工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及應(yīng)用 - 規(guī)劃生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方案

樹(shù)根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用》以技術(shù)積累與行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)賦能人才培養(yǎng)項(xiàng)目三采集生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)任務(wù)一規(guī)劃生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方案>>賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考任務(wù)描述在本任務(wù)中，項(xiàng)目經(jīng)理唐工帶著初級(jí)實(shí)施工程師小韓去到二號(hào)工廠的生產(chǎn)車間，與車間主管進(jìn)行溝通；獲取需要具體采集的數(shù)據(jù)，調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備情況、生產(chǎn)執(zhí)行的過(guò)程，確認(rèn)安裝位置、網(wǎng)絡(luò)情況和可實(shí)施時(shí)段等；以便制定具體的采集方案，如采集啟停信號(hào)、作業(yè)信號(hào)、人員和產(chǎn)品信息、設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)信息等的方案。知識(shí)導(dǎo)圖任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)了解工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求；了解制定IO采集方案的內(nèi)容；技能目標(biāo)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停信號(hào)、作業(yè)信號(hào)等制定數(shù)據(jù)采集方案；能根據(jù)需要獲取的人員信息、產(chǎn)品信息等制定采集方案；能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確認(rèn)采集器的安裝位置和供電電源；賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考1.工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)據(jù)給工業(yè)企業(yè)帶來(lái)的價(jià)值可以從企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營(yíng)管理和外部市場(chǎng)兩個(gè)方面來(lái)分析。企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營(yíng)管理的核心要素是如何降低運(yùn)營(yíng)成本和提高科學(xué)決策水平。工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型體現(xiàn)在業(yè)務(wù)模式、管理模式、生產(chǎn)模式、設(shè)備運(yùn)行模式等層面。隨著市場(chǎng)的變化和生產(chǎn)要素的發(fā)展（如存量市場(chǎng)放緩、開(kāi)放式競(jìng)爭(zhēng)、市場(chǎng)動(dòng)態(tài)加劇等），出現(xiàn)了很多業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新需求，如服務(wù)型制造、產(chǎn)能金融化、協(xié)同研發(fā)等。需要一個(gè)全局的數(shù)據(jù)平臺(tái)來(lái)支撐靈活快速的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和生產(chǎn)組織形態(tài)的改變。1.工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型在管理模式上，也有預(yù)測(cè)性維修、控制參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化等以決策為中心的需求，需要設(shè)備全生命周期檔案、以物料為中心的生產(chǎn)檔案等全息大數(shù)據(jù)模型，這些模型能夠真實(shí)、全面地刻畫物理世界，從而支撐我們從繁雜的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中挖掘不變的規(guī)律。在無(wú)人或少人值守等場(chǎng)景下，需要實(shí)現(xiàn)人工經(jīng)驗(yàn)和決策過(guò)程的全面自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的傳承、決策邏輯的流動(dòng)，而不只是數(shù)據(jù)的流動(dòng)。1.工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型在生產(chǎn)模式方面，隨著產(chǎn)品定制化程度提高（如根據(jù)個(gè)同壞境進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定制化設(shè)計(jì)與制造等）、產(chǎn)品生命周期縮短、專業(yè)分工細(xì)化、勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)遷移等外部趨勢(shì)的發(fā)展，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、混線生產(chǎn)、少人值守、智能優(yōu)化等新模式也需要數(shù)據(jù)文撐。在設(shè)備的智能升級(jí)過(guò)程中（如表面質(zhì)量的智能檢測(cè)、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)在線矯正等），希望設(shè)備的檢測(cè)、控制和運(yùn)行能夠根據(jù)環(huán)境和實(shí)際情況自學(xué)習(xí)、自診斷、自調(diào)整。