樹根互聯教育《工業數據采集技術與應用》以技術積累與行業實踐經驗賦能人才培養項目三采集生產管理數據任務一規劃生產數據采集方案>>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在本任務中，項目經理唐工帶著初級實施工程師小韓去到二號工廠的生產車間，與車間主管進行溝通；獲取需要具體采集的數據，調研現場的生產設備情況、生產執行的過程，確認安裝位置、網絡情況和可實施時段等；以便制定具體的采集方案，如采集啟停信號、作業信號、人員和產品信息、設備關鍵參數信息等的方案。知識導圖任務目標知識目標了解工業企業數字化轉型的需求；了解制定IO采集方案的內容；技能目標能根據現場設備的啟停信號、作業信號等制定數據采集方案；能根據需要獲取的人員信息、產品信息等制定采集方案；能根據現場情況確認采集器的安裝位置和供電電源；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.工業企業數字化轉型數據給工業企業帶來的價值可以從企業內部經營管理和外部市場兩個方面來分析。企業內部經營管理的核心要素是如何降低運營成本和提高科學決策水平。工業企業的數字化轉型體現在業務模式、管理模式、生產模式、設備運行模式等層面。隨著市場的變化和生產要素的發展（如存量市場放緩、開放式競爭、市場動態加劇等），出現了很多業務模式創新需求，如服務型制造、產能金融化、協同研發等。需要一個全局的數據平臺來支撐靈活快速的業務創新和生產組織形態的改變。1.工業企業數字化轉型在管理模式上，也有預測性維修、控制參數優化、生產計劃優化等以決策為中心的需求，需要設備全生命周期檔案、以物料為中心的生產檔案等全息大數據模型，這些模型能夠真實、全面地刻畫物理世界，從而支撐我們從繁雜的動態數據中挖掘不變的規律。在無人或少人值守等場景下，需要實現人工經驗和決策過程的全面自動化，從而實現知識和經驗的傳承、決策邏輯的流動，而不只是數據的流動。1.工業企業數字化轉型在生產模式方面，隨著產品定制化程度提高（如根據個同壞境進行風力發電機組的定制化設計與制造等）、產品生命周期縮短、專業分工細化、勞動力結構遷移等外部趨勢的發展，協調設計、混線生產、少人值守、智能優化等新模式也需要數據文撐。在設備的智能升級過程中（如表面質量的智能檢測、自適應控制、自學習在線矯正等），希望設備的檢測、控制和運行能夠根據環境和實際情況自學習、自診斷、自調整。1.工業企業數字化轉型工業企業數字化轉型的技術手段主要有自動化、信息化和智能化。作為工業生產效率的重要技術保障手段，自動化實現了以生產工藝為中心的物料和生產指令的整理；作為提高管理效率的重要技術手段，信息化實現了以業務流程為中心的數據整合和管理決策的協同。以計算機集成制造等理念為代表的自動化和信息化的融合，實現了部分生產與經營的整合。這些數字化轉型通常集中在執行層，通過數據的自動收集和決策信息的及時流轉支撐經營過程的透明化，關鍵決策通常全部由人工完成。智能化則嘗試構建決策所需的完整信息（如物理信息動態過程、全生命周期檔案等），通過分析和挖掘數據，實現大范圍決策過程的優化很多文獻中都提到了從“信息化”到“智能化”的升級的本質是數據的深度利用。很多文獻中都提到了從“信息化”到“智能化”的升級的本質是數據的深度利用。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.梳理采集需求設備狀態信息：設備開關機信號、作業執行信號；由于已經了解該工廠的生產設備主要是以沒有控制系統的沖壓機，參考實物圖如圖3-1-1所示；因此需要根據這些設備的啟動信號、作業信號等制定方案。唐工與小鄭與二號工程的車間主管進行溝通確認，梳理出現場需要采集的內容如下：1.梳理采集需求設備關鍵參數：關鍵部件溫度、設備電流；產品信息：讀取產品的生產編碼等信息，便于統計不同產品的單品能耗和生產時長等數據；人員信息：讀取人員的基本信息，可以客觀獲取該員工的工作時長、統計其產量信息等。唐工與小鄭與二號工程的車間主管進行溝通確認，梳理出現場需要采集的內容如下：2.確認供電電源在客戶現場調研期間，需要確認設備的主回路電源及控制回路電源。主要目的是確認設備的供電電壓，以選取合適的信號轉換附件；另外，多數情況下需要通過設備的電源給采集模塊供電。一般的工業設備以AC380V的交流電源居多，通過設備斷路器或空氣開關引入設備電箱主回路中，如圖3-1-2所示的左圖。