工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術及應用 -校驗與分析能源數(shù)據(jù)

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)實踐經驗賦能人才培養(yǎng)項目二

采集生產能源數(shù)據(jù)任務五校驗與分析能源數(shù)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任務描述小鄭完成了前面幾個任務的實施工作之后向唐工匯報，唐工檢查了小鄭的工作成果后，表揚了小鄭入職后第一個實施項目做得不錯。不過唐工也指導小鄭，還要學會使用趨勢分析器來對采集的數(shù)據(jù)進行校驗，因為這對于項目交付后的運維是非常重要的。在本任務中，小鄭需要了解工業(yè)互聯(lián)網平臺的趨勢分析器的價值，了解其在不同異常情況下對采集問題的排查方向，并會使用趨勢分析器創(chuàng)建和編輯分析報告。知識導圖任務目標知識目標：了解趨勢分析器的作用；了解趨勢分析器異常排查方向；熟悉創(chuàng)建和編輯分析報告的操作步驟；技能目標：會使用趨勢分析器創(chuàng)建分析報告；會查看趨勢分析器報告并初步判斷異常原因。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.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（1）分析屬性變化趨勢可以通過分析相關屬性的某時間段內的變化趨勢，從中發(fā)現(xiàn)問題，為故障報警、資源預警提供線索和依據(jù)，為預測屬性未來的變化情況提供幫助。比如設備溫度、工作電流是否有急劇變化的異常等。1.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（2）對比參數(shù)自洽性可以對比分析同一臺設備多個參數(shù)之間的自洽性，例如：焊接電流、焊接速度、焊絲用量幾個屬性添加在一組曲線，同一時間軸上對比，趨勢應該是一致的，如圖所示，如果不一致則需檢查其異常原因。1.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（2）對比參數(shù)自洽性如圖所示的案例，是一個典型的通過趨勢分析器的分析報告覺察到生產異常的情況。在該案例中，通過電能源儀表采集了制氧廠的空壓機的總有功功率，通過氣流量儀表采集了空壓機的壓縮空氣流量。1.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（2）對比參數(shù)自洽性在正常情況下，空壓機開始工作時總有功功率會上升，同時會制出壓縮空氣，因此氣流量也會同步上升。而圖2-5-2中，4月08日的大約21點開啟空壓機，總有功功率上升，氣流量卻是在凌晨02:21左右才開始隨之上升，中間有5個小時左右沒有生產產出。1.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（2）對比參數(shù)自洽性根據(jù)這種異常情況，需要先排查是否是氣流量儀表的采集網關出現(xiàn)故障，還是氣流量儀表故障導致不準確，甚至是網絡問題導致數(shù)據(jù)延遲。在排除了這些采集鏈路沒有問題之后，需要進一步排查是否空壓機存在漏氣點，如果是因為漏氣導致的異常，解決之后對于企業(yè)來說就是消除了一個重大的能源浪費問題。1.趨勢分析器的作用本任務的數(shù)據(jù)驗證需要使用到根云平臺的趨勢分析器，其作用可概況如下：（3）定位異常時刻有些設備由于網絡或者其他故障掉線，可以從趨勢分析器查看其具體掉線的時刻，從而可以定位到該時刻發(fā)生的情況進行分析。圖所示的情況下，可以看到該設備在2022年8月16日的10:43:54開始無數(shù)據(jù)，從而排查該時段的平臺或是設備運行情況，進一步解決問題。2.趨勢分析器的操作（1）創(chuàng)建分析報告使用根云平臺的趨勢分析創(chuàng)建分析報告有2種方式：方式一：選擇指定物實例的某一個屬性，如圖所示；2.趨勢分析器的操作（1）創(chuàng)建分析報告使用根云平臺的趨勢分析創(chuàng)建分析報告有2種方式：進入趨勢分析頁面，此時系統(tǒng)默認生成分析報告01，且默認為分組A添加該屬性，如圖所示。2.趨勢分析器的操作（1）創(chuàng)建分析報告使用根云平臺的趨勢分析創(chuàng)建分析報告有2種方式：方式二：從左側菜單進入趨勢分析器，單擊“創(chuàng)建”，如圖所示；2.趨勢分析器的操作（1）創(chuàng)建分析報告使用根云平臺的趨勢分析創(chuàng)建分析報告有2種方式：在跳轉的頁面，單擊“添加分析屬性”，在列表中選擇所需要分析的設備及其屬性后確定完成，如圖所示。2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告在分析報告顯示頁面，可以對分析報告進行編輯，但要注意的是：必須要保存報告之后，對報告的編輯和修改才會生效。分析報告編輯示例如圖所示。2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告圖中的序號分別表示：①可以自定義編輯分析報告的名稱；②可以在報告的某個分組中添加多個屬性，進行對比分析，用戶可以對一組曲線選擇多個（目前，根云平臺每個分組可支持4個屬性）不同的屬性進行比較分析。③一份分析報告中支持添加多個分組，方便用戶對比和分析，可以通過點擊“○+”符號添加分組。2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告圖中的序號分別表示：④配置采集樣本個數(shù)和采集時間；平臺支持自定義趨勢曲線的采集樣本個數(shù)和采集時間段，默認展示1000個數(shù)據(jù)樣本，當采集時間小于1小時時，由于采集樣本個數(shù)太少，因此統(tǒng)一顯示為“原始數(shù)據(jù)”。2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告圖中的序號分別表示：⑤通過對比時間，將當前采集時間與指定時間進行對比，采集時間里的數(shù)據(jù)用實線展示，對比時間內的數(shù)據(jù)以虛線展示，如圖所示是選取某個屬性，在兩個時間段對比趨勢。通過對比時間，可以分析出某個屬性在某個月的某一天與其他月份的同一天的數(shù)據(jù)變化趨勢有沒有異常。2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告此外，還可以設置曲線顯示規(guī)則。每個分析屬性都可以獨立設置曲線顯示的規(guī)則，如圖所示2.趨勢分析器的操作（2）編輯分析報告其中圖中內容的說明如表所示。功能說明Y軸位置-以主軸為基準：曲線的Y軸顯示在圖像左側。-以次軸為基準：曲線的Y軸顯示在圖像右側。補值方式數(shù)據(jù)記錄存在斷線、停機等情況導致數(shù)據(jù)趨勢曲線顯示不連續(xù)，因此對每一條曲線，用戶可以通過按鈕配置缺失值情況的補值方式，使得曲線更加平滑且更便于分析，補植方式包括：-不補值-補前值：使用前一個曲線數(shù)據(jù)值來補充缺失的數(shù)據(jù)。-線性補值：使用線性插值法補充缺失數(shù)據(jù)。``online屬性默認為“補前值”，其他屬性默認為“不補值”。聚合方式對每一條曲線，用戶可以通過按鈕配置時間區(qū)間內的數(shù)據(jù)聚合方法。-Number類型屬性，聚合可選項包括：均值、最大值、最小值、最舊值、最新值、眾數(shù)、中位數(shù)。默認使用平均值進行聚合。