1.工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的技術(shù)手段主要有自動(dòng)化、信息化和智能化。作為工業(yè)生產(chǎn)效率的重要技術(shù)保障手段，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了以生產(chǎn)工藝為中心的物料和生產(chǎn)指令的整理；作為提高管理效率的重要技術(shù)手段，信息化實(shí)現(xiàn)了以業(yè)務(wù)流程為中心的數(shù)據(jù)整合和管理決策的協(xié)同。以計(jì)算機(jī)集成制造等理念為代表的自動(dòng)化和信息化的融合，實(shí)現(xiàn)了部分生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)的整合。這些數(shù)字化轉(zhuǎn)型通常集中在執(zhí)行層，通過(guò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集和決策信息的及時(shí)流轉(zhuǎn)支撐經(jīng)營(yíng)過(guò)程的透明化，關(guān)鍵決策通常全部由人工完成。智能化則嘗試構(gòu)建決策所需的完整信息（如物理信息動(dòng)態(tài)過(guò)程、全生命周期檔案等），通過(guò)分析和挖掘數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大范圍決策過(guò)程的優(yōu)化很多文獻(xiàn)中都提到了從“信息化”到“智能化”的升級(jí)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)的深度利用。很多文獻(xiàn)中都提到了從“信息化”到“智能化”的升級(jí)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)的深度利用。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考1.梳理采集需求設(shè)備狀態(tài)信息：設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào)、作業(yè)執(zhí)行信號(hào)；由于已經(jīng)了解該工廠的生產(chǎn)設(shè)備主要是以沒(méi)有控制系統(tǒng)的沖壓機(jī)，參考實(shí)物圖如圖3-1-1所示；因此需要根據(jù)這些設(shè)備的啟動(dòng)信號(hào)、作業(yè)信號(hào)等制定方案。唐工與小鄭與二號(hào)工程的車間主管進(jìn)行溝通確認(rèn)，梳理出現(xiàn)場(chǎng)需要采集的內(nèi)容如下：1.梳理采集需求設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)：關(guān)鍵部件溫度、設(shè)備電流；產(chǎn)品信息：讀取產(chǎn)品的生產(chǎn)編碼等信息，便于統(tǒng)計(jì)不同產(chǎn)品的單品能耗和生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)；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(shí)長(zhǎng)、統(tǒng)計(jì)其產(chǎn)量信息等。唐工與小鄭與二號(hào)工程的車間主管進(jìn)行溝通確認(rèn)，梳理出現(xiàn)場(chǎng)需要采集的內(nèi)容如下：2.確認(rèn)供電電源在客戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研期間，需要確認(rèn)設(shè)備的主回路電源及控制回路電源。主要目的是確認(rèn)設(shè)備的供電電壓，以選取合適的信號(hào)轉(zhuǎn)換附件；另外，多數(shù)情況下需要通過(guò)設(shè)備的電源給采集模塊供電。一般的工業(yè)設(shè)備以AC380V的交流電源居多，通過(guò)設(shè)備斷路器或空氣開(kāi)關(guān)引入設(shè)備電箱主回路中，如圖3-1-2所示的左圖。若設(shè)備有匹配的開(kāi)關(guān)電源及端口，通?？梢钥紤]直接從設(shè)備的控制開(kāi)關(guān)電源給采集模塊供電，如圖3-1-2所示的右圖。2.確認(rèn)供電電源若設(shè)備電氣控制柜中沒(méi)有匹配的開(kāi)關(guān)電源可以給采集模塊供電使用，則需要加裝開(kāi)關(guān)電源或使用電源適配器給采集模塊供電。開(kāi)關(guān)電源和電源適配器插座通常選用卡軌安裝式，便于安裝實(shí)施。經(jīng)過(guò)調(diào)研，本項(xiàng)目采用從設(shè)備的控制開(kāi)關(guān)電源給采集模塊供電。3.確認(rèn)安裝位置在規(guī)劃采集方案之前，通常去客戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研需要確認(rèn)采集器的安裝位置。一般情況下，IO采集器及轉(zhuǎn)換附件安裝在生產(chǎn)設(shè)備的配電柜內(nèi)部；但一些小型或簡(jiǎn)易的生產(chǎn)設(shè)備無(wú)配電柜或配電柜位置狹小，則需要考慮外加配電柜來(lái)安裝采集終端等硬件。3.確認(rèn)安裝位置在配電柜內(nèi)安裝，需要確認(rèn)一下柜內(nèi)是否有空余的卡軌（標(biāo)準(zhǔn)35mm卡軌）可供使用，卡軌長(zhǎng)度一般需要15CM~18CM。若無(wú)空余卡軌可用則需要另外安裝卡軌來(lái)安裝采集終端。另裝卡軌長(zhǎng)度一般預(yù)留20CM左右，柜內(nèi)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(rèn)IO采集器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置的實(shí)際案例。4.確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)情況本項(xiàng)目的IO采集器是通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊傳輸?shù)?，硬件是支持全網(wǎng)通的。