工业互联网技术基础 课件 第3章 边缘层与工业大数据采集

工业互联网技术基础1一、工业互联网概述二、工业互联网平台三、边缘层与工业大数据采集四、PaaS层与工业大数据治理五、应用层与工业APP开发六、工业互联网安全七、工业互联网应用2学习内容边缘层与工业大数据采集1．边缘层的关键设备和技术2．工业大数据采集的主要方式现场设备层为工业互联网平台提供底层的数据支撑，但是当面对工业现场种类繁多的设备、网络及通讯协议时，工业互联网平台该如何进行网络部署和数据采集配置呢？3边缘层为海量现场设备提供连接和管理功能，是工业互联网平台的主要数据来源。常见现场设备有工业机器人、数控机床、PLC、人机界面终端等，海量的工业设备可能采用多种不同的接口连接网络，并选择多种不同的协议进行通信。边缘层要对现场设备进行大范围、深层次的数据采集，并通过协议转换实现海量工业数据的互联互通和互操作，为此首先需要部署边缘设备，主要包括边缘网关、PLC等。边缘层的关键设备和技术概述4什么是边缘网关？1.1边缘网关：是部署在网络边缘侧的网关模块，它面向的对象是工业应用装置及设备，负责工业控制设备、物联网设备和云端应用的连接，支持工业现场的多种通信协议和通信方式，是工业控制系统的核心组件，其基本功能相当于翻译器，可实现一个网络环境与另一个网络环境的连接通信。边缘层的关键设备和技术5边缘网关的价值边缘网关在网络架构中的价值：（1）数据采集与整合：边缘网关可以连接多个工业设备和传感器，负责采集设备产生的数据。（2）通信协议转换与互联互通：边缘网关可以实现不同设备之间的通信协议转换，使得不同类型的设备能够互联互通。（3）远程监控与管理：边缘网关可以实现对工业设备的远程监控和管理。边缘网关的应用可以提高工业系统的数据处理能力、通信能力和管理能力，促进工业互联网的发展和应用。边缘层的关键设备和技术6宜科边缘网关产品介绍宜科公司推出了一款面向工业互联网、物联网领域的具备4G/5G及边缘计算能力的网关产品——EDGE-BOX，能够满足现场设备远程数据采集、远程编程、报警管理等的需要。该系列产品目前推出了EDGE-A5和EDGE-A7两种型号。边缘网关模块的机身采用全金属外壳设计，布局紧凑，具备丰富的接口。支持挂耳安装或导轨安装，具有IP20防护等级,这种设计保证了产品在工业现场的稳定性和耐用性。EDGE-A5EDGE-A7边缘层的关键设备和技术7EDGE-A54GLite系列边缘网关适用于初阶工业物联网和工业互联网解决方案，专注于边缘层设备的数据采集、报警上报、远程监控和远程调试等应用。它能够连接工业设备配套的主流PLC、HMI，以及具有串口、网口通讯的仪器仪表等设备。通过IoTHub平台或标准化功能平台及服务，助力用户实现数据监控、数据处理、设备运维、远程调试等服务。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍8产品功能采用全志A40i双核处理器，主频1GHz，支持1G内存和8GFlash，具有强大的边缘计算、控制和处理能力；支持4G全网通数据传输，满足工业现场多数使用场景；具有千兆、百兆以太网口，支持1个WAN口，1个LAN口，实现工业路由器功能；支持最大64GB外部TF卡存储，增大现场数据存储量；支持1路RS485，1路RS232；支持加装第三方软件和驱动，实现边缘层设备接入方案本地部署管理；具有丰富的本地配置工具，可以方便查看、配置和控制边缘网关和所接入的周边设备；支持Python，便于边缘计算功能开发与扩展。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍9网络连接接口边缘网关拥有高速的网络连接，可与多种设备和系统无缝集成，满足工业现场多数使用场景：具有千兆、百兆以太网口，1个

