《工业数据采集技术-Industrial data》课件-项目三 智能电表数据采集与分析

项目介绍工业数据采集技术项目三智能电表数据采集与分析"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"项目介绍工业数据采集技术一、项目背景每个月月底，B公司经理都要听取财务人员汇报整个月的数据报表。经理发现生产车间近几个月并没有增加产能，但是用电费用确大幅提升。于是经理安排钱工到生产车间调查原因并给出解决方案。钱工到达生产车间后第一时间调取了近几个月的用电量数据，经过和车间主任及生产工人沟通后，发现生产车间的用电管理存在较大问题：1）生产车间仅有一个总电能表，只统计整个车间的用电量，对单台设备、产线、工序等用电量没有统计。2）针对设备用电量异常、电源故障等情况无法做到实时反馈提醒。3）无法统计设备在不同时段的用电量，不能根据尖峰平谷时段划分充分利用平谷时间段低电价的政策减少电费。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"项目介绍工业数据采集技术针对这些问题，钱工走访同类型企业，调研相关技术企业，给出了一个生产车间用电量精细化管理解决方案。方案中提到，生产车间要从根本上解决用电量管理粗糙、降低电能消耗、降低电费等问题，必须要对每台大型设备的实时用电量进行采集，实现生产车间全面的的电能管控和用电分析。在向经理汇报方案过程中，钱工向经理展示了某企业微电网能效管理平台和单台设备用电案例如图2-1所示，并说明了电能精细化管理的优势：图2-1

企业微电网能效管理平台"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"项目介绍工业数据采集技术1）电能数据实时采集并上传到平台，在平台进行分析处理，实现电能数据的统一在线管理，保障设备用电安全，稳定生产。2）通过对各台设备、各工序、产线等用电数据分析，实现对用电成本的精确计量，根据尖峰平谷时间段划分，利用政策，管理节能和降低用电成本。3）实现车间用电精细化管理，建立长期可持续发展的用电管理体系，最终实现节能降耗，支持国家双碳战略目标。经理听取了钱工的汇报和案例分析后非常满意，决定已招标的形式寻找合适的供应商，最终X公司中标。签订合同后，X公司安排孙工带领项目团队开始电能数据采集工作。这是整个车间电能管理的第一步，只有把电能数据采集到平台后，才能进行数据分析和处理。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"项目介绍工业数据采集技术二、项目规划针对B公司的电能精细化管理到设备的需求，本项目围绕工业设备电能数据采集展开。整个项目包括智能电表的安装调试、软件配置、RS485通信、工业网关安装调试、MQTT通信、数据分析处理等。本项目规划任务如图2-2智能电表数据采集与分析项目规划所示。图2-2

智能电表数据采集与分析项目规划"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务3.1：智能电表数据采集方案设计"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务小结

任务测验3.1.1任务说明任务描述X公司孙工带领现场实施团队首先到达B公司生产车间进行现场调研，了解实际情况和需求，根据现场调研情况设计智能电表数据采集方案和数据传输网络。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验素质目标任务目标：1）培养具有追本溯源的全局思维；2）培养绿色生产、节约能源的意识；3）培养在工业现场中保持不怕苦不怕累的艰苦奋斗精神；4）培养合作意识和团队精神。知识目标1）了解能源管理的意义；2）了解智能电表的数据传输方式；3）熟悉国家双碳战略目标；4）掌握“碳中和”“碳达峰”的概念；5）掌握企业数字化转型的意义。能力目标1）能对项目现场的设备情况进行调研，获取现场设备的型号、数量、通信协议、硬件是否可拓展等信息；2）能根据工业现场情况和业务需求梳理出完整的采集点；3）能根据工业现场情况和业务需求选择合适的通信方式；4）能根据工业设备情况选择合适的网关、工业互联网平台。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.1.2相关知识1.能源管理的意义（1）国家政策要求2022年1月，国务院发布的《“十四五”节能减排综合工作方案》明确了，到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消费总量得到合理控制，节能减排政策机制更加健全，重点行业能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本达到国际先进水平，经济社会发展绿色转型取得显著成效。图3-3

“十四五”节能减排综合工作方案"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2024年4月30日国家发展改革委发布了《关于深入开展重点用能单位能效诊断的通知》，要求建立重点用能单位节能管理档案，梳理重点用能单位能源消费量、能源消费结构、绿电绿证交易、主要产品及生产线、主要用能设备等信息。摸排重点领域、重点行业用能设备能效水平。加强重点用能单位能耗在线监测系统建设运行，提高数据时效性和准确性，强化对能效诊断的支撑保障。发挥电网企业电力数据优势，积极开展以电力数据为基础的能耗监测分析，拓宽用能数据来源，丰富能效诊断方式。2024年5月23日国务院印发《2024-2025年节能降碳行动方案》指出要加快用能产品设备和设施更新改造。动态更新重点用能产品设备能效先进水平、节能水平和准入水平，推动重点用能设备更新升级，加快数据中心节能降碳改造。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）企业节能降耗需求“能源管理”正逐渐成为企业生产制造不可或缺的“节能神器”。科学的能源管理可以有效帮助工业企业提高能源利用效率，降低能源消耗和环境污染，是企业可持续发展的重要组成部分。通过对能源成本的精细化管理，建立单位产值能耗、单位产品能耗、最终产品能耗等，建立相应的能源管理模型后，可以进行精细化管理考核，如图3-4GB/T23331-2020能源管理成熟度模型所示。图3-4

GB/T23331-2020能源管理成熟度模型"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术当企业能源管理精细至车间、设备乃至具体工序层面时，面对问题能够迅速实现精准溯源与全面排查。通过先进的能源分析技术和能源绩效评价体系，系统能够自动生成详尽的分析数据，为管理层提供强有力的决策支持。企业能够实施针对性的能效改进措施，不断优化生产流程与设备效率，最终实现节能减排的目标。如图3-5企业能耗监测管理流程所示。图3-5

企业能耗监测管理流程"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.双碳战略2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。碳达峰，指某一时刻，二氧化碳排放量达到历史最高值，之后逐步回落。它标志着二氧化碳排放量由增转降的历史拐点，意味着一个国家或地区的经济社会发展与二氧化碳排放实现“脱钩”，即经济增长不再以增加碳排放为代价。碳中和，也称为“净零排放”，是指人类经济社会活动所必需的碳排放，通过森林碳汇和其他人工技术或工程手段加以捕集利用或封存，从而使排放到大气中的温室气体净增量为零。图3-6碳中和碳达峰示意图。图3-6