若設備有匹配的開關電源及端口，通?？梢钥紤]直接從設備的控制開關電源給采集模塊供電，如圖3-1-2所示的右圖。2.確認供電電源若設備電氣控制柜中沒有匹配的開關電源可以給采集模塊供電使用，則需要加裝開關電源或使用電源適配器給采集模塊供電。開關電源和電源適配器插座通常選用卡軌安裝式，便于安裝實施。經過調研，本項目采用從設備的控制開關電源給采集模塊供電。3.確認安裝位置在規劃采集方案之前，通常去客戶現場調研需要確認采集器的安裝位置。一般情況下，IO采集器及轉換附件安裝在生產設備的配電柜內部；但一些小型或簡易的生產設備無配電柜或配電柜位置狹小，則需要考慮外加配電柜來安裝采集終端等硬件。3.確認安裝位置在配電柜內安裝，需要確認一下柜內是否有空余的卡軌（標準35mm卡軌）可供使用，卡軌長度一般需要15CM~18CM。若無空余卡軌可用則需要另外安裝卡軌來安裝采集終端。另裝卡軌長度一般預留20CM左右，柜內需要有一塊大概A4紙（297mm*210mm）的安裝空間。如圖3-1-3所示是確認IO采集器在工業現場的安裝位置的實際案例。4.確認網絡情況本項目的IO采集器是通過4G網絡進行通訊傳輸的，硬件是支持全網通的。需要在客戶設備現場確認移動網絡覆蓋情況，可以用手機測試，必要時可以用一臺測試硬件現場測試。使用的4G天線是外置210mm長的天線，需要放置在配電柜外部以防信號屏蔽。要考慮配電柜的天線走線，如果柜體完全封閉的，沒有對外走線孔，則還需要考慮打孔走線，如圖3-1-4所示是本項目使用的天線。5.制定采集方案方案一：直接通過采集模塊供電信號判斷（1）采集啟停信號通常情況下，設備的控制電路中開關電源是受設備總的啟停開關來控制的，所以可以通過設備控制電路開關電源的電壓信號來判斷設備總的啟停狀態。為了減少實施的工作量和復雜程度，我們將硬件中加入了電源供電狀態判斷功能，直接通過電源的供電電壓來判斷設備的總啟停狀態。故只要是從設備開關電源直接引線給采集模塊供電即可直接判斷設備的總啟停狀態了，不需要額外做相關信號點的采集和處理了。如果采集器是外加電源供電，且外加電源取自設備的總啟停控制開關下游電路，則也可直接通過采集模塊的供電信號來判斷總啟停狀態。5.制定采集方案方案二：通過設備啟?？刂崎_關或關聯電路控制開關信號判斷（1）采集啟停信號在采集模塊供電不滿足需求的情況下（比如采集模塊獨立供電），也可以考慮通過IO端口對設備的總啟停信號進行采集檢測。通過設備總啟?；芈房刂崎_關信號判斷，如主斷路器、主接觸器、空氣開關、刀閘開關等，如圖3-1-5所示?；蜻x取與設備總啟?？刂崎_關相關聯的控制回路開關信號判斷，如測量回路、繼電保護回路或信號回路的繼電器、指示燈等信號。本項目采用方案二，獲取信號為開關觸點閉合/斷開信號、電壓轉換信號。信號為“1”表示該設備/負載處于“開啟/運行”狀態；信號為“0”表示該設備/負載處于“關閉/停止”狀態。5.制定采集方案（2）采集作業信號作業信號（生產執行信號）即設備電氣控制系統中能夠代表設備處于作業狀態的相關信號。此信號的變化能夠準確的反映設備在執行生產動作，且信號變化頻次與生產執行頻次為強比例關系。如注塑機的射膠信號，沖壓機的沖頭滑塊下壓信號等。方案一：設備電氣控制回路/輔助回路電氣控制開關信號判斷。如中間繼電器，時間繼電器、按鈕開關等。獲取如下信號：開關觸點閉合/斷開信號、電壓轉換信號。信號為“1”表示其關聯控制的設備/負載處于“開啟/運行”狀態；信號為“0”表示其關聯控制的設備/負載處于“關閉/停止”狀態。5.制定采集方案（2）采集作業信號方案二：加裝接近開關判斷設備作業執行狀態。有些設備的生產執行動作是純機械控制的，如手動控制的沖壓機、裝配線、立式鉆等，這些設備沒有相關的電氣信號可采集。可考慮在設備執行機構合適位置加裝開關傳感器檢測設備執行動作的狀態。將開關信號對接到采集器進行信號獲取。設備執行機構動作信號檢測判斷，是通過判斷設備執行了某一動作或觸發了某一狀態。通常通過加裝行程開關，接近開關、光電開關、微動開關等方式進行監測判斷，如圖3-1-6所示。5.制定采集方案（2）采集作業信號本項目采用方案二，獲取信號為各開關觸點或感應模塊閉合/斷開信號。信號為“1”表示其關聯的設備執行機構“執行了”設定的生產動作；信號為“0”表示其關聯的設備執行機構“未執行”設定的生產動作。5.制定采集方案（3）采集人員信息通過在設備工位處，加裝RFID讀卡器接入到采集器，讀取負責機臺操作人員的信息，用以實時獲取當前設備操作人員與生產過程所關聯的業務信息，可計算員工產量、操作時長等。