WAN

口，1个

LAN口；具有标准的串口通讯功能，包括1路RS485和1路RS232；支持4G/5G全网通数据传输，以及多种宽带网络连接服务。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍10其他接口长按复位按键5秒钟左右，可将设备自动恢复默认配置并重启。电源接口为边缘网关供电，产品标配DC10～30V电源接口，需要选择合格的电源供电，以确保设备的稳定工作。调试接口为TTL接口，用于专业工程师调试使用，不对用户开放，如有特殊需要，请联系eiot@。边缘网关拥有最大64GB外部TF卡存储功能，方便扩展现场数据存储空间。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍11产品指示灯指示灯是网关状态的重要指示器，通过它们，我们可以轻松了解网关的运行状态。POWER是电源指示灯，代表网关的电源状态，正常通电后会被点亮。RS232是RS-232数据指示灯，代表网关的数据传输状态，在接口收发数据时会闪烁。RS485是RS-485数据指示灯，在接口收发数据时会闪烁。SIGNAL是状态指示灯，可联网时灯会亮STATUS是网络信号强度指示灯，共有2个信号灯，1个灯亮代表信号一般，2个灯亮代表信号很好。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍12边缘网关配置工具配置工具支持Windows操作系统，方便用户在设备上轻松安装，实现设备与云平台的无缝连接。该工具提供了一系列应用层软件的配置选项，包括设备管理、网络设置、系统时间设定等模块。用户可以根据需求选择并配置合适的应用层软件，以满足各种业务场景的需求。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍13查看设备状态用户可以查看设备基本信息，包括主机名、型号、序列号、软件版本、时间、网口MAC、CPU状态、内存、存储等信息。其中主机名可以根据用户需要修改。边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍14配置网络网关提供丰富的连接接口，支持以太网、WIFI以及移动网络等多种连接方式，具备强大的数据处理和传输能力。以太网络有2个网卡：1个LAN

口，静态IP，DHCP

服务默认启动，可以关闭。1个LAN/WAN口，可以开启、禁用此网口，支持静态IP

模式、自动获取模式（DHCP

获取IP）、桥接模式（与LAN口相同IP）

边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍15配置网络无线网络有2种模式：STA

模式用于设备通过WIFI方式进行联网或者访问网络内的其它设备。AP

模式为设备作为WIFI热点，供其它子设备进行连接访问公网或网内互通

边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍16配置网络移动网络是设备通过联通、移动、电信SIM

卡或物联网卡进行联网的功能。移动网络又分为4G

网络和5G网络，其中SA

锁网功能为5G

专网功能使用，是设备使用5G专属频段访问公网，其它情况不要开启，以免影响正常功能。

边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍17网络切换设备可以对联网状态进行检测，对联网模式设置优先级，包括以太网、移动网络、WIFI，客户可根据需要设定。。

边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍18网络诊断检测设备与诊断地址是否能正常通信或正常访问公网。

边缘网关配置工具边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍19请参考教材3.3.1完成以下任务：搭建网络，通过工业智能网关配置工具，完成EDGE-A5（Lite版）的配置。该配置过程包括以下几个关键步骤：(1)建立网络连接；(2)使用工业智能网关配置工具，设置边缘网关模块的参数；(3)通过网络诊断功能，测试边缘网关模块与上游设备之间的通信。