-Boolean類型屬性，聚合可選項包括：最舊值、最新值、眾數(shù)。默認使用最新值進行聚合。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.創(chuàng)建能耗分析報告（1）登錄根云平臺，在接入與建模頁面選擇“趨勢分析器”，然后單擊“創(chuàng)建”按鈕，如圖所示；1.創(chuàng)建能耗分析報告（2）在跳轉出來的頁面中，單擊“添加分析屬性”，并彈窗中選擇設備下的“工業(yè)互聯(lián)網工作站001”，勾選“A相電流”“A相有功功率”“啟動信號”屬性，單擊“確定”按鈕；如圖所示。1.創(chuàng)建能耗分析報告（3）在時間下拉框中，可以通過快捷選擇、自定義動態(tài)時間、自定義靜態(tài)時間來選擇需要分析的時間段，可以修改分析報告的名稱，如圖所示。1.創(chuàng)建能耗分析報告（4）創(chuàng)建完成之后，單擊“保存”按鈕，如圖2-5-14所示。2.分析異常能耗數(shù)據(jù)（1）如圖2-5-14所示，設備在沒有啟動的情況下，依然有負載電流和有功功率，這個是不符合常理的異常情況。此種情況下，可以排查“2.4.3任務實施中”中“新建采集設備”的高級參數(shù)忘記勾選擊“故障檢測”及其故障數(shù)據(jù)，正確配置如圖2-5-15所示。如果忘記勾選，GBox會一直上報最后一次采集到的數(shù)據(jù)，平臺上的電流和功率數(shù)據(jù)保持最后一條，導致出現(xiàn)圖2-5-14的情況，與實時情況不符合。2.分析異常能耗數(shù)據(jù)（1）如圖2-5-14所示，設備在沒有啟動的情況下，依然有負載電流和有功功率，這個是不符合常理的異常情況。說明：由于能耗儀表使用ModbusRTU協(xié)議，用RS485串口連接，需要設置故障檢測，設置之后，一旦儀表出現(xiàn)故障或者關機，可以對數(shù)據(jù)和采集做出優(yōu)化設置。而如果使用的是S7協(xié)議，由于用的是網口連接，設備一旦停電，相當于TCP連接斷開了，只有TCP連接上了才會重新通信，期間會一直發(fā)起TCP連接，因此不需要做此設置。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)網產業(yè)研究院發(fā)布的《工業(yè)數(shù)據(jù)采集產業(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)議轉換與邊緣處理，構建工業(yè)互聯(lián)網平臺的數(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)產業(yè)的改造升級。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產過程中的應用，類似于給生產制造配上了“大腦”，使之靈活應對各種業(yè)務場景。通過分析整合產品數(shù)據(jù)、制造設備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產過程中產生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產控制的準確性，大幅增強了生產制造的柔性化水平和協(xié)調度。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，實時采集生產制造過程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產裝備和生產過程的“誘明化”運行，結合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)生產裝備和生產過程的智能化。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、工業(yè)光纖網絡等工業(yè)通信網絡實現(xiàn)對工廠內設備的接入和數(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現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括設備（如機床、機器人）數(shù)據(jù)、產品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過程（如工藝、質量等）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工廠外智能產品/裝備的數(shù)據(jù)采集主要通過工業(yè)物聯(lián)網實現(xiàn)對工廠外智能產品/裝備的遠程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產品/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，國內大部分的工業(yè)現(xiàn)場還處在解決生產過程可見性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來是當務之急，至少能夠實時地了解到現(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，設備已經具備的上位機系統(tǒng)、已經具備的通訊協(xié)議等）用最經濟高效的方式來做數(shù)采方案的設計。基于以上原則，結合工業(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)網關（也稱“物聯(lián)網關”或簡稱“網關”）采集，工業(yè)網關解析上述工業(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)網關，工業(yè)網關對工業(yè)通信協(xié)議進行解析，把設備數(shù)據(jù)轉換為網絡數(shù)據(jù)，然后通過聯(lián)網方式結合物聯(lián)網協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網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，也可以使用軟網關采集，軟網關采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網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)轉換為網絡數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網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。以太網口可分為電口和光口，電口就是常用的RJ45水晶頭（一般的網線），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以太網口。