碳中和碳达峰示意图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.《制造业数字化转型行动方案》党的二十大报告强调，“支持中小微企业发展”“支持专精特新企业发展”“促进数字经济和实体经济深度融合”，为推动中小企业数字化转型指明了方向，提供了根本遵循。2024年5月11日，国务院总理李强主持召开国务院常务会议，审议通过《制造业数字化转型行动方案》，国务院常务会议审议通过《制造业数字化转型行动方案》，强调要“加大对中小企业数字化转型的支持，与开展大规模设备更新行动、实施技术改造升级工程等有机结合，完善公共服务平台，探索形成促进中小企业数字化转型长效机制”。以数字化转型推动中小企业增强综合实力和核心竞争力，实现专精特新发展，具有重大现实意义。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术4.中小企业数字化转型面临的挑战当前，我国中小企业数字化转型步伐持续加快，涌现出一批典型案例、产品和解决方案，转型服务供给能力持续提升，有力推动了中小企业专精特新发展。同时也要看到，数字化转型是系统性工程，点多、线长、面广，具有很强的综合性、交叉性和复杂度，难以一蹴而就，其发展仍面临一些挑战。（1）转型需求面临认知、技术、资金等三方面约束。（2）转型供需适配存在需求整合度不高、供给产品较少两方面不足。（3）转型要素需补齐人才队伍不强、普惠服务不够两方面短板。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术5.企业数字化转型的意义企业数字化转型将引领企业的未来如图3-7所示。企业数字化转型的意义深远且广泛，它不仅是技术层面的革新，更是企业商业模式、运营方式乃至战略思维的全面升级。图3-7

企业数字化转型将引领企业"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术5.企业数字化转型的主要意义：（1）提升生产力和效率自动化与智能化、数据分析与优化（2）改善客户体验和服务质量个性化服务、多渠道交互（3）实现创新和差异化竞争技术创新、商业模式创新（4）优化企业管理和决策数据驱动决策、流程优化（5）支持可持续发展资源高效利用、绿色生产（6）增强企业竞争力市场响应速度、品牌影响力"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.1.3任务实施1．实训设备及工具（1）工业数据采集实训台（2）工业互联网平台"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2．智能电表数据采集方案设计实施步骤（1）步骤1：需求分析经过对B公司生产车间进行现场调研了解实际情况，具体需求如下：①公司可以对生产车间接收到的各设备电能数据，进行查询、订阅、过滤、存储、处理、解析、挖掘等应用；②部署在公司机房的服务器，可以实现生产车间电能数据采集，并向公司传输实时数据；③在公司机房设有核心交换机，将生产车间交换机通过冗余光纤网络接入公司核心交换机上；④在各产线或工序设置一台接入交换机，该产线或工序的数据采集网关接入到该交换机上；⑤需要对生产车间配电室仪表中电能数据进行采集；⑥需要对生产车间设备或产线的电力仪表中电能数据进行采集，对于没有电力仪表的设备需要加装智能电表进行数据采集和监控。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）步骤2：数据采集架构设计根据需求分析，设计数据采集架构如图3-8生产车间电能数据采集架构所示，生产车间电能数据采集接入方案如下：①配电室部分采用RS485总线串联智能电表接入数据采集网关；②生产车间内设备有智能电表或新加装智能电表的直接采用RS485总线串联智能电表接入数据采集网关；③生产车间内设备没有智能电表且距离数据采集网关较远的，直接采用具有4G/LoRa功能的智能电表，将电能数据直接通过4G/LoRa网络直接上传至工业互联网平台。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图3-8

生产车间电能数据采集架构"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（3）步骤3：网络布局设计根据需求分析，设计网络布局拓扑图，如图3-9生产车间电能数据采集网络拓扑图所示。图3-9

生产车间电能数据采集网络拓扑图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（4）步骤4：设备选型智能电表数据采集方案主要设备选型如表3-1所示。表3-1

主要设备选型序号名称网关厂家树根互联（）树根互联（根云小匠）TP-LINK12345智能电表交换机直流电源工业互联网平台明纬树根互联（根云平台）"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.1.4任务小结"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务3.2：智能电表数据采集设备安装调试"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验3.2.1任务说明任务描述智能电表数据采集方案经过B公司审核确定后，孙工作为项目负责人，率领专业的施工团队顺利入驻B公司生产车间，正式启动设备的安装与调试工作。本任务中，需要制作网线、信号线、电源线及端子，根据智能电表数据采集方案接线原理图将220V的供电电源接入智能电表，完成电流互感器电流信号和输入电压信号接入智能电表；同时将智能电表RS485接口与数据采集网关RS485接口进行连接，用网线将数据采集网关和交换机连接。接线完成后，认真检查确保每一个连接点都准确无误、牢固可靠，确认无误后进行上电调试。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验素质目标任务目标：1）培养精益求精的工匠精神；2）培养合作意识和团队精神；3）培养安全操作规范和安全意识；4）培养在工业现场环境中保持不怕苦不怕累的艰苦奋斗精神。知识目标1）了解智能电表的结构；2）了解智能电表的各种组网方式；3）熟悉智能电表的485通信接口；4）掌握智能电表的RS485组网方式；5）掌握智能电表的优点。能力目标1）能使用万用表测量供电电压；2）能制作网线、信号线端子、电源线；3）能正确识读接线原理图、安装图；4）能正确按照原理图完成设备网线、电源线、通信线接线；5）能规范操作设备的通电测试。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.2.2相关知识1.智能电表的结构RootBand-Pro(Z)智能电表（简称根云小匠），是一款专为能源管理领域量身打造的智能电力监控仪表。这款仪表集成了高精度测量技术与先进的管理功能，能够实时、准确地监测并记录三相电压、电流以及功率等关键电力参数，并具有分时计费、需量计算、剩余电流保护及温度保护等功能。不仅满足了基础能源监控的需求，更通过一系列智能化功能，极大地提升了能源使用的效率和安全性。3-10

智能电表的外观"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术智能电表的外观如图3-10所示：（1）天线接口：智能电表具有无线上网功能，天线接口安装对应的天线以增强无线信号；（2）硬件序列号：每个智能电表硬件出厂具有唯一的编号；（3）接线端子：用于实现电源、通信、输入输出信号的电气连接；（4）SIM卡槽：智能电表可实现4G上网功能，卡槽用于放置SIM卡；（5）状态指示灯：可实现智能电表不同状态的显示，具体功能如表3-2所示；表3-2