边缘层的关键设备和技术任务说明20EDGE-A7系列边缘网关是宜科公司面向工业互联网、物联网领域推出的全新具备4G/5G及边缘计算能力的网关产品。该产品结合不同的版本，可以支持主流的4G/5G无线网络和多种宽带网络连接服务，确保目标设备完成网络接入、协议解析、数据互联互通等工业互联网应用。产品具备较强的数据处理及应用扩展能力，具备边缘计算能力扩展、数据传输安全性和无线网络管理及覆盖服务等特性，满足典型的工业互联网边缘层现场机器设备联网及数据汇聚需求，助力“边缘云端”协同创新应用落地。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍21产品尺寸与安装设备支持挂耳安装或导轨安装，安装便捷。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍22产品功能采用Cortex-A7双核处理器，具有多种规格内存和Flash硬件，最大支持2G内存和16GFlash，具有强大的边缘计算、控制和处理能力；支持最大128GB外部TF卡存储，增大现场数据存储量；支持内置4G/5GDTU功能；支持5G高速数据传输，满足工业现场多数使用场景，也可选4G全网通；支持双SIM备份和VRRP技术，使网络连接更稳定；可选蓝牙和北斗/GPS定位功能；具有多个千兆以太网口，最大支持1个WAN/LAN口，2个LAN口，实现工业路由器功能；支持2路RS-485，1路RS-232；边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍23产品功能支持4路数字量I/O输入，1路数字量I/O输出，1路继电器输出；最大支持2路模拟量输入；最大支持1路CAN；支持Modubs、ModbusTCP、OPCUA等多种工业协议；支持Docker方便客户灵活加装第三方软件和驱动，包括S7、ModbusTCP、OPCUA多种Agent，或宜科IoTHub云平台，实现边缘层设备接入方案本地部署管理；支持VPN功能，支持TLS无线数据传输加密技术，支持SNMP协议；具有丰富的本地Web配置管理页面，可以方便查看、配置和控制边缘网关和所接入的周边设备；支持Python，便于功能开发与扩展。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍24硬件接口边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍25产品指示灯指示灯描述状态说明PWR电源指示灯正常通电后点亮SIM1SIM卡1指示灯使用SIM卡1联网时点亮SIM2SIM卡2指示灯使用SIM卡2联网时点亮RS232RS-232数据指示灯RS-232接口收发数据时闪烁SYS系统工作指示灯系统正常运行时闪烁CANCAN数据指示灯CAN总线收发数据时闪烁RS485-1RS-485-1数据指示灯RS-485-1接口收发数据时闪烁RS485-2RS-485-2数据指示灯RS-485-2接口收发数据时闪烁WLANWLAN数据指示灯WLAN收发数据时闪烁BLE蓝牙指示灯•蓝牙正常连接时点亮

•收发数据时闪烁GNSSGPS指示灯GPS正常定位时点亮ERR系统故障指示灯系统运行发生故障时点亮4G/5G网络信号强度指示灯共有4个信号灯

•1个灯亮：信号较差

•2个灯亮：信号强度一般

•3个灯亮：信号较好

•4个灯全亮：信号很好边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍26宜科公司边缘网关支持的应用场景智慧工业：装配、包装、食品、制药等各类自动化生产线及配套主机、辅机等工业设备配套的自动化控制器（PLC等）、工业机器人、数控机床、风机、空调系统、空压机等采集监控；智慧能源：石油、天然气、电力、光伏、风电等各类能源生产及输配送行业的设备采集监控；智慧城市：各类供热、供水、供天然气、供电等公共事业采集监控；智慧农业：各类水泵、风机、遮阳、喷淋等设备采集监控。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关产品介绍27应用案例：设备远程监控/运维/增值服务——重工机械

边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关应用案例28应用案例：设备远程监控/VPN——供热集成管理

客户需求客户作为供热设备集成商，需要通过监控现场设备数据，为智能运维平台提供数据基础。客户为甲方提供的设备需要远程调试编程解决方案通过边缘网关让设备上云，通过IoTHub对设备进行统一监控，通过开放的API接口为智能运维平台提供必要数据。通过建立安全的VPN通道，为客户建立远程编程的条件。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关应用案例29应用案例：设备远程监控/运维/VPN——污水泵站客户需求泵站无人值守：一般情况下，泵站不会安排特定人员在泵站值守设备报警：客户希望现场设备出现异常时，可以及时推送报警信息，并且完成自动停机或者报警异常记录，支持远程修改程序数据开放性：客户希望泵站数据可以共享给污水处理厂，调度中心云端部署：客户希望利用云端方式部署以节省成本解决方案通过边缘网关让设备上云，通过IoTHub对设备进行远程监控，帮助设备运维人员全面监控设备实时状态，从间断式的定期巡检到24小时全面实时监控，出现故障主动报警并推送给调度中心，第一时间发现故障进行维修派工。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关应用案例30应用案例：设备远程监控/VPN——供热集成管理