真正做到設備數據與人員業務數據的自動結合，達到生產運營管理提升的目的。5.制定采集方案（4）采集產品信息通過在設備工位處，加裝掃碼槍接入到采集器，讀取機臺所加工的產品單號、任務單號等信息，用以實時獲取當前產品信息/訂單信息與生產過程所關聯的業務信息。真正做到設備數據與產品數據的自動結合，從而可以根據獲取到的信息精確計算分析產品/訂單生產成本、生產周期、產品單耗等，便于后續優化生產計劃安排。5.制定采集方案（5）采集關鍵參數在工業現場的數據采集場景中，經常通過外加傳感器，采集并監測設備的生產設備的關鍵參數。如外加溫度傳感器監測設備的軸承溫度，外加電流互感器監測設備的運行電流，速度傳感器監測部件的運轉速度等。經過現場調研，本項目需要外接溫度傳感器和電流互感器，檢測生產設備的電機工作溫度和運行時的電流。6.確認實施時間在實際工業現場中，企業的生產通常都是提前計劃，不能隨意停機。因此在安裝之前，需要與現場設備操作人員或操作班長確認設備停機時間。通常實施時需要先做布線準備工作；正常情況下，現場實施工程師需要設備停機以實施接線的時間為10分鐘左右，如果僅需要接開關電源信號則停機時間需要更短。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教育《工業數據采集技術與應用》以技術積累與行業實踐經驗賦能人才培養緒論工業數據采集概述賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.1工業數據采集的定義工業互聯網產業研究院發布的《工業數據采集產業研究報告2018》中，對工業數據采集的定義為：利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境、人等要素信息進行實時高效采集和云端匯聚。0.1工業數據采集的定義工業數據采集對應工業互聯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、系統和產品，采集大范圍、深層次的工業數據，以及異構數據的協議轉換與邊緣處理，構建工業互聯網平臺的數據基礎。賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.2工業數據采集的意義工業數據可以加速業務場景交互，推進傳統產業的改造升級。工業數據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務場景。通過分析整合產品數據、制造設備數據、訂單數據以及生產過程中產生的其他數據，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調度。0.2工業數據采集的意義通過智能數控設備、傳感識別技術、制造執行系統等先進的數字裝備與管控技術，實時采集生產制造過程中的工業數據，實現生產裝備和生產過程的“誘明化”運行，結合人工智能、大數據等技術，實現生產裝備和生產過程的智能化。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在設備狀態監測方面，實時采集溫度、電壓、電流等工業數據，可以直觀展示設備實時的運行狀態，實現設備全面、實時、精確的狀態感知。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在設備故障診斷方面，利用大數據分析技術，對設備工作日志、歷史故障、運行軌跡、實時位置等海量工業數據進行挖掘分析，基于知識庫和自學習機制建立故障智能診斷模型，實現設備故障精準定位。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在預測性維護方面，基于設備全生命周期的運行數據，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工業數據采集的意義而如何從大量設備和系統中獲取數據，是數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數據，才能基于工業大數據做分析、處理、監控、智能決策等，才能實現數字化的價值。從這個層面來講，工業數據采集是智能制造和工業互聯網的基礎和先決條件，是工業企業實現透明工廠、智能工廠的基礎。