《工业数据采集技术与应用》0-1 绪论

树根互联教育《工业数据采集技术与应用》以技术积累与行业实践经验赋能人才培养绪论工业数据采集概述赛项组成赋能万物，连接未来01020304工业数据采集的定义工业数据采集的意义工业数据采集的范围工业数据采集的实现0.1工业数据采集的定义工业互联网产业研究院发布的《工业数据采集产业研究报告2018》中，对工业数据采集的定义为：利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息进行实时高效采集和云端汇聚。0.1工业数据采集的定义工业数据采集对应工业互联网平台体系架构中的边缘层，如图0-1所示。通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集大范围、深层次的工业数据，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。赛项组成赋能万物，连接未来01020304工业数据采集的定义工业数据采集的意义工业数据采集的范围工业数据采集的实现0.2工业数据采集的意义工业数据可以加速业务场景交互，推进传统产业的改造升级。工业数据在生产过程中的应用，类似于给生产制造配上了“大脑”，使之灵活应对各种业务场景。通过分析整合产品数据、制造设备数据、订单数据以及生产过程中产生的其他数据，显著提升了生产控制的准确性，大幅增强了生产制造的柔性化水平和协调度。0.2工业数据采集的意义通过智能数控设备、传感识别技术、制造执行系统等先进的数字装备与管控技术，实时采集生产制造过程中的工业数据，实现生产装备和生产过程的“诱明化”运行，结合人工智能、大数据等技术，实现生产装备和生产过程的智能化。0.2工业数据采集的意义工业数据融入设备，将设备运行状态透明化，有助于设备故障诊断和运行优化。在设备状态监测方面，实时采集温度、电压、电流等工业数据，可以直观展示设备实时的运行状态，实现设备全面、实时、精确的状态感知。0.2工业数据采集的意义工业数据融入设备，将设备运行状态透明化，有助于设备故障诊断和运行优化。在设备故障诊断方面，利用大数据分析技术，对设备工作日志、历史故障、运行轨迹、实时位置等海量工业数据进行挖掘分析，基于知识库和自学习机制建立故障智能诊断模型，实现设备故障精准定位。0.2工业数据采集的意义工业数据融入设备，将设备运行状态透明化，有助于设备故障诊断和运行优化。在预测性维护方面，基于设备全生命周期的运行数据，提前预判设备关键部件的变化趋势、产品寿命和潜在风险，预测设备零部件的损坏时间，主动提前进行维护服务。0.2工业数据采集的意义而如何从大量设备和系统中获取数据，是数字化转型面临的第一个需要解决的问题，只有采集足够大量的工业数据，才能基于工业大数据做分析、处理、监控、智能决策等，才能实现数字化的价值。从这个层面来讲，工业数据采集是智能制造和工业互联网的基础和先决条件，是工业企业实现透明工厂、智能工厂的基础。工业大数据分析处理监控决策数字化赛项组成赋能万物，连接未来01020304工业数据采集的定义工业数据采集的意义工业数据采集的范围工业数据采集的实现0.3工业数据采集的范围工业数据采集广义范围既包括工业现场设备的数据采集和工厂外智能产品/装备的数据采集，也包括对ERP、MES等应用系统的数据采集。工业数据采集工业现场设备的数据采集工厂外智能产品/装备的数据采集ERP、MES等应用系统的数据采集0.3.1工业现场设备的数据采集主要通过现场总线、工业以太网、工业光纤网络等工业通信网络实现对工厂内设备的接入和数据采集，可分为三类：（1）对PLC、RTU、嵌入式系统、IPC等通用控制设备的数据采集；（2）对机器人、数控机床、AGV等专用智能设备/装备的数据采集；（3）对传感器、变送器、采集器等专用采集设备的数据采集。0.3.1工业现场设备的数据采集主要基于智能装备本身或加装传感器两种方式采集生产现场数据，包括设备（如机床、机器人）数据、产品（如原材料、在制品、成品）数据、过程（如工艺、质量等）数据、环境（如温度、湿度等）数据、作业数据（现场人员操作数据，如单次操作时间）等数据，如图0-2所示。主要用于工业现场生产过程的可视化和持续优化，实现智能化的决策与控制。0.3.2工厂外智能产品/装备的数据采集主要通过工业物联网实现对工厂外智能产品/装备的远程接入和数据采集。