需要在客戶設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，可以用手機(jī)測(cè)試，必要時(shí)可以用一臺(tái)測(cè)試硬件現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。使用的4G天線是外置210mm長(zhǎng)的天線，需要放置在配電柜外部以防信號(hào)屏蔽。要考慮配電柜的天線走線，如果柜體完全封閉的，沒(méi)有對(duì)外走線孔，則還需要考慮打孔走線，如圖3-1-4所示是本項(xiàng)目使用的天線。5.制定采集方案方案一：直接通過(guò)采集模塊供電信號(hào)判斷（1）采集啟停信號(hào)通常情況下，設(shè)備的控制電路中開(kāi)關(guān)電源是受設(shè)備總的啟停開(kāi)關(guān)來(lái)控制的，所以可以通過(guò)設(shè)備控制電路開(kāi)關(guān)電源的電壓信號(hào)來(lái)判斷設(shè)備總的啟停狀態(tài)。為了減少實(shí)施的工作量和復(fù)雜程度，我們將硬件中加入了電源供電狀態(tài)判斷功能，直接通過(guò)電源的供電電壓來(lái)判斷設(shè)備的總啟停狀態(tài)。故只要是從設(shè)備開(kāi)關(guān)電源直接引線給采集模塊供電即可直接判斷設(shè)備的總啟停狀態(tài)了，不需要額外做相關(guān)信號(hào)點(diǎn)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(shè)備的總啟停控制開(kāi)關(guān)下游電路，則也可直接通過(guò)采集模塊的供電信號(hào)來(lái)判斷總啟停狀態(tài)。5.制定采集方案方案二：通過(guò)設(shè)備啟?？刂崎_(kāi)關(guān)或關(guān)聯(lián)電路控制開(kāi)關(guān)信號(hào)判斷（1）采集啟停信號(hào)在采集模塊供電不滿足需求的情況下（比如采集模塊獨(dú)立供電），也可以考慮通過(guò)IO端口對(duì)設(shè)備的總啟停信號(hào)進(jìn)行采集檢測(cè)。通過(guò)設(shè)備總啟?；芈房刂崎_(kāi)關(guān)信號(hào)判斷，如主斷路器、主接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、刀閘開(kāi)關(guān)等，如圖3-1-5所示。或選取與設(shè)備總啟?？刂崎_(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的控制回路開(kāi)關(guān)信號(hào)判斷，如測(cè)量回路、繼電保護(hù)回路或信號(hào)回路的繼電器、指示燈等信號(hào)。本項(xiàng)目采用方案二，獲取信號(hào)為開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合/斷開(kāi)信號(hào)、電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)。信號(hào)為“1”表示該設(shè)備/負(fù)載處于“開(kāi)啟/運(yùn)行”狀態(tài)；信號(hào)為“0”表示該設(shè)備/負(fù)載處于“關(guān)閉/停止”狀態(tài)。5.制定采集方案（2）采集作業(yè)信號(hào)作業(yè)信號(hào)（生產(chǎn)執(zhí)行信號(hào)）即設(shè)備電氣控制系統(tǒng)中能夠代表設(shè)備處于作業(yè)狀態(tài)的相關(guān)信號(hào)。此信號(hào)的變化能夠準(zhǔn)確的反映設(shè)備在執(zhí)行生產(chǎn)動(dòng)作，且信號(hào)變化頻次與生產(chǎn)執(zhí)行頻次為強(qiáng)比例關(guān)系。如注塑機(jī)的射膠信號(hào)，沖壓機(jī)的沖頭滑塊下壓信號(hào)等。方案一：設(shè)備電氣控制回路/輔助回路電氣控制開(kāi)關(guān)信號(hào)判斷。如中間繼電器，時(shí)間繼電器、按鈕開(kāi)關(guān)等。獲取如下信號(hào)：開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合/斷開(kāi)信號(hào)、電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)。信號(hào)為“1”表示其關(guān)聯(lián)控制的設(shè)備/負(fù)載處于“開(kāi)啟/運(yùn)行”狀態(tài)；信號(hào)為“0”表示其關(guān)聯(lián)控制的設(shè)備/負(fù)載處于“關(guān)閉/停止”狀態(tài)。5.制定采集方案（2）采集作業(yè)信號(hào)方案二：加裝接近開(kāi)關(guān)判斷設(shè)備作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)。有些設(shè)備的生產(chǎn)執(zhí)行動(dòng)作是純機(jī)械控制的，如手動(dòng)控制的沖壓機(jī)、裝配線、立式鉆等，這些設(shè)備沒(méi)有相關(guān)的電氣信號(hào)可采集?？煽紤]在設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)合適位置加裝開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作的狀態(tài)。將開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)接到采集器進(jìn)行信號(hào)獲取。設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作信號(hào)檢測(cè)判斷，是通過(guò)判斷設(shè)備執(zhí)行了某一動(dòng)作或觸發(fā)了某一狀態(tài)。通常通過(guò)加裝行程開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，如圖3-1-6所示。5.制定采集方案（2）采集作業(yè)信號(hào)本項(xiàng)目采用方案二，獲取信號(hào)為各開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)或感應(yīng)模塊閉合/斷開(kāi)信號(hào)。