工業大數據分析處理監控決策數字化賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.3工業數據采集的范圍工業數據采集廣義范圍既包括工業現場設備的數據采集和工廠外智能產品/裝備的數據采集，也包括對ERP、MES等應用系統的數據采集。工業數據采集工業現場設備的數據采集工廠外智能產品/裝備的數據采集ERP、MES等應用系統的數據采集0.3.1工業現場設備的數據采集主要通過現場總線、工業以太網、工業光纖網絡等工業通信網絡實現對工廠內設備的接入和數據采集，可分為三類：（1）對PLC、RTU、嵌入式系統、IPC等通用控制設備的數據采集；（2）對機器人、數控機床、AGV等專用智能設備/裝備的數據采集；（3）對傳感器、變送器、采集器等專用采集設備的數據采集。0.3.1工業現場設備的數據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場數據，包括設備（如機床、機器人）數據、產品（如原材料、在制品、成品）數據、過程（如工藝、質量等）數據、環境（如溫度、濕度等）數據、作業數據（現場人員操作數據，如單次操作時間）等數據，如圖0-2所示。主要用于工業現場生產過程的可視化和持續優化，實現智能化的決策與控制。0.3.2工廠外智能產品/裝備的數據采集主要通過工業物聯網實現對工廠外智能產品/裝備的遠程接入和數據采集。主要采集智能產品/裝備運行時關鍵指標數據，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、通信流量等數據。主要用于實現智能產品/裝備的遠程監控、健康狀態監測和遠程維護等應用。圖0-3示意了工廠外工程機械的數據采集過程。0.3.3對EPR、MES等應用系統的數據采集此種數據采集方式主要由工業互聯網平臺通過接口和系統集成方式實現對SCADA、DCS、MES、ERP等應用系統的數據采集，其對接示意如圖0-4所示，系統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工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.4工業數據采集的實現本書的學習任務設置主要是生產企業的工業現場設備的數據采集，包含設備數據、產品數據、過程數據、環境數據、作業數據。對于設備數據，由于工業現場設備的自動化程度、工業通信協議、設備接口等不統一，對設備數據采集方式也會采用不同的方式。設備數據產品數據過程數據環境數據作業數據工業現場設備的數據采集0.4工業數據采集的實現在制定數據采集方案的時候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設備的數據采集之前，先問問自己為什么要采集這些數據，這些數據到底能夠帶來什么樣的業務價值。誠然，國內大部分的工業現場還處在解決生產過程可見性的階段，因此，能夠先把數據采集上來是當務之急，至少能夠實時地了解到現場都發生了什么。但是，在智能制造的大背景下，我們需要看得遠一些，在做數據采集之前，盡可能地多去思考一下什么樣的數據對我們的業務改進幫助最大，這樣也許會讓我們在數據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，我們都首先從業務背景和需求出發，闡述采集的目的和業務作用，然后進行任務實操。0.4工業數據采集的實現在制定數據采集方案的時候，需要遵循兩大原則：2）經濟性中國工業現場環境非常復雜，工業設備種類非常多，對于工業現場的數據采集，不同場景下可能有多種采集方案，但是企業作為盈利組織，首先考慮的是投資回報率的問題，因此，我們做設備數據采集，一定要結合我們的數采業務目標，充分利用設備的現有條件（比如，設備已經具備的上位機系統、已經具備的通訊協議等）用最經濟高效的方式來做數采方案的設計?；谝陨显瓌t，結合工業現場場景，選用合適的數據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有上位機系統的設備數據采集這里的上位機系統一般是設備自帶的監控系統，這樣的設備往往自動化程度和信息化程度都比較高。其上位機系統往往已經對設備數據進行了采集、存儲，因此，對于這種有上位機系統的設備，我們首選的數據采集方案就是直接從上位機系統中獲取設備的數據，而不是去和設備打交道。