主要采集智能产品/装备运行时关键指标数据，包括但不限于如工作电流、电压、功耗、电池电量、内部资源消耗、通信状态、通信流量等数据。主要用于实现智能产品/装备的远程监控、健康状态监测和远程维护等应用。图0-3示意了工厂外工程机械的数据采集过程。0.3.3对EPR、MES等应用系统的数据采集此种数据采集方式主要由工业互联网平台通过接口和系统集成方式实现对SCADA、DCS、MES、ERP等应用系统的数据采集，其对接示意如图0-4所示，系统集成技术与应用已经有很多成熟的分析和研究，故不在本书中展开。赛项组成赋能万物，连接未来01020304工业数据采集的定义工业数据采集的意义工业数据采集的范围工业数据采集的实现0.4工业数据采集的实现本书的学习任务设置主要是生产企业的工业现场设备的数据采集，包含设备数据、产品数据、过程数据、环境数据、作业数据。对于设备数据，由于工业现场设备的自动化程度、工业通信协议、设备接口等不统一，对设备数据采集方式也会采用不同的方式。设备数据产品数据过程数据环境数据作业数据工业现场设备的数据采集0.4工业数据采集的实现在制定数据采集方案的时候，需要遵循两大原则：1）目的性在做设备的数据采集之前，先问问自己为什么要采集这些数据，这些数据到底能够带来什么样的业务价值。诚然，国内大部分的工业现场还处在解决生产过程可见性的阶段，因此，能够先把数据采集上来是当务之急，至少能够实时地了解到现场都发生了什么。但是，在智能制造的大背景下，我们需要看得远一些，在做数据采集之前，尽可能地多去思考一下什么样的数据对我们的业务改进帮助最大，这样也许会让我们在数据采集方面的投资回报率高。这也是本书的一大特点，每个采集项目，我们都首先从业务背景和需求出发，阐述采集的目的和业务作用，然后进行任务实操。0.4工业数据采集的实现在制定数据采集方案的时候，需要遵循两大原则：2）经济性中国工业现场环境非常复杂，工业设备种类非常多，对于工业现场的数据采集，不同场景下可能有多种采集方案，但是企业作为盈利组织，首先考虑的是投资回报率的问题，因此，我们做设备数据采集，一定要结合我们的数采业务目标，充分利用设备的现有条件（比如，设备已经具备的上位机系统、已经具备的通讯协议等）用最经济高效的方式来做数采方案的设计。基于以上原则，结合工业现场场景，选用合适的数据采集方案就非常重要。这里我们介绍一下常见的采集场景和对应的采集方案。0.4.1有上位机系统的设备数据采集这里的上位机系统一般是设备自带的监控系统，这样的设备往往自动化程度和信息化程度都比较高。其上位机系统往往已经对设备数据进行了采集、存储，因此，对于这种有上位机系统的设备，我们首选的数据采集方案就是直接从上位机系统中获取设备的数据，而不是去和设备打交道。这样就能够把一个OT的问题（设备层的数据采集）转化为IT的问题（两个信息系统的信息集成）。因为上位机系统能将设备的数据存储到自身所带有的数据库中，然后以开放数据库访问权限的方式，或以WebService等方式释放数据访问接口。上位机系统数据采集系统0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集对于生产现场中没有上位机系统的众多设备，我们就需要从设备所支持的通讯协议和支持的接口角度入手，制定数采方案。对于“基于TCP/IP通讯协议”，比较常用的有OPCClassic、SiemensS7、Modbus-TCP等通用协议，也有设备厂商自行定义的私有协议。这些协议的特点是都是基于TCP/IP协议簇，只是应用层协议不同。采用这些协议的设备一般都会有RJ45的接口，也就是以太网口。OPCClassicSiemensS7Modbus-TCP基于TCP/IP通讯协议0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集在这种场景下，采用的数据采集方案是一般是通过工业网关（也称“物联网关”或简称“网关”）采集，工业网关解析上述工业通信协议，实现对设备数据的采集。工业网关在本书任务1.2中会有详细介绍。整个采集流程从工业现场的设备端开始，通过控制系统的数据接口结合其工业通信协议，把数据采集到边缘采集设备如工业网关，工业网关对工业通信协议进行解析，把设备数据转换为网络数据，然后通过联网方式结合物联网协议，将采集的数据上传至工业互联网平台服务器或采集服务器，如图0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集目前通过工业网关进行协议采集，是比较主流的工业设备数据采集的方式。