（1）設備接口設備接口串行接口以太網口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)議主要是負責子網內設備間的通信，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)內部自定的協(xié)議標準，只適用于本企業(yè)生產的設備產品，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)網關與工業(yè)互聯(lián)網平臺的聯(lián)網方式常見的有：以太網、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)網方式聯(lián)網方式以太網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)網協(xié)議主要是運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網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)網平臺進行數(shù)據(jù)交換及通信，常見的物聯(lián)網協(xié)議有MQTT、HTTP、COAP等。目前，大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網平臺使用的是MQTT協(xié)議作為設備聯(lián)網通信的“第一語言”，如樹根互聯(lián)的根云工業(yè)互聯(lián)網平臺、華為云的物聯(lián)網平臺、騰訊云的物聯(lián)網平臺、阿里云的物聯(lián)網平臺，以及國外微軟Azure的物聯(lián)網平臺等。（4）物聯(lián)網協(xié)議物聯(lián)網協(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)議的專用網關，網關將其協(xié)議轉換為TCP/IP協(xié)議，再接入到車間的網絡中并進行協(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）轉化成網絡數(shù)據(jù)，通過有線或無線網絡傳送給平臺數(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?？梢匝b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)采集內容包括生產開工與完工時間、生產數(shù)量、檢驗項目、檢驗結果、產品缺陷、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)網產業(yè)研究院發(fā)布的《工業(yè)數(shù)據(jù)采集產業(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)議轉換與邊緣處理，構建工業(yè)互聯(lián)網平臺的數(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)產業(yè)的改造升級。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產過程中的應用，類似于給生產制造配上了“大腦”，使之靈活應對各種業(yè)務場景。通過分析整合產品數(shù)據(jù)、制造設備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產過程中產生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產控制的準確性，大幅增強了生產制造的柔性化水平和協(xié)調度。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，實時采集生產制造過程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產裝備和生產過程的“誘明化”運行，結合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)生產裝備和生產過程的智能化。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、工業(yè)光纖網絡等工業(yè)通信網絡實現(xiàn)對工廠內設備的接入和數(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現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括設備（如機床、機器人）數(shù)據(jù)、產品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過程（如工藝、質量等）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工廠外智能產品/裝備的數(shù)據(jù)采集主要通過工業(yè)物聯(lián)網實現(xiàn)對工廠外智能產品/裝備的遠程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產品/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，國內大部分的工業(yè)現(xiàn)場還處在解決生產過程可見性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來是當務之急，至少能夠實時地了解到現(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，設備已經具備的上位機系統(tǒng)、已經具備的通訊協(xié)議等）用最經濟高效的方式來做數(shù)采方案的設計?；谝陨显瓌t，結合工業(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)網關（也稱“物聯(lián)網關”或簡稱“網關”）采集，工業(yè)網關解析上述工業(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)網關，工業(yè)網關對工業(yè)通信協(xié)議進行解析，把設備數(shù)據(jù)轉換為網絡數(shù)據(jù)，然后通過聯(lián)網方式結合物聯(lián)網協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網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，也可以使用軟網關采集，軟網關采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網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)轉換為網絡數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網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。以太網口可分為電口和光口，電口就是常用的RJ45水晶頭（一般的網線），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以太網口。（1）設備接口設備接口串行接口以太網口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)議主要是負責子網內設備間的通信，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)內部自定的協(xié)議標準，只適用于本企業(yè)生產的設備產品，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)網關與工業(yè)互聯(lián)網平臺的聯(lián)網方式常見的有：以太網、4G、Wi-Fi等。根據(jù)采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小、傳輸