這樣就能夠把一個OT的問題（設備層的數據采集）轉化為IT的問題（兩個信息系統的信息集成）。因為上位機系統能將設備的數據存儲到自身所帶有的數據庫中，然后以開放數據庫訪問權限的方式，或以WebService等方式釋放數據訪問接口。上位機系統數據采集系統0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集對于生產現場中沒有上位機系統的眾多設備，我們就需要從設備所支持的通訊協議和支持的接口角度入手，制定數采方案。對于“基于TCP/IP通訊協議”，比較常用的有OPCClassic、SiemensS7、Modbus-TCP等通用協議，也有設備廠商自行定義的私有協議。這些協議的特點是都是基于TCP/IP協議簇，只是應用層協議不同。采用這些協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通訊協議0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集在這種場景下，采用的數據采集方案是一般是通過工業網關（也稱“物聯網關”或簡稱“網關”）采集，工業網關解析上述工業通信協議，實現對設備數據的采集。工業網關在本書任務1.2中會有詳細介紹。整個采集流程從工業現場的設備端開始，通過控制系統的數據接口結合其工業通信協議，把數據采集到邊緣采集設備如工業網關，工業網關對工業通信協議進行解析，把設備數據轉換為網絡數據，然后通過聯網方式結合物聯網協議，將采集的數據上傳至工業互聯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通訊協議的設備數據采集目前通過工業網關進行協議采集，是比較主流的工業設備數據采集的方式。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運行，也是通過對工業通信協議解析把設備數據轉換為網絡數據，上傳至工業互聯網平臺服務器或采集服務器。數據采集系統嵌入式軟件上位機系統0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集設備接口是指硬件構成或者是允許人和電腦、通信系統或者其它電子信息系統互動的元件系統。本書只介紹工業現場常用的串行接口、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，數據一位一位地順序傳送。常用的串行接口按電氣標準及協議來分包括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通訊協議的設備數據采集（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通訊協議的設備數據采集工業通信協議主要是負責子網內設備間的通信，從開放性來分，可分為私有協議和公有協議，私有協議就是企業內部自定的協議標準，只適用于本企業生產的設備產品，如西門子的S7通信協議就是西門子公司的私有協議。與之對應的就是公有協議，目前受到廣泛支持的主要協議有ProfiNet、Modbus等。（2）工業通信協議工業通信協議私有協議公有協議S7ProfiNetModbus0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集當前工業網關與工業互聯網平臺的聯網方式常見的有：以太網、4G、Wi-Fi等。根據采集傳輸的數據量大小、傳輸速度、傳輸的距離和工業現場環境綜合考慮選擇。對于速度要求高，傳輸數據大的需求并在工業現場能實現的情況下可選擇以太網方式；不方便布線且傳輸數據小的場景則可選用無線（如4G/Wi-Fi等）的方式。（3）聯網方式聯網方式以太網4GWi-Fi0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集此處的物聯網協議主要是運行在傳統互聯網TCP/IP等協議之上的通信協議，負責設備與工業互聯網平臺進行數據交換及通信，常見的物聯網協議有MQTT、HTTP、COAP等。目前，大多數工業互聯網平臺使用的是MQTT協議作為設備聯網通信的“第一語言”，如樹根互聯的根云工業互聯網平臺、華為云的物聯網平臺、騰訊云的物聯網平臺、阿里云的物聯網平臺，以及國外微軟Azure的物聯網平臺等。