)通信協(xié)議解析把設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺服務器或采集服務器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件上位機系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集設備接口是指硬件構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)互動的元件系統(tǒng)。本書只介紹工業(yè)現(xiàn)場常用的串行接口、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準及協(xié)議來分包括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)設備之間通信的一般使用的是RJ45以太網(wǎng)口。（1）設備接口設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)議的設備數(shù)據(jù)采集（1）設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)議的設備數(shù)據(jù)采集工業(yè)通信協(xié)議主要是負責子網(wǎng)內(nèi)設備間的通信，從開放性來分，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)議標準，只適用于本企業(yè)生產(chǎn)的設備產(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。與之對應的就是公有協(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)議的設備數(shù)據(jù)采集當前工業(yè)網(wǎng)關與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的聯(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)場環(huán)境綜合考慮選擇。對于速度要求高，傳輸數(shù)據(jù)大的需求并在工業(yè)現(xiàn)場能實現(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)小的場景則可選用無線（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)議的設備數(shù)據(jù)采集此處的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要是運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP等協(xié)議之上的通信協(xié)議，負責設備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(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)平臺使用的是MQTT協(xié)議作為設備聯(lián)網(wǎng)通信的“第一語言”，如樹根互聯(lián)的根云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、華為云的物聯(lián)網(wǎng)平臺、騰訊云的物聯(lián)網(wǎng)平臺、阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺，以及國外微軟Azure的物聯(lián)網(wǎng)平臺等。（4）物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTTHTTPCOAP0.4.3基于非TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集這一類協(xié)議不屬于TCP/IP協(xié)議簇，往往在硬件接口方面就與以太網(wǎng)不兼容，比如RS485等。對于這類設備的數(shù)據(jù)采集，一般采用兼容該設備的接口和工業(yè)協(xié)議的專用網(wǎng)關，網(wǎng)關將其協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議，再接入到車間的網(wǎng)絡中并進行協(xié)議解析，否則，在物理層面就無法實現(xiàn)互通。這類協(xié)議比較常用的包括Modbus-RTU、DeviceNet等。Modbus-RTUDeviceNet非TCP/IP協(xié)議簇0.4.4不具備通信接口的設備數(shù)據(jù)采集對于建立較早的工業(yè)企業(yè)，會存在大量的沒有控制單元或沒有拓展功能的老舊設備，比如不帶數(shù)控系統(tǒng)的機床，這些設備沒有通信接口，無法直接通信采集數(shù)據(jù)（行業(yè)中也有“啞設備”的說法）。這種場景下，可以通過改造安裝傳感器、變送器、數(shù)采板卡、采集器等傳感器或采集硬件，采集設備的運行數(shù)據(jù)，如設備開關機、作業(yè)信號、電流溫度參數(shù)等，這就涉及到對設備的一些改造，操作難度是比較大的。比較常見的，是采集IO信號，通過對設備進行分析，確定需要的采集信號，連接入采集設備，由采集設備將設備的開關量（數(shù)字信號）、模擬量（模擬信號）轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，通過有線或無線網(wǎng)絡傳送給平臺數(shù)據(jù)服務器。啞設備改造采集硬件平臺數(shù)據(jù)服務器有線或無線網(wǎng)絡0.4.4不具備通信接口的設備數(shù)據(jù)采集這種方式成本較低，但能采集的數(shù)據(jù)有限、質(zhì)量不高，主要針對的是沒有控制單元的設備、控制器協(xié)議不開放的設備、不具備拓展功能的老舊設備、無法評估風險的關鍵工藝設備或產(chǎn)線關鍵設備進行使用。0.4.4不具備通信接口的設備數(shù)據(jù)采集某些情況下，在直接采集某目標量Y1比較困難的情況下，可以考慮采集其他比較容易采集、且采集成本較低的其他目標量Y2，用Y2來近似計算Y1的值。舉個例子，比如采集某些老舊設備的運行時間數(shù)據(jù)，這些設備往往沒有對外通訊的接口，我們沒有辦法直接獲得其運行和停止的開關量信號。可以裝個互感器監(jiān)測設備電機的電流，以電流的大小來判斷設備的啟停，從而來獲得設備實時運行狀態(tài)，再加以計算以此獲得設備的運行時間。（1）數(shù)據(jù)采集的曲線救國方式說明：本書的IO（Input/Output）指輸入/輸出信號，這里的輸入輸出是針對控制系統(tǒng)而言，輸入指從儀表/傳感器進入控制系統(tǒng)的測量參數(shù)，輸出指從控制系統(tǒng)輸出到執(zhí)行機構的參量，一個參量叫做一個點。比較困難數(shù)據(jù)采集平臺Y1Y2比較容易近似計算0.4.5基于人工采集終端場景的數(shù)據(jù)采集有些信息化水平偏低的工業(yè)企業(yè)，在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)自動采集，則通過現(xiàn)場工位機、移動終端、條碼掃描槍等人工采集終端進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括生產(chǎn)開工與完工時間、生產(chǎn)數(shù)量、檢驗項目、檢驗結(jié)果、產(chǎn)品缺陷、設備故障等?；谌斯げ杉K端的數(shù)據(jù)采集受制于人的主動性，在數(shù)據(jù)的實時性、準確性、客觀性等方面有所欠缺?，F(xiàn)場工位機移動終端條碼掃描槍人工采集終端掃碼獲取更多資訊樹根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術與應用》以技術積累與行業(yè)實踐經(jīng)驗賦能人才培養(yǎng)緒論工業(yè)數(shù)據(jù)采集概述賽項組成賦能萬物，連接未來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)研究報告2018》中，對工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義為：利用泛在感知技術對多源設備、異構系統(tǒng)、運營環(huán)境、人等要素信息進行實時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)采集對應工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構中的邊緣層，如圖0-1所示。