智能电表状态指示灯状态指示灯说明RunNetDataComm运行状态指示灯接收到数据指示灯发送数据指示灯RS485通信指示灯正常运行状态下，Run指示灯每隔1秒亮一次，持续时间1秒装置的微功率无线/Lora模块接收到数据时闪烁装置的无线模块对外发送数据时，该灯会闪烁当装置通过RS485通信进行数据传递时，该灯会闪烁"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（6）液晶显示：智能电表可通过液晶屏查看电压、电流、功率等实时数据，默认界面显示正向有功电能。如想查看其他显示内容，请按照附录D使用说明进行操作。（7）按键：通过按键可实现切换显示数据、设置密码、退出设置等功能，具体功能如表3-3所示；表3-3

按键功能按键短按说明切换显示数据的组别（实时数据、参数查询）/输入密码/修改设置参数退出设置新密码页面▼长按短按长按确认设置参数进入/退出参数设定界面↩（8）智能电表的接线端口：智能电表的接线端口如图3-11所示。智能电表的接线端口号及端子定义如表3-4所示。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术表3-4

智能电表的接线端口号及端子定义序号①端子号V1、V2、V3、VNDO11、DO12、DO21、DO22端口数量

输入/输出

端子定义4输入电压端子继电器输出端子②4输出③④1、2（•Ir，Ir-）3~10（TC1~TC4）I11、I12、I21、I22、I31、I32DIC、DI1、DI2、DI3、DI428输入输入剩余电流端子测温端子电流端子⑤⑥65输入输入开关量输入端子⑦⑧D+、D-L/+、N/-11通信电源输入RS485通信端子电源端子图3-11

智能电表的接线端口"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.智能电表的组网方式智能电表具有RS485通信接口可以实现总线通信方式组网，同时又具有无线通信模块功能可以实现无线通信方式组网。采用有线方式进行组网时，利用智能电表的RS485通信接口来实现高效的数据传输。通过这一标准化的串行数据接口，智能电表能够稳定、可靠地与数据采集网关相连接。数据采集网关作为数据传输的中枢，负责将数据转发至工业互联网平台或指定的其他采集服务器。采用无线方式进行组网时，智能电表提供了灵活多样的通信选择，包括GPRS无线通信、LoRa通信、NB-IoT通信以及4G通信。通过智能电表无线模块，直接将智能电表等设备采集的数据转发至工业互联网平台或其他采集服务器。这种无线组网方式显著减少了现场布线的需求，不仅降低了布线成本和施工复杂度，还提高了系统的灵活性和可扩展性。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（1）RS485总线通信组网RS485总线通信是一种在工业控制系统中广泛应用的通信方式，其特点包括差分信号传输、高抗干扰能力、支持长距离通信和多节点连接等。RS485接口也称为TIA-485(-A)或EIA-485接口，是一种定义UART串行通信系统中使用的驱动器和接收器的电气特性的标准。RS485通信采用的是差分信号负逻辑控制模式，即2～6V表示“0”，-6～-2V表示“1”。差分信号传输方式使得RS485具有很强的抗干扰能力。RS485通信有两线制和四线制两种接线方式。目前广泛采用的是两线制，即总线式拓朴结构，属于半双工传输方式。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术RS485组网方式分为：①总线式组网：所有RS485节点全部挂在一对RS485总线上，实现多点通信。总线长度可达上千米，节点数可以多达256个（使用特制芯片可达400个）。②菊花链式组网：每个节点必须是全双工的，每个节点只能够接收上一个节点发送的数据、只能够向下一个节点发送数据。如果要跨过一个节点传输数据，必须通过下一个节点转发。③星形组网：需要采用RS485集线器来实现。集线器可以将多个RS485总线连接在一起，形成星形结构。④单环冗余型组网：由特定的转换器实现，将RS485总线开叉并在远端闭合，形成单环结构。当总线出现断线时，可以通过冗余路径实现自愈。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术智能电表RS485接口通信，使用的通信协议为ModbusRTU，波特率可选1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps，奇偶校验位和停止位都可以进行设置。智能电表采用总线式组网方式，该组网方式适用于设备集中安装场所，如工厂内部，大型商场等。RS485组网方式如图3-12所示。图3-12

智能电表RS485组网方式"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）GPRS无线通信组网GPRS是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，支持TCP/IP协议，可以与分组数据网（如Internet）直接互通。GPRS是介于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信技术之间的一种技术，通常被称为2.5G。GPRS采用分组交换技术，可以提供较高的数据传输速率，最高可达114Kbps，适合中小流量的数据传输。用户可以随时随地进行数据通信，无需像传统GSM那样每次通信都要重新建立呼叫连接。GPRS以传输的数据量而非连接时间来计费，使得用户可以根据实际使用情况灵活控制费用。由于GPRS基于GSM网络，因此其覆盖范围与GSM网络相同，非常广泛。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术智能电表采用高效的客户端模式，通过GPRS信道连接至远端服务器，实现稳定的数据通信。其工作模式设计为永久在线，确保一旦电表上电并检测到GSM网络稳定可用，立即主动向主站发起连接请求。一旦连接成功建立，该模块便持续处于活跃的数据交换状态，不间断地进行数据收发，为电力系统的实时监控和精准管理提供强有力的支持。该组网方案适用于设备分散、距离较远，对数据实时性要求较高的场所。GPRS组网方式如图3-13所示。图3-13

智能电表GPRS组网方式"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（3）LORa无线通信组网LoRa（Long

Range

Radio）由Semtech公司研发并推广。在城镇环境中，LoRa的通信距离可达3-5公里，在郊区等开阔地带，通信距离可达15公里甚至更远。其低功耗特性使得设备可以使用较小的电池长时间运行，有的甚至能达到数年之久。LoRa网络能够支持大量的终端设备同时接入，一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。LoRa采用扩频调制技术，具有较强的抗干扰能力，能够在复杂环境中稳定工作。智能电表LoRa通信技术选用专为无线电计量仪表设计的470-510MHz频段，电表支持透传功能，在透传模式下，电表能够将LoRa或RS485接口接收到的数据报文，直接转发至对应的RS485或LoRa接口，实现了数据在不同通信协议间的自由转换与传输。该组网方案适用于距离较远且分散安装的环境设备场景，比如商业区、工业园区等场所。LoRa组网方式如图3-14所示所示。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图3-14

智能电表LoRa组网方式"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（4）NB-IOT无线通信组网NB-IoT（Narrow