信號(hào)為“1”表示其關(guān)聯(lián)的設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)“執(zhí)行了”設(shè)定的生產(chǎn)動(dòng)作；信號(hào)為“0”表示其關(guān)聯(lián)的設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)“未執(zhí)行”設(shè)定的生產(chǎn)動(dòng)作。5.制定采集方案（3）采集人員信息通過(guò)在設(shè)備工位處，加裝RFID讀卡器接入到采集器，讀取負(fù)責(zé)機(jī)臺(tái)操作人員的信息，用以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前設(shè)備操作人員與生產(chǎn)過(guò)程所關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)信息，可計(jì)算員工產(chǎn)量、操作時(shí)長(zhǎng)等。真正做到設(shè)備數(shù)據(jù)與人員業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)結(jié)合，達(dá)到生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理提升的目的。5.制定采集方案（4）采集產(chǎn)品信息通過(guò)在設(shè)備工位處，加裝掃碼槍接入到采集器，讀取機(jī)臺(tái)所加工的產(chǎn)品單號(hào)、任務(wù)單號(hào)等信息，用以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前產(chǎn)品信息/訂單信息與生產(chǎn)過(guò)程所關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)信息。真正做到設(shè)備數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動(dòng)結(jié)合，從而可以根據(jù)獲取到的信息精確計(jì)算分析產(chǎn)品/訂單生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期、產(chǎn)品單耗等，便于后續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃安排。5.制定采集方案（5）采集關(guān)鍵參數(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中，經(jīng)常通過(guò)外加傳感器，采集并監(jiān)測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)。如外加溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的軸承溫度，外加電流互感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行電流，速度傳感器監(jiān)測(cè)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度等。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本項(xiàng)目需要外接溫度傳感器和電流互感器，檢測(cè)生產(chǎn)設(shè)備的電機(jī)工作溫度和運(yùn)行時(shí)的電流。6.確認(rèn)實(shí)施時(shí)間在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，企業(yè)的生產(chǎn)通常都是提前計(jì)劃，不能隨意停機(jī)。因此在安裝之前，需要與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作人員或操作班長(zhǎng)確認(rèn)設(shè)備停機(jī)時(shí)間。通常實(shí)施時(shí)需要先做布線準(zhǔn)備工作；正常情況下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工程師需要設(shè)備停機(jī)以實(shí)施接線的時(shí)間為10分鐘左右，如果僅需要接開(kāi)關(guān)電源信號(hào)則停機(jī)時(shí)間需要更短。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)01020304任務(wù)說(shuō)明知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施課后思考掃碼獲取更多資訊樹(shù)根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用》以技術(shù)積累與行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)賦能人才培養(yǎng)緒論工業(yè)數(shù)據(jù)采集概述賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)現(xiàn)0.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告2018》中，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義為：利用泛在感知技術(shù)對(duì)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)中的邊緣層，如圖0-1所示。通過(guò)各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)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(wù)場(chǎng)景交互，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，類似于給生產(chǎn)制造配上了“大腦”，使之靈活應(yīng)對(duì)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。通過(guò)分析整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造設(shè)備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產(chǎn)控制的準(zhǔn)確性，大幅增強(qiáng)了生產(chǎn)制造的柔性化水平和協(xié)調(diào)度。