通過各類通信手段接入不同設備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，以及異構數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。賽項組成賦能萬物，連接未來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)務場景交互，推進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中的應用，類似于給生產(chǎn)制造配上了“大腦”，使之靈活應對各種業(yè)務場景。通過分析整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造設備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產(chǎn)控制的準確性，大幅增強了生產(chǎn)制造的柔性化水平和協(xié)調(diào)度。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義通過智能數(shù)控設備、傳感識別技術、制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進的數(shù)字裝備與管控技術，實時采集生產(chǎn)制造過程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過程的“誘明化”運行，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過程的智能化。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在設備狀態(tài)監(jiān)測方面，實時采集溫度、電壓、電流等工業(yè)數(shù)據(jù)，可以直觀展示設備實時的運行狀態(tài)，實現(xiàn)設備全面、實時、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)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在設備故障診斷方面，利用大數(shù)據(jù)分析技術，對設備工作日志、歷史故障、運行軌跡、實時位置等海量工業(yè)數(shù)據(jù)進行挖掘分析，基于知識庫和自學習機制建立故障智能診斷模型，實現(xiàn)設備故障精準定位。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義工業(yè)數(shù)據(jù)融入設備，將設備運行狀態(tài)透明化，有助于設備故障診斷和運行優(yōu)化。在預測性維護方面，基于設備全生命周期的運行數(shù)據(jù)，提前預判設備關鍵部件的變化趨勢、產(chǎn)品壽命和潛在風險，預測設備零部件的損壞時間，主動提前進行維護服務。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義而如何從大量設備和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的第一個需要解決的問題，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，才能實現(xiàn)數(shù)字化的價值。從這個層面來講，工業(yè)數(shù)據(jù)采集是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎和先決條件，是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)透明工廠、智能工廠的基礎。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析處理監(jiān)控決策數(shù)字化賽項組成賦能萬物，連接未來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)場設備的數(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ERP、MES等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。工業(yè)數(shù)據(jù)采集工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集ERP、MES等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集0.3.1工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集主要通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡等工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對工廠內(nèi)設備的接入和數(shù)據(jù)采集，可分為三類：（1）對PLC、RTU、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設備的數(shù)據(jù)采集；（2）對機器人、數(shù)控機床、AGV等專用智能設備/裝備的數(shù)據(jù)采集；（3）對傳感器、變送器、采集器等專用采集設備的數(shù)據(jù)采集。0.3.1工業(yè)現(xiàn)場設備的數(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)場數(shù)據(jù)，包括設備（如機床、機器人）數(shù)據(jù)、產(chǎn)品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過程（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)場人員操作數(shù)據(jù)，如單次操作時間）等數(shù)據(jù)，如圖0-2所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程的可視化和持續(xù)優(yōu)化，實現(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)采集主要通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對工廠外智能產(chǎn)品/裝備的遠程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產(chǎn)品/裝備運行時關鍵指標數(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)。主要用于實現(xiàn)智能產(chǎn)品/裝備的遠程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護等應用。圖0-3示意了工廠外工程機械的數(shù)據(jù)采集過程。0.3.3對EPR、MES等應用系統(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)平臺通過接口和系統(tǒng)集成方式實現(xiàn)對SCADA、DCS、MES、ERP等應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其對接示意如圖0-4所示，系統(tǒng)集成技術與應用已經(jīng)有很多成熟的分析和研究，故不在本書中展開。賽項組成賦能萬物，連接未來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)采集的實現(xiàn)0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)本書的學習任務設置主要是生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集，包含設備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)。