BandInternet

of

Things）是指窄带物联网技术，是一种低功耗广域（LPWA）网络技术标准，基于蜂窝技术，用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备。NB-IoT设备在生命周期内大部分时间处于极低功耗状态，一般用电池可满足5到10年寿命的需求。NB-IoT比LTE和GPRS（2G）提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，能够深入到地下室、地下管道等传统无线通信技术难以触及的区域。NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数，可支持5万至10万级别的用户规模。NB-IoT的上行理论峰值速率为15.6Kbps，下行理论峰值速率为21.25Kbps，NB-IoT设备硬件成本低并且继承4G网络安全能力，适用于小数据量、小速率的应用场景。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术智能电表的N

B

-

I

o

T

通信中，使用U

D

P（UserDatagram

Protocol，用户数据报协议）协议进行数据传输。装置通过NB-IoT信道向指定的服务器和端口发送UDP链接的数据，并且可以接收服务器发送的请求命令。该组网方案适用低功耗、广覆盖、传输数据量小且更新频率也不高的无线通信设备，如抄表（水、气、电、热）、智能路灯、智能停车、可穿戴设备、资产跟踪、设备状态监控、能源设施监控等各种户外场景。NB-IoT组网方式如图3-15所示。图3-15

智能电表NB-IoT组网方式"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（5）4G无线通信组网4G工业通信是一种基于4G网络技术的工业级数据传输方案，它利用4G网络的高速、稳定、可靠等特点，为工业现场提供无线数据传输服务。通过4G工业通信，企业可以实现对工业设备的远程监控、数据采集、故障诊断等功能，提高生产效率和设备管理水平。4G通信速度可以达到100Mbps甚至更高，能够满足工业现场对数据传输速度的需求。智能电表内置4G通信模块，工作模式为永久在线模式。一旦设备通电并确认LTE网络状态正常，该模块便会立即启动，主动与主站（远端服务器）构建起稳定的数据通信链路。一旦连接成功建立，该4G通信模块便进入持续的数据交换状态，不间断地与主站进行数据的收发处理。该组网方案适用于超远距离、不方便布线、网络稳定的场合比如：工业设备监控、能源管理、智能交通等。4G组网方式如图3-16所示。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图3-16

智能电表4G组网方式"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.智能电表的优势智能电表是智能电网（特别是智能配电网）数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，还具有一下优点：（1）精准计量与高效计费高精度计量：多费率计费：（2）实时监测与远程管理实时监测：远程抄表：远程控制："以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（3）节能减排与能源优化节能减排：（4）故障检测与安全保障故障检测：安全保障：（5）数据服务与智能分析数据服务：智能分析：（6）用户体验与便捷性提升用户体验：便捷支付："以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.2.3任务实施1．实训设备及工具（1）工业数据采集实训台、智能电表；（2）常用电工工具包括低压绝缘手套、万用表、螺丝刀、压线钳、剥线钳、斜口钳、线鼻子、网线、水晶头、网线钳、网线测试仪等。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.智能电表数据采集设备安装调试实施步骤（1）步骤1：设备安装①对电表外观进行检查，查看说明书相关参数是否满足设计要求。②检查安装地点环境、设备负荷是否符合设计要求，要球安装地点周围无振动、强电磁干扰和易燃易爆物品，以及无液体、腐蚀气体等。③检查安装点的温度和湿度不应超过智能电表规定的工作温湿度范围。④检查安装位置空间和位置，应有足够的放置空间和扩展空间，用于放置智能电表、电线、端子排等设备。⑤确保关闭设备电源。⑥首先安装35mm标准导轨式，然后将智能电表放置在导轨上，如图2-17所示。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图2-17

智能电表安装图⑦数据采集网关同样采用标准导轨式安装。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）步骤2：网线、信号线、电源线及端子制作①网线制作网线制作步骤如表2-5所示，T568B标准网线制作如图2-18所示。表2-5

网线制作步骤序号

步骤1使用网线钳或剥线器将网线外皮剥去约1.5-2cm的长度，去除多余的编织线、铝箔。将网线内的8根芯线分开，按照T568B标准线序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕排列。23456使用网线钳的剪线口将排列好的芯线剪齐，保留约1.4cm左右的长度。将剪齐的芯线按照顺序插入水晶头的8个线槽中，注意方向要正确。将插入芯线的水晶头放入网线钳的8P槽内，用力压紧。重复上述步骤制作另一头。使用测线仪对制作好的网线进行测试。将测线仪两端各接水晶头，打开测线仪，观察指示灯的闪烁情况。如果测试仪上8个指示灯依次绿灯闪过，表示网线制作成功，连通性良好。7"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图2-18

T568B标准网线制作"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②信号线、电源线及端子制作剥线：使用剥线钳对电源线的绝缘保护层进行剥离，根据电源线的截面积选择对应的缺口，剥离电源线长度需长于线鼻子，如图2-19所示，本任务需要4条电源线，其中红色电源线是用于连接正极，黑色电源线是用于连接负极。图2-19

剥线"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术端子制作：将电源线插入线鼻子中（电源线需出头），使用压线钳对线鼻子的金属部分进行挤压，如图2-20所示。挤压后可轻轻拔动线鼻子，确保线鼻子与线芯紧密贴合，未压接侧线芯部分不能外露。若不贴合请更换新的线鼻子，重新使用压线钳压线；若线芯部分外露请重新制作。修剪：使用斜口钳（或剪刀）将超出线鼻子金属部分的电源线剪去，如图2-21所示。图2-21

修剪端子头图2-20

端子制作"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（3）步骤3：设备接线①智能电表接线原理图：如图2-22所示是本任务使用的智能电表接线原理图。2-22

智能电表接线原理图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②输入电流接线：本任务采集的设备能源数据的工作电压为220V的单相电压，因此采集单相电流使用的是5A的电流互感器，电流互感器电流数据输出端口接入智能电表电流采集端口，其接线图如图2-23所示。2-23

智能电表电流采集接线图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术③输入电压接线：智能电表兼容220V单相或380V三相（星形/Y形）的电力系统，无需额外设备即可直接接入。当面对更高电压等级的系统时，为了确保电表的安全运行及准确测量，确实需要采用电压互感器（PT）来按比例降低电压至电表可接受的输入范围内。本任务的设备电压为220V，无需电压互感器，输入电压接线图如图2-24所示。图2-24

输入电压采集接线图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术④供电电源接线：智能电表需要220V交流电压供电，相线接L/+端，中性线接N/-端。将220V电源按照下图2-25所示正确的连接到L/+、L/-处。图2-25