客户需求提升泵、鼓风机、变压器等设备状态监控现场控制器PLC程序远程上传下载水处理车间视频监控设备故障报警设备故障派送工单解决方案通过边缘网关让设备上云，通过IoTHub对设备进行统一监控，提供对外接口接入第三方大数据分析工具，实现设备故障预测预警，24小时实时监控设备运行状态，接驳车间视频监控，远程掌控车间现场状况，统一调度，快速准确的执行故障排除方案。边缘层的关键设备和技术宜科边缘网关应用案例31可编程逻辑控制器1.2可编程逻辑控制器：是具有微处理器的数字运算控制器，专门针对工业环境下的自动控制应用而设计，其控制对象主要是工业现场的各类机电设备或生产过程。边缘层的关键设备和技术32PLC的硬件组成

CPU：是PLC的控制中枢，负责采集输入信号，运行用户逻辑程序，刷新输出信号。存储器：用于存放系统程序、用户程序和工作数据，通常分为系统存储器和用户存储器两种类型。通信接口：用于与外部设备通信，常见的通信接口有串行通信接口（如RS-232、RS-485）、以太网接口等。输入/输出单元：是连接现场设备和CPU的桥梁，输入单元负责将现场传感器的信号转换为数字信号，输出单元则将CPU的指令转换为驱动执行器或控制设备的信号。模块式PLC的组成

整体式PLC的组成

边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器33简单来说，如果把整个工业自动控制现场比作一个人的话，PLC就相当于人的大脑，生产设备相当于人的躯体，PLC跟生产设备的结合就相当于人的大脑跟躯体的结合，PLC中运行的程序相当于人所掌握的知识与规则。边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器341970-1980年PLC技术逐渐成熟，各大厂商纷纷进入市场，产品种类和功能逐渐丰富。1980-1990年随着技术的发展，不仅仅是体积缩小和性能提高，PLC还开始引入微处理器和高级算法，使得其更加智能化。2000年至今PLC的功能不断丰富，引入了高级控制策略和智能化功能，不仅用于基本的逻辑控制，还能够处理更复杂的任务1990-2000年PLC开始支持网络通信，实现了与其他设备的互联互通,标志着PLC系统开始融入更广泛的信息技术和工业网络，提高了控制系统的整体效能1969年世界上第一台PLC设备由美国数字设备公司研制成功。PLC的发展历程

诞生阶段成熟阶段微型化和智能化阶段网络化阶段高级应用阶段边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器35功能性强PLC的数据存储区容量巨大，可存储大量输入/输出、中间变量信号，同时多达几百条的控制指令可实现各种逻辑问题的处理。维修方便PLC各模块上均有运行和故障指示装置，用户通过指示信息可快速了解运行情况，并方便查找故障。模块化的设计更方便用户通过更换模块的方法使系统快速恢复运行。可靠性高PLC各模块均采用屏蔽措施，抗干扰能力强，同时还具备良好的自诊断功能，一旦出现异常情况，CPU将立即采取有效措施。编程简单PLC通常采用梯形图为编程语言，梯形图形象直观，简单易学，使用者不需要具备计算机的专门知识也可快速学会，并用来进行编程。01020304PLC的特点边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器36PLC连接的信号类型数字量是离散的物理量，由“0”和“1”组成，经过编码后即成为有规律的信号。例如可以将电机的启动状态认为是“1”，停止状态是“0”，或指示灯点亮状态为“1”，熄灭状态为“0”。模拟量与数字量相对应，是一些连续变化的物理量，如压力、速度、流量、温度、湿度等。PLC的模拟量模块采集现场传感器信号（4~20mA的电流信号或1~5V、0~10V的电压信号）后，将其量化转换为对应的数值（如0~100℃的温度值）。边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器37如今PLC作为工业界不可或缺的重要设备，被广泛应用于各类工业控制领域，实现钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力系统等领域的自动控制，有效促进了工业生产效率的提高。边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器38PLC制造商