對于設備數(shù)據(jù)，由于工業(yè)現(xiàn)場設備的自動化程度、工業(yè)通信協(xié)議、設備接口等不統(tǒng)一，對設備數(shù)據(jù)采集方式也會采用不同的方式。設備數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)過程數(shù)據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)作業(yè)數(shù)據(jù)工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設備的數(shù)據(jù)采集之前，先問問自己為什么要采集這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)到底能夠帶來什么樣的業(yè)務價值。誠然，國內(nèi)大部分的工業(yè)現(xiàn)場還處在解決生產(chǎn)過程可見性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來是當務之急，至少能夠?qū)崟r地了解到現(xiàn)場都發(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)對我們的業(yè)務改進幫助最大，這樣也許會讓我們在數(shù)據(jù)采集方面的投資回報率高。這也是本書的一大特點，每個采集項目，我們都首先從業(yè)務背景和需求出發(fā)，闡述采集的目的和業(yè)務作用，然后進行任務實操。0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時候，需要遵循兩大原則：2）經(jīng)濟性中國工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境非常復雜，工業(yè)設備種類非常多，對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，不同場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率的問題，因此，我們做設備數(shù)據(jù)采集，一定要結(jié)合我們的數(shù)采業(yè)務目標，充分利用設備的現(xiàn)有條件（比如，設備已經(jīng)具備的上位機系統(tǒng)、已經(jīng)具備的通訊協(xié)議等）用最經(jīng)濟高效的方式來做數(shù)采方案的設計。基于以上原則，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場場景，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景和對應的采集方案。0.4.1有上位機系統(tǒng)的設備數(shù)據(jù)采集這里的上位機系統(tǒng)一般是設備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的設備往往自動化程度和信息化程度都比較高。其上位機系統(tǒng)往往已經(jīng)對設備數(shù)據(jù)進行了采集、存儲，因此，對于這種有上位機系統(tǒng)的設備，我們首選的數(shù)據(jù)采集方案就是直接從上位機系統(tǒng)中獲取設備的數(shù)據(jù)，而不是去和設備打交道。這樣就能夠把一個OT的問題（設備層的數(shù)據(jù)采集）轉(zhuǎn)化為IT的問題（兩個信息系統(tǒng)的信息集成）。因為上位機系統(tǒng)能將設備的數(shù)據(jù)存儲到自身所帶有的數(shù)據(jù)庫中，然后以開放數(shù)據(jù)庫訪問權限的方式，或以WebService等方式釋放數(shù)據(jù)訪問接口。上位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集對于生產(chǎn)現(xiàn)場中沒有上位機系統(tǒng)的眾多設備，我們就需要從設備所支持的通訊協(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，也有設備廠商自行定義的私有協(xié)議。這些協(xié)議的特點是都是基于TCP/IP協(xié)議簇，只是應用層協(xié)議不同。采用這些協(xié)議的設備一般都會有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)議的設備數(shù)據(jù)采集在這種場景下，采用的數(shù)據(jù)采集方案是一般是通過工業(yè)網(wǎng)關（也稱“物聯(lián)網(wǎng)關”或簡稱“網(wǎng)關”）采集，工業(yè)網(wǎng)關解析上述工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)網(wǎng)關在本書任務1.2中會有詳細介紹。整個采集流程從工業(yè)現(xiàn)場的設備端開始，通過控制系統(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)采集到邊緣采集設備如工業(yè)網(wǎng)關，工業(yè)網(wǎng)關對工業(yè)通信協(xié)議進行解析，把設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，然后通過聯(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)平臺服務器或采集服務器，如圖0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集目前通過工業(yè)網(wǎng)關進行協(xié)議采集，是比較主流的工業(yè)設備數(shù)據(jù)采集的方式。當然這種設備場景下，也可以使用軟網(wǎng)關采集，軟網(wǎng)關采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網(wǎng)關里面的嵌入式軟件作為一個邊緣采集軟件安裝在上位機系統(tǒng)運行，也是通過對工業(yè)通信協(xié)議解析把設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺服務器或采集服務器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件上位機系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集設備接口是指硬件構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)互動的元件系統(tǒng)。本書只介紹工業(yè)現(xiàn)場常用的串行接口、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準及協(xié)議來分包括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)設備之間通信的一般使用的是RJ45以太網(wǎng)口。（1）設備接口設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)議的設備數(shù)據(jù)采集（1）設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)議的設備數(shù)據(jù)采集工業(yè)通信協(xié)議主要是負責子網(wǎng)內(nèi)設備間的通信，從開放性來分，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)議標準，只適用于本企業(yè)生產(chǎn)的設備產(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。與之對應的就是公有協(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)議的設備數(shù)據(jù)采集當前工業(yè)網(wǎng)關與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