智能电表供电电源接线"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术⑤通信接线：在部署通信电缆系统时，推荐采用标准的屏蔽双绞线，为保证信号传输的稳定性和效率总长度不超过1200米，电缆的屏蔽层在系统的一端进行可靠接地处理，以有效抑制电磁干扰，保护信号传输质量。当电缆长度较长时，为了进一步增强通信的可靠性和稳定性，在电缆的远端（即远离信号源的一端）接入一个约120Ω的终端电阻。这一措施有助于消除信号反射，优化信号波形，从而提高通信质量。屏蔽双绞线通信接线如图2-26所示。图2-26

屏蔽双绞线通信接线"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术智能电表和数据采集网关调试需要通过RS-485/USB转换器与上位机连接以便软件调试，RS485通信接线如图2-27所示。智能电表的D+接口需要对应转换器的T/R+接口，以及对应数据采集网关Gbox上的A1接口；智能电表的D-接口对应转换器的T/R-接口，以及对应数据采集网关GBox上的B1接口相接。最后用网线将数据采集网关与交换机连接。图2-27

通信线接线图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（4）步骤4：网关接线用网线将数据采集网关网口1与交换机连接，电源端口接入24V电源，并将4GSIM卡安装到卡槽内，接线位置和安装图如图2-28所示，任务1.3认识工业数据采集设备中已经详细讲述，这里不再叙述。2-28

数据采集网关接线位置和安装图"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（5）步骤5：安全检查，通电测试①智能电表和数据采集网关上电测试之前，需要认真检查接线，对照原理图查看电源线连接位置是否正确，使用万用表测量电表供电电压是否为交流220V，使用万用表测量数据采集网关供电电压是否为直流24V，以下操作步骤请在佩戴绝缘手套后进行。②合上外部电源开关，为电表和数据采集网关供电。③智能电表上电后，如果连接正常，则Run指示灯每隔1秒亮一次，持续时间1秒，RS485通信正常时，Comm灯会闪烁，连接正常如图2-29所示。如果出现指示灯不亮或者通信指示灯异常，需要根据前面的步骤排查问题，经过上电测试确认没有问题之后，智能电表安装调试的任务完成。④网关上电后，如果连接正常，则PWR指示灯为绿色常亮，RUN指示灯闪绿灯，否则需要根据前面的步骤排查问题。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术图2-29

智能电表上电后状态"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（6）步骤5：智能电表常见故障排查

智能电表常见故障及解决方法如表2-6所示。序号故障现象电表运行灯不亮解决方法①ꢀ检查电源电压和其他接线是否正确，电源电压应在工作范围以内；②ꢀ关闭装置和上位机，再重新开机。1电表上电后工作不正常2①ꢀ关闭装置和上位机，再重新开机。①ꢀ检查接线模式设置是否与实际接线方式相符；②ꢀ检查电流互感器（CT）变比是否设置正确；③ꢀ检查GND是否正确接地；④ꢀ检查屏蔽是否接地；⑤ꢀ检查电流互感器（CT）是否完好。电

压

或

电

流读数不正确3功率或功率因数读数不正确①ꢀ如果功率或功率因数读数不正确，但电压和电流读数正确，则需对比实际接线和接线图的电压和电流输入，检查相位关系是否正确。45①ꢀ检查上位机的通信波特率、ID和通讯规约设置是否与装置一致；②ꢀ检查数据位、停止位、校验位的设置和上位机是否一致；③ꢀ检查RS232/RS485转换器是否正常；④ꢀ检查整个通信网线路有无问题（短路、断路、接地、屏蔽线是否正确单端接地等）；⑤ꢀ关闭装置和上位机，再重新开机；RS485通信不正常⑥ꢀ通讯线路长建议在通讯线路的末端并联约100～200欧的匹配电阻。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.2.4任务小结"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务3.3：智能电表数据采集设备参数配置"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验3.3.1任务说明任务描述孙工率领施工团队完成智能电表和网关的安装与接线任务后，需要对智能电表和网关进行参数配置。在本任务中，智能电表和网关参数配置之前，需要确保已安装相应的串口驱动程序、软件以及符合要求的软件协议版本。当智能电表通过RS485转USB串口连接到电脑后，需使用软件在线配置设备参数和通信参数，并修改网关IP地址，配置成功后检查智能电表采集的实时数据是否与输入的电压和电流值相同。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验素质目标任务目标：1）培养绿色生产、节约能源的意识；2）培养具有精益求精的工匠精神；3）培养安全操作规范和安全意识；4）培养在工业现场环境中保持不怕苦不怕累的艰苦奋斗精神。知识目标1）了解现场总线的分类；2）了解Modbus协议的概念；3）掌握Modbus的优点；4）掌握Modbus协议的3种传输类型；5）掌握Modbus协议的通信过程。能力目标1）能正确安装串口驱动；3）能正确安装智能电表、网关的配置软件；2）能把智能电表、网关接入电脑；4）能在智能电表、网关软件中配置参数；5）能正确修改网关IP地址和下载网关工程；6）能在智能电表软件中查看实时采集电压电流等数据。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.3.2相关知识1.现场总线现场总线(FieldBus)是近年来迅速发展的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场控制设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济、实用等一系列突出的优点，因此受到了许多标准机构和计算机厂商的高度重视。简单地说，现场总线就是以数字通信替代了传统4~20mA模拟信号及普通开关信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。目前国际上有40多种现场总线，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线，属于位传输；设备总线，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。比较常用的现场总线有PROFIBUS、DeviceNet、Modbus、FOUNDATION

Fieldbus、LonWorks、CAN等。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.Modbus通信协议简介Modbus通信协议是一种由Modicon公司（现为施耐德电气的一部分）于1979年开发的串行通信协议，最初设计用于可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。经过多年的发展，Modbus已成为工业领域通信协议的业界标准，广泛应用于各种工业电子设备之间的数据交换。该协议采用主/从（Master/Slave）架构或称为客户端/服务器（Client/Server）架构，是一种请求/应答协议，提供统一的功能码用于数据传输服务。Modbus协议支持通过串行通信和TCP/IP等多种网络方式进行数据传输，其应用广泛，包括自动化设备之间的通信、人机界面（HMI）与PLC或传感器之间的通信等。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.Modbus通信协议的优缺点优点：（1）简单、灵活、易于实现：Modbus协议基于简单的客户机/服务器架构，易于部署和维护。（2）开放标准：Modbus协议公开发表且无版权要求，有利于设备的互联互通和系统集成。（3）广泛应用：由于上述优点，Modbus协议已被广泛应用于工业自动化、智能家居等领域。缺点：（1）安全性较差：Modbus协议自身没有提供高级别的安全机制来保护数据传输过程中的安全性。（2）传输速率较慢：相对于以太网等高速通信协议而言，Modbus协议的传输速率较慢。这可能在某些对实时性要求较高的应用场景中成为瓶颈。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术4.Modbus通信协议的传输类型Modbus协议支持多种通信方式，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型；Modbus-RTU和Modbus-ASCII协议是基于串行链路的，其物理层可以是RS232或者RS485；而Modbus-TCP的物理层是以太网。这些通信方式使得Modbus协议能够适应不同的应用场景和需求。（1）Modbus-RTU：数据按照标准串口协议进行编码，其报文格式采用十六进制表示数据的方式，紧凑且高效。它使用串行通信方式，并通过循环冗余校验（CRC）来确保数据的准确性。Modbus-RTU的帧结构如图3-30所示。图3-30