（4）物聯網協議物聯網協議MQTTHTTPCOAP0.4.3基于非TCP/IP通訊協議的設備數據采集這一類協議不屬于TCP/IP協議簇，往往在硬件接口方面就與以太網不兼容，比如RS485等。對于這類設備的數據采集，一般采用兼容該設備的接口和工業協議的專用網關，網關將其協議轉換為TCP/IP協議，再接入到車間的網絡中并進行協議解析，否則，在物理層面就無法實現互通。這類協議比較常用的包括Modbus-RTU、DeviceNet等。Modbus-RTUDeviceNet非TCP/IP協議簇0.4.4不具備通信接口的設備數據采集對于建立較早的工業企業，會存在大量的沒有控制單元或沒有拓展功能的老舊設備，比如不帶數控系統的機床，這些設備沒有通信接口，無法直接通信采集數據（行業中也有“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、數采板卡、采集器等傳感器或采集硬件，采集設備的運行數據，如設備開關機、作業信號、電流溫度參數等，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（數字信號）、模擬量（模擬信號）轉化成網絡數據，通過有線或無線網絡傳送給平臺數據服務器。啞設備改造采集硬件平臺數據服務器有線或無線網絡0.4.4不具備通信接口的設備數據采集這種方式成本較低，但能采集的數據有限、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據采集某些情況下，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據，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，再加以計算以此獲得設備的運行時間。（1）數據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而言，輸入指從儀表/傳感器進入控制系統的測量參數，輸出指從控制系統輸出到執行機構的參量，一個參量叫做一個點。比較困難數據采集平臺Y1Y2比較容易近似計算0.4.5基于人工采集終端場景的數據采集有些信息化水平偏低的工業企業，在某些生產環節無法實現自動采集，則通過現場工位機、移動終端、條碼掃描槍等人工采集終端進行數據采集。數據采集內容包括生產開工與完工時間、生產數量、檢驗項目、檢驗結果、產品缺陷、設備故障等?；谌斯げ杉K端的數據采集受制于人的主動性，在數據的實時性、準確性、客觀性等方面有所欠缺?，F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教育《工業數據采集技術與應用》以技術積累與行業實踐經驗賦能人才培養緒論工業數據采集概述賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.1工業數據采集的定義工業互聯網產業研究院發布的《工業數據采集產業研究報告2018》中，對工業數據采集的定義為：利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境、人等要素信息進行實時高效采集和云端匯聚。0.1工業數據采集的定義工業數據采集對應工業互聯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、系統和產品，采集大范圍、深層次的工業數據，以及異構數據的協議轉換與邊緣處理，構建工業互聯網平臺的數據基礎。賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.2工業數據采集的意義工業數據可以加速業務場景交互，推進傳統產業的改造升級。工業數據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務場景。通過分析整合產品數據、制造設備數據、訂單數據以及生產過程中產生的其他數據，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調度。0.2工業數據采集的意義通過智能數控設備、傳感識別技術、制造執行系統等先進的數字裝備與管控技術，實時采集生產制造過程中的工業數據，實現生產裝備和生產過程的“誘明化”運行，結合人工智能、大數據等技術，實現生產裝備和生產過程的智能化。