当然这种设备场景下，也可以使用软网关采集，软网关采集是指脱离了硬件，直接把工业网关里面的嵌入式软件作为一个边缘采集软件安装在上位机系统运行，也是通过对工业通信协议解析把设备数据转换为网络数据，上传至工业互联网平台服务器或采集服务器。数据采集系统嵌入式软件上位机系统0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集设备接口是指硬件构成或者是允许人和电脑、通信系统或者其它电子信息系统互动的元件系统。本书只介绍工业现场常用的串行接口、以太网口。串行接口也称串口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口，数据一位一位地顺序传送。常用的串行接口按电气标准及协议来分包括RS232、RS485、RS422。以太网口可分为电口和光口，电口就是常用的RJ45水晶头（一般的网线），光口就是光纤接口。工业设备之间通信的一般使用的是RJ45以太网口。（1）设备接口设备接口串行接口以太网口RS422RS485RS232电口光口0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集（1）设备接口串行接口以太网口RS422RS485RS232电口光口0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集工业通信协议主要是负责子网内设备间的通信，从开放性来分，可分为私有协议和公有协议，私有协议就是企业内部自定的协议标准，只适用于本企业生产的设备产品，如西门子的S7通信协议就是西门子公司的私有协议。与之对应的就是公有协议，目前受到广泛支持的主要协议有ProfiNet、Modbus等。（2）工业通信协议工业通信协议私有协议公有协议S7ProfiNetModbus0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集当前工业网关与工业互联网平台的联网方式常见的有：以太网、4G、Wi-Fi等。根据采集传输的数据量大小、传输速度、传输的距离和工业现场环境综合考虑选择。对于速度要求高，传输数据大的需求并在工业现场能实现的情况下可选择以太网方式；不方便布线且传输数据小的场景则可选用无线（如4G/Wi-Fi等）的方式。（3）联网方式联网方式以太网4GWi-Fi0.4.2基于TCP/IP通讯协议的设备数据采集此处的物联网协议主要是运行在传统互联网TCP/IP等协议之上的通信协议，负责设备与工业互联网平台进行数据交换及通信，常见的物联网协议有MQTT、HTTP、COAP等。目前，大多数工业互联网平台使用的是MQTT协议作为设备联网通信的“第一语言”，如树根互联的根云工业互联网平台、华为云的物联网平台、腾讯云的物联网平台、阿里云的物联网平台，以及国外微软Azure的物联网平台等。（4）物联网协议物联网协议MQTTHTTPCOAP0.4.3基于非TCP/IP通讯协议的设备数据采集这一类协议不属于TCP/IP协议簇，往往在硬件接口方面就与以太网不兼容，比如RS485等。对于这类设备的数据采集，一般采用兼容该设备的接口和工业协议的专用网关，网关将其协议转换为TCP/IP协议，再接入到车间的网络中并进行协议解析，否则，在物理层面就无法实现互通。这类协议比较常用的包括Modbus-RTU、DeviceNet等。Modbus-RTUDeviceNet非TCP/IP协议簇0.4.4不具备通信接口的设备数据采集对于建立较早的工业企业，会存在大量的没有控制单元或没有拓展功能的老旧设备，比如不带数控系统的机床，这些设备没有通信接口，无法直接通信采集数据（行业中也有“哑设备”的说法）。这种场景下，可以通过改造安装传感器、变送器、数采板卡、采集器等传感器或采集硬件，采集设备的运行数据，如设备开关机、作业信号、电流温度参数等，这就涉及到对设备的一些改造，操作难度是比较大的。比较常见的，是采集IO信号，通过对设备进行分析，确定需要的采集信号，连接入采集设备，由采集设备将设备的开关量（数字信号）、模拟量（模拟信号）转化成网络数据，通过有线或无线网络传送给平台数据服务器。哑设备改造采集硬件平台数据服务器有线或无线网络0.4.4不具备通信接口的设备数据采集这种方式成本较低，但能采集的数据有限、质量不高，主要针对的是没有控制单元的设备、控