Modbus-RTU的帧结构"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）Modbus-ASCII：采用ASCII码表示数据，每个字节都被转换为两个ASCII字符发送。这种方式数据冗，因为通信效率太低，在实际工业应用场合使用较少。它同样使用串行通信方式，并通过纵向冗余校验（LRC）来确保数据的准确性。Modbus-ASCII的帧结构如图3-31所示。图3-31

Modbus-RTU的帧结构（3）Modbus-TCP：基于以太网传输，使用TCP/IP协议进行通信。这种方式不需要校验和计算，因为TCP协议本身已经提供了可靠的数据传输机制，其服务器（Server）的默认端口是502。帧结构可以分为两部分：MBAP（ModbusApplicationProtocol）报文头和PDU（ProtocolDataUnit）数据单元，如图3-32所示。图3-32

Modbus-TCP的帧结构"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（4）Modbus-RTU与Modbus-ASCII在报文数据发送格式几乎一样，也存在一些区别，具体体现在以下几个方面。①Modbus-ASCII有开始字符（：）和结束字符（CRLF），可以作为一帧数据开始和结束的标志；而Modbus-RTU没有这样的标志，需要用时间间隔来判断一帧报文的开始和结束。协议规定的时间为3.5个字符周期，就是说一帧报文开始前，必须有大于3.5个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须有3.5个字符周期的空闲时间，否则就会出现粘包的情况。注意：针对3.5个字符周期，其实是一个具体的时间，但是这个时间跟波特率相关。在串口通信中，1个字符包括1位起始位、8位数据位（一般情况）1位校验位（或者没有）、1位停止位（一般情况下），因此1个字符包括11位，那么3.5个字符就是38.5位，波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个数。如果波特率是9600波特，3.5个字符周期=1000/9600x38.5=4.01(ms)。②两者校验方式不同，Modbus-RTU采用循环冗余校验，Modbus-ASCII采用纵向冗余校验。③在Modbus标准中，RTU是必须要求的，而ASCII是可选项，即作为一个Modbus通信设备，可以只支持RTU,也可以同时支持RTU和ASCII,但不能只支持ASCII。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术5.Modbus通信过程Modbus协议采用“主/从”通信模式，实现一对多的连接方式。在这种模式下，一个主控制器（主站）能够连接并管理多达247个从属控制器（从站），本项目中主机为数据采集网，从机为智能电表和其他设备如图3-33主从机通信所示。通信过程由主站发起，向从站发送数据请求消息。从站在接收到正确的消息后，会向主站发送数据以响应请求。此外，主站还具有直接向从站发送消息以修改其数据的能力，从而实现双向读写功能。图3-33

主从机通信"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术主站设备在Modbus通信中既可以与单个从站设备进行通信，也能够以广播方式同时与所有从站设备进行通信。在单独通信的情况下，从站设备会返回一条消息作为对主站请求的回应；如果主站以广播方式发送查询，那么从站设备通常不单独回应消息。每个从机设备都具有不同的设备地址，范围是1~247，网络地址也不能相同。对于ModbusRTU和ModbusASCII来说，主站是Master，从站是Slave；对于ModbusTCP而言，主站通常称为Client，从站称为Server。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.3.3任务实施1．实训设备及工具（1）电脑、智能电表、数据采集网关、RS485/USB串口、螺丝刀；（2）配置软件和驱动。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.智能电表数据采集设备参数配置实施步骤（1）步骤1：转换器驱动安装①使用RS485/USB转换器进行调试，需要安装RS485串口协议驱动，在资料中找到RS485串口（CDM21226_setup）驱动如图2-34，鼠标右键以管理员身份运行驱动软件，根据安装向导一步步进行安装，驱动安装完成后如图2-35所示。图2-35

驱动安装完成图2-34

RS485串口协议驱动"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②驱动安装成功后，将RS485/USB转换器插入电脑USB接口。③选择“此电脑”，鼠标右键选择“属性”如图2-6所示，打开“控制面板”中的“设备管理器”查看端口是否成功识别，端口识别成功效果如图2-37所示，如果安装不成功则需要卸载驱动再重新安装。图2-37

设备管理器中查看端口图2-36

打开电脑属性"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）步骤2：安装智能电表配置软件在资料中找到“RootBand-Pro(Z)”软件并鼠标右键以管理员身份运行，如图2-38所示，按照提示步骤完成安装后，在桌面上会出现如图2-39所示的图标。图2-38

“RootBand-Pro(Z)”软件运行图2-39

安装完成后软件图标"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（3）步骤3：安装智能电表Modbus协议智能电表与数据采集网关GBox的通信，使用的串口协议是RS485，而通信协议是Modbus，因此需要在网关调试软件中的扩展管理器安装对应的Modbus协议版本。①双击打开桌面上的“PMC-EasyConfig”图标，打开菜单栏“工具”窗口，选择“扩展管理器（K）”选项，如图2-40所示。图2-40

打开扩展管理器"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②在“扩展管理器”面板中选择联机应用，通过搜索“6.5”关键词快速找到所需的Modbus协议，选择安装“PMC-EasyConfigV1.1

350Modbus协议6.5”，如图2-41所示，注意此步骤需要在联网环境下操作。图2-41

在线安装协议"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术③若没有联网，可以选择“扩展管理器”面板中的本地资源选项，找到本地资源“ModbusV6.5”文件夹并选中，单击“确定”安装，如图2-42所示。图2-42

本地安装协议"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（4）步骤4：智能电表参数配置①打开“PMC-EasyConfig”软件，单击“新建配置”快捷工具或者选择文件新建，在“新建配置”窗口的参数配置如图2-43所示，自定义配置文件名称和保存路径。图2-43