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在設備狀態監測方面，實時采集溫度、電壓、電流等工業數據，可以直觀展示設備實時的運行狀態，實現設備全面、實時、精確的狀態感知。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在設備故障診斷方面，利用大數據分析技術，對設備工作日志、歷史故障、運行軌跡、實時位置等海量工業數據進行挖掘分析，基于知識庫和自學習機制建立故障智能診斷模型，實現設備故障精準定位。0.2工業數據采集的意義工業數據融入設備，將設備運行狀態透明化，有助于設備故障診斷和運行優化。在預測性維護方面，基于設備全生命周期的運行數據，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工業數據采集的意義而如何從大量設備和系統中獲取數據，是數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數據，才能基于工業大數據做分析、處理、監控、智能決策等，才能實現數字化的價值。從這個層面來講，工業數據采集是智能制造和工業互聯網的基礎和先決條件，是工業企業實現透明工廠、智能工廠的基礎。工業大數據分析處理監控決策數字化賽項組成賦能萬物，連接未來01020304工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.3工業數據采集的范圍工業數據采集廣義范圍既包括工業現場設備的數據采集和工廠外智能產品/裝備的數據采集，也包括對ERP、MES等應用系統的數據采集。工業數據采集工業現場設備的數據采集工廠外智能產品/裝備的數據采集ERP、MES等應用系統的數據采集0.3.1工業現場設備的數據采集主要通過現場總線、工業以太網、工業光纖網絡等工業通信網絡實現對工廠內設備的接入和數據采集，可分為三類：（1）對PLC、RTU、嵌入式系統、IPC等通用控制設備的數據采集；（2）對機器人、數控機床、AGV等專用智能設備/裝備的數據采集；（3）對傳感器、變送器、采集器等專用采集設備的數據采集。0.3.1工業現場設備的數據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場數據，包括設備（如機床、機器人）數據、產品（如原材料、在制品、成品）數據、過程（如工藝、質量等）數據、環境（如溫度、濕度等）數據、作業數據（現場人員操作數據，如單次操作時間）等數據，如圖0-2所示。主要用于工業現場生產過程的可視化和持續優化，實現智能化的決策與控制。0.3.2工廠外智能產品/裝備的數據采集主要通過工業物聯網實現對工廠外智能產品/裝備的遠程接入和數據采集。主要采集智能產品/裝備運行時關鍵指標數據，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、通信流量等數據。主要用于實現智能產品/裝備的遠程監控、健康狀態監測和遠程維護等應用。圖0-3示意了工廠外工程機械的數據采集過程。0.3.3對EPR、MES等應用系統的數據采集此種數據采集方式主要由工業互聯網平臺通過接口和系統集成方式實現對SCADA、DCS、MES、ERP等應用系統的數據采集，其對接示意如圖0-4所示，系統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工業數據采集的定義工業數據采集的意義工業數據采集的范圍工業數據采集的實現0.4工業數據采集的實現本書的學習任務設置主要是生產企業的工業現場設備的數據采集，包含設備數據、產品數據、過程數據、環境數據、作業數據。對于設備數據，由于工業現場設備的自動化程度、工業通信協議、設備接口等不統一，對設備數據采集方式也會采用不同的方式。設備數據產品數據過程數據環境數據作業數據工業現場設備的數據采集0.4工業數據采集的實現在制定數據采集方案的時候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設備的數據采集之前，先問問自己為什么要采集這些數據，這些數據到底能夠帶來什么樣的業務價值。誠然，國內大部分的工業現場還處在解決生產過程可見性的階段，因此，能夠先把數據采集上來是當務之急，至少能夠實時地了解到現場都發生了什么。