目前全球有两百多家PLC制造商，国内比较知名的厂商有汇川、台达、信捷、和利时等，国际上有德国西门子（Siemens）公司、美国Rockwell公司、法国施耐德（Schneider）公司、日本三菱公司、欧姆龙公司等。边缘层的关键设备和技术可编程逻辑控制器391.3工业现场总线协议：总线技术是一种非常常见的IT技术，如在计算机系统中，总线是计算机各功能部件（如CPU、硬盘、内存、音响系统、键盘、鼠标等）之间的信息传输线，用于实现整个计算机系统内各部件之间的信息传输、交换、共享和逻辑控制等功能。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议401.3工业现场总线协议：现场总线（Fieldbus）是运用在现场的总线技术。与计算机总线相比，现场总线的应用环境（如温度、湿度、干扰等）更加复杂，主要解决工业现场的智能仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的数据传输问题。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议41现场总线协议现场总线协议指的是通信双方在现场总线网络中交换信息时所建立的规则、标准或约定的集合。现场总线协议是一种开放式的协议，它采用的是公开化、标准化、规范化的通信协议，因此只要符合现场总线协议，即使是来自不同厂商的现场总线设备，也可以通过现场总线网络连成系统，实现综合自动控制。目前市面上有大约四十种现场总线，如DeviceNet、Profibus、EtherCAT、Profinet、P-Net、FIP、Hart等。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议42现场总线协议（1）Profibus是1987年由包括德国西门子在内的十多家公司及五个研究机构共同制订的现场总线标准，通常应用在PLC与现场设备的数据通信和控制中，包括ProfibusDP和ProfibusPA两种总线形式，工业现场较常用的是ProfibusDP，其物理接口一般采用RS-485形式。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议43现场总线协议（2）Hart协议由罗斯蒙特公司于1985年推出。它在模拟量4~20mA信号上叠加了一个频率信号，实现模拟信号和数字信号双向通讯而不互相干扰，使用的网络为Hart网络。（3）Profinet是由西门子公司和Profibus国际组织提出的基于工业以太网技术的新一代自动化总线标准，使用的物理接口是标准的RJ-45以太网接口，支持以太网的星形、树型、总线型等多种拓扑结构。Profinet具有更快的传输速度和更高的灵活性，可以很方便地构建控制器和现场设备间的通信网络，正逐步成为工业应用的首选通信协议。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议44现场总线协议——ModbusModbus具有ASCII、RTU、TCP三种报文传输协议，支持RS-232、RS-422、RS-485和以太网接口连接方式。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议45现场总线协议——ModbusModbus通信协议采用Master/Slave的方式进行通信，Master设备负责发起通信请求，而Slave设备则负责响应Master设备的请求并返回数据。ModbusTCP协议由施耐德公司于1996年推出，它将以Modbus为应用协议的数据表示方法运用在了TCP/IP网络上，使用的连接端口是502，与传统的串口通讯方式相比，ModbusTCP不再需要数据校验。边缘层的关键设备和技术工业现场总线协议46工业生产设备的数据采集是通过各种感知技术实现的，通常以传感器为主要工具，有时会结合RFID、扫码枪、人机交互界面、智能终端等手段。采集到的生产设备数据（如温度、湿度、液位等）经边缘网关模块上传到工业互联网平台，它们是工业互联网平台的数据基础。工业大数据采集的主要方式概述47传感器是工业现场常用的物理环境测量工具，涵盖了声音、温度、湿度、距离、振动、电流等多种类型，并可将环境变量转化为可读的数字信号，是物理世界信息化数字采集的重要途径。2.1传感器工业大数据采集的主要方式传感器48（1）有线传感器有线传感网络是通过网线实现传感器信息的收集，在便于部署的现场环境中，这种方式具有更好的抗干扰能力。料库拣选系统结构现场传感器分为有线传感器和无线传感器。工业大数据采集的主要方式传感器49传感器（2）无线传感器无线传感网络利用无线网络进行信息传输，这种部署方式灵活简单，且价格便宜，因此在现