新建配置窗口"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②选择“通信”菜单下的“连接设备”子菜单，在弹出的窗中的配置参数，装置型号选择默认的PMC-350；规约类型选择默认的Modbus；通信方式选择本电脑的设备管理器识别到的COM3口；波特率选择默认的9600，表示传输速率；校验方式选择默认的8E1，表示8个数据位，偶校验，1个停止位。设备ID为根云小匠面板上的硬件序列号后2位，如图所示图2-44。设置完成后，单击“连接”按钮完成连接设备。如图2-45所示。图2-44

设备ID位置图2-45

连接设备参数配置"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术说明：若需调整智能电表的参数配置，例如修改RS485参数，可在左侧目录树中找到对应选项进行修改。完成修改后，请点击“写入配置”标签，以便将新配置下发至智能电表，如图2-46所示。图2-46

修改智能电表参数注意：在修改智能电表的参数配置后，请确保记住新的配置参数。因为后续重新连接设备或配置网关GBox时，需要填写这些修改后的参数。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（5）步骤5：网关IP修改数据采集网关GBox默认网口1的IP地址是45；网口2的IP地址是45。网关GBox的默认配置参数可查看网关的左面板获取，如图2-47所示。图2-47

默认配置参数"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术实施工程师按照设计方案要求需要将网关IP地址与生产车间PLC、电脑和网络设备设置在同一网段，现场设备IP地址范围为~50，因此设置网关IP地址为15，如图2-48所示。任务1.3认识工业数据采集设备中修改网关IP地址已经详细讲述，这里不再叙述。图2-48

IP修改界面"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（6）步骤6：安装网关配置软件在资源中找到“GBox开发系统”安装包并右键以管理员身份运行，按照安装向导，一步一步往下操作。安装完成后，会自动在桌面生成如图2-49所示的“GBox开发系统”“GBox网管系统”2个图标。说明：如果安装的不是最新版本或者需要更新组件，需要打开GBox开发系统进行在线更新组件库。图2-49

安装网关配置软件"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（7）步骤7：新建网关工程①双击打开GBox开发系统图标，在“工程管理”窗口中点击右键或者点击文件新建，选择“新建项目”，在“项目”对话框中输入项目名称和描述，选择保存路径，单击“确定”按钮完成项目的创建，如图2-50所示。图2-50

新建项目"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术②新项目创建完成后，选中“工业数据采集”项目右键，在右键列表中选择“新建工程”在“工程-新建”对话框中，输入新建工程名称，其他数据使用默认参数，最后单击“OK”按钮，完成新工程创建并保存，如图2-51所示。图2-51

新建工程"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（8）步骤8：查看实时电能数据双击打开PMC-EasyConfig软件，在PMC-EasyConfig软件的左侧目录树中，选择“基本实时数据”选项，即可查看智能电表采集到的实时电能源数据如图2-52所示。本次任务是测量220V的单相电压，图中A相电压数据在允许误差范围内。图2-52

实时电能数据"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.3.4任务小结"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务3.4：智能电表数据接入平台"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务小结

任务测验3.4.1任务说明任务描述孙工率领施工团队完成智能电表和网关等设备的安装、接线、调试及参数配置后，接下来要通过网关采集智能电表的数据并上传到工业互联网平台。在本任务中，孙工首先需要在工业互联网平台上添加物模型属性，添加智能电表采集数据在物模型中对应的连接变量属性；注册网关物实例；然后使用网关配置软件配置网关GBox与智能电表的通信协议；添加IO采集点，更新网关工程，最后转发数据到工业互联网平台。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术任务说明

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任务测验素质目标任务目标：）培养绿色生产、节约能源的意识；12）培养精益求精的工匠精神；3）培养安全操作规范和安全意识；4）培养在工业现场环境中保持不怕苦不怕累的艰苦奋斗精神；5）培养动手实践能力。知识目标1）了解MQTT通信协议的起源；2）掌握MQTT通信协议的优势；3）了解MQTT通信协议的客户端与服务器；4）了解MQTT通信协议的发布者、订阅者、中介；5）熟悉MQTT通信协议的通信机制；6）熟悉物模型的定义和属性；7）熟悉物实例的定义和属性。能力目标1）能使用批量添加的方法快速更新物模型属性；2）能新建智能电表物模型和物实例；3）能新建智能电表的I/O采集点；4）能下载网关工程；5）能在工业网关和工业互联网平台校验电能数据。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.4.2相关知识1.MQTT通信协议的概念及发展MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport），是一种根据发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。MQTT协议的发展历史可以追溯至1999年，由IBM的AndyStanford-Clark和ArlenNipper共同发布。这一协议最初被设计用于通过卫星连接石油管道的遥测系统。MQTT协议主要分为两个大版本：MQTTv3和MQTTv5。其中，MQTTv3.1.1是最常用的版本，而MQTTv5则于2018年发布，提供了更多的功能和改进，但目前在应用上仍相对有限。MQTT协议的发展，不仅推动了物联网技术的快速发展，也为各类智能设备之间的通信提供了强有力的支持。目前，MQTT协议已经成为物联网系统事实上的网络协议标准。大多数工业互联网平台都不约而同选择MQTT协议作为设备联网的“第一语言”，如树根互联的根云平台、华为云、腾讯云、阿里云，以及国外微软的Azure等。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术2.MQTT通信协议的特点（1）发布/订阅模式：MQTT支持发布者（publishers）将消息发布到特定的主题（topics），订阅者（subscribers）可以订阅特定的主题来接收消息。这种发布/订阅模式使得消息传递更加灵活和可扩展。（2）轻量级：MQTT的协议设计非常轻量级，占用的带宽和资源较少。这使得MQTTBroker非常适合在资源受限的设备和网络条件下使用，如物联网设备和低带宽网络等。（3）可靠性：MQTT提供了一些可靠性保证机制，如QoS（QualityofService）等级。QoS级别分为0、1和2三个级别，提供了不同的消息传递保证和可靠性。（4）扩展性：MQTT可以支持大量的发布者和订阅者，并且支持多种不同的消息传递场景。通过合理的架构设计和配置，可以实现高可扩展性和高并发性。（5）安全性：MQTT支持基于用户名和密码的身份验证，以及TLS/SSL等加密通信方式，保证消息传递的安全性。（6）灵活性：MQTT可以与其他系统和服务进行集成，如消息队列、数据库和Web应用等。这使得MQTT在各种应用场景中都能灵活使用。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术3.MQTT通信协议的通信机制MQTT是一种能实现一对多通信（人们称之为发布或订阅型）的协议。它由3种身份构成，分别是中介（broker）、发布者（publisher）和订阅者（subscriber）如图3-53所示。图3-53