但是，在智能制造的大背景下，我們需要看得遠一些，在做數據采集之前，盡可能地多去思考一下什么樣的數據對我們的業務改進幫助最大，這樣也許會讓我們在數據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，我們都首先從業務背景和需求出發，闡述采集的目的和業務作用，然后進行任務實操。0.4工業數據采集的實現在制定數據采集方案的時候，需要遵循兩大原則：2）經濟性中國工業現場環境非常復雜，工業設備種類非常多，對于工業現場的數據采集，不同場景下可能有多種采集方案，但是企業作為盈利組織，首先考慮的是投資回報率的問題，因此，我們做設備數據采集，一定要結合我們的數采業務目標，充分利用設備的現有條件（比如，設備已經具備的上位機系統、已經具備的通訊協議等）用最經濟高效的方式來做數采方案的設計?；谝陨显瓌t，結合工業現場場景，選用合適的數據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有上位機系統的設備數據采集這里的上位機系統一般是設備自帶的監控系統，這樣的設備往往自動化程度和信息化程度都比較高。其上位機系統往往已經對設備數據進行了采集、存儲，因此，對于這種有上位機系統的設備，我們首選的數據采集方案就是直接從上位機系統中獲取設備的數據，而不是去和設備打交道。這樣就能夠把一個OT的問題（設備層的數據采集）轉化為IT的問題（兩個信息系統的信息集成）。因為上位機系統能將設備的數據存儲到自身所帶有的數據庫中，然后以開放數據庫訪問權限的方式，或以WebService等方式釋放數據訪問接口。上位機系統數據采集系統0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集對于生產現場中沒有上位機系統的眾多設備，我們就需要從設備所支持的通訊協議和支持的接口角度入手，制定數采方案。對于“基于TCP/IP通訊協議”，比較常用的有OPCClassic、SiemensS7、Modbus-TCP等通用協議，也有設備廠商自行定義的私有協議。這些協議的特點是都是基于TCP/IP協議簇，只是應用層協議不同。采用這些協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通訊協議0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集在這種場景下，采用的數據采集方案是一般是通過工業網關（也稱“物聯網關”或簡稱“網關”）采集，工業網關解析上述工業通信協議，實現對設備數據的采集。工業網關在本書任務1.2中會有詳細介紹。整個采集流程從工業現場的設備端開始，通過控制系統的數據接口結合其工業通信協議，把數據采集到邊緣采集設備如工業網關，工業網關對工業通信協議進行解析，把設備數據轉換為網絡數據，然后通過聯網方式結合物聯網協議，將采集的數據上傳至工業互聯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通訊協議的設備數據采集目前通過工業網關進行協議采集，是比較主流的工業設備數據采集的方式。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運行，也是通過對工業通信協議解析把設備數據轉換為網絡數據，上傳至工業互聯網平臺服務器或采集服務器。數據采集系統嵌入式軟件上位機系統0.4.2基于TCP/IP通訊協議的設備數據采集設備接口是指硬件構成或者是允許人和電腦、通信系統或者其它電子信息系統互動的元件系統。本書只介紹工業現場常用的串行接口、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，數據一位一位地順序傳送。常用的串行接口按電氣標準及協議來分包括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通訊協議的設備數據采集（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通訊協議的設備數據采集工業通信協議主要是負責子網內設備間的通信，從開放性來分，可分為私有協議和公有協議，私有協議就是企業內部自定的協議標準，只適用于本企業生產的設備產品，如西門子的S7通信協議就是西門子公司的私有協議。與之對應的就是公有協議，目前受到廣泛支持的主要協議有ProfiNet、Modbus等。（2）工業通信協議工業通信協議私有協議公有協議S7ProfiNetModbus0.4.2基