MQTT三种身份"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术中介承担着转发MQTT通信的服务器的作用。相对而言，发布者和订阅者则起着客户端的作用。发布者是负责发送消息的客户端，而订阅者是负责接收消息的客户端。MQTT交换的消息都附带“主题”地址，各个客户端把这个“主题”视为收信地址，对其执行传输消息的操作。形象地比喻一下，中介就是接收邮件的邮箱。MQTT通信的机制如图3-54所示

，首先，中介在等待各个客户端对其进行连接。订阅者连接中介，把自己想订阅的主题名称告诉中介，这就叫作订阅。然后发布者连接中介，以主题为收信地址发送消息。这就是发布。发布者一发布主题，中介就会把消息传递给订阅了该主题的订阅者。图3-54

MQTT通信机制"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术如果订阅者订阅了主题A，那么只有在发布者发布了主题A的情况下，中介才会把消息传递给订阅者。订阅者和中介总是处于连接状态，而发布者则只需在发布时建立连接，不过要在短期内数次发布时，就需要保持连接状态了。因为中介起着转发消息的作用，所以各个客户端彼此之间没有必要知道对方的IP地址等网络上的收信地址。又因为多个客户端可以订阅同一个主题，所以发布者和订阅者是一对多的关系。在设备和服务器的通信中，设备相当于发布者，服务器则相当于订阅者。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术4.客户端与服务器（1）MQTT客户端（Client）MQTT客户端是发送和接收消息的应用程序。它可以是任何类型的应用程序，包括但不限于嵌入式设备、PC应用程序、Web应用程序以及各类传感器等。MQTT客户端的主要功能包括：连接：客户端通过TCP/IP协议与MQTT服务器建立连接，可以选择使用TLS/SSL加密来实现安全通信。发布：客户端可以向特定主题发布消息。发布消息时，需要指定发布的主题和消息的内容。订阅：客户端可以订阅一个或多个主题，以接收发布者发布的消息。当订阅的主题有消息发布时，MQTT服务器会将消息转发给订阅了该主题的客户端。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术（2）MQTT服务器（MQTTBroker）MQTT服务器是处理客户端请求的关键组件，它负责消息的转发和客户端的管理。MQTT服务器的主要功能包括：连接管理：接受客户端的连接请求，管理客户端的连接状态。消息转发：接收客户端发布的消息，并根据订阅关系将消息转发给相应的订阅者。主题管理：管理MQTT主题，确保消息能够准确地按照主题进行发布和订阅。MQTT服务器通常是一台运行MQTT协议的应用程序，它能够处理大量的客户端连接和消息转发，是MQTT信息传输的枢纽。一个高效强大的MQTT服务器能够轻松应对海量连接和百万级消息吞吐量，从而帮助物联网服务提供商专注于业务发展，快速构建可靠的MQTT应用。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术5.发布者、订阅者、中介（1）发布者（Publisher）发布者是MQTT通信协议中的消息发送者，负责向中介（Broker）发布消息并指定发布的主题（Topic）。发布者通过向中介发送发布请求来发布消息，中介将消息路由转发给订阅了相应主题的订阅者。（2）订阅者（Subscriber）订阅者是MQTT通信协议中的消息接收者，负责订阅感兴趣的主题并接收相应的消息。订阅者通过向中介发送订阅请求来订阅特定的主题或主题模式，一旦有消息发布到该主题，订阅者就会收到该消息。（3）中介（Broker）中介是MQTT通信协议中的核心组件，负责接收、转发和处理消息。中介扮演着中介的角色，连接发布者和订阅者，实现消息的可靠传输和交换。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术6.订阅、主题、会话（1）MQTT订阅MQTT订阅是客户端（Subscriber）向消息服务器（Broker）表达其对某个或某些主题（Topic）上消息的接收意愿的过程。一旦订阅成功，消息服务器会将该主题下的所有消息转发给订阅了该主题的客户端。（2）MQTT主题MQTT主题是一个UTF-8编码的字符串，用于标识消息的类型或分类。它类似于URL路径，使用斜杠（/）进行分层，以便更灵活地组织和匹配消息。（3）MQTT会话MQTT会话是客户端与服务器之间建立的有状态连接，用于在多个消息交换过程中保持上下文信息。会话使得客户端和服务器能够跨越多个连续的网络连接保持通信状态的一致性。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术7.物模型物模型指将物理空间中的实体在进行数字化，在工业互联网平台构建该实体的数据模型，是对一类实体硬件设备的抽象描述，代表此类设备的共性。由于物模型是基于共同的抽象特征，因此可以让应用程序不再针对一个个产品设备，而是同一类设备采用相同的处理逻辑。比如是不同品牌、不同类型、不同功率的电机，其属性基本上是一样，一般情况可以共用物模型。物模型由属性、报警、指令等所组成，用于设备管理和数据交互，属性、报警、指令说明如表3-7所示。表3-7

物模型属性、报警、指令说明类型说明属性的属性值来源有3种，分别是连接变量、规则指定、手动写值；当属性值来源为连接变量时，则主要用于描述设备生产运行的状态，如瞬时流量、累积流量、供水温度、回水温度、热功属性

率等；当属性值来源为规则指定，则主要用于对原始状态进行一定的规则计算而来的统计分析数据，如故障次数、停机时长等；当属性值来源为手动写值，则主要用于辅助规则计算的常量实现灵活配置或是对基本信息的描述，如设备编号、型号等。报警

设备运行时，产生的事件。例如，设备发生故障或超温告警等，报警也可以在物模型中基于属性值，通过配置规则来触发。指令

设备可被外部下发的操作，例如，设备的开关机操作，故障复位，或者工艺设置等。"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术8.物实例物实例是物理实体对象的在工业互联网平台一一对应的数字化映射。它基于物模型注册，携带了认证标识、认证密钥、物标识等唯一标识，用于执行物理设备接入平台、监控设备工况、下发指令、查看设备报警等操作。物实例和物模型是多对一的继承关系，如图3-55所示。当需要对属性、指令、报警的信息进行调整时，仅修改物模型并发布，就可将修改同步到所有具备继承关系的物实例上。图3-55

物实例和物模型对应关系"以数据为眼，洞察工业深层奥秘，驱动产业升级！"工业数据采集技术9.工业互联网平台（1）工