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義通過(guò)智能數(shù)控設(shè)備、傳感識(shí)別技術(shù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進(jìn)的數(shù)字裝備與管控技術(shù)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)制造過(guò)程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)程的“誘明化”運(yùn)行，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，實(shí)時(shí)采集溫度、電壓、電流等工業(yè)數(shù)據(jù)，可以直觀展示設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全面、實(shí)時(shí)、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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備故障診斷方面，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)設(shè)備工作日志、歷史故障、運(yùn)行軌跡、實(shí)時(shí)位置等海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，基于知識(shí)庫(kù)和自學(xué)習(xí)機(jī)制建立故障智能診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障精準(zhǔn)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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在預(yù)測(cè)性維護(hù)方面，基于設(shè)備全生命周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提前預(yù)判設(shè)備關(guān)鍵部件的變化趨勢(shì)、產(chǎn)品壽命和潛在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)設(shè)備零部件的損壞時(shí)間，主動(dòng)提前進(jìn)行維護(hù)服務(wù)。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義而如何從大量設(shè)備和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的第一個(gè)需要解決的問(wèn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化的價(jià)值。從這個(gè)層面來(lái)講，工業(yè)數(shù)據(jù)采集是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和先決條件，是工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)透明工廠、智能工廠的基礎(chǔ)。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析處理監(jiān)控決策數(shù)字化賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集，也包括對(duì)ERP、MES等應(yīng)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集ERP、MES等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠內(nèi)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)采集，可分為三類：（1）對(duì)PLC、RTU、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；（2）對(duì)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、AGV等專用智能設(shè)備/裝備的數(shù)據(jù)采集；（3）對(duì)傳感器、變送器、采集器等專用采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備（如機(jī)床、機(jī)器人）數(shù)據(jù)、產(chǎn)品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過(guò)程（如工藝、質(zhì)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(chǎng)人員操作數(shù)據(jù)，如單次操作時(shí)間）等數(shù)據(jù)，如圖0-2所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的可視化和持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的決策與控制。0.3.2工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠外智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產(chǎn)品/裝備運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括但不限于如工作電流、電壓、功耗、電池電量、內(nèi)部資源消耗、通信狀態(tài)、通信流量等數(shù)據(jù)。主要用于實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程維護(hù)等應(yīng)用。圖0-3示意了工廠外工程機(jī)械的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。0.3.3對(duì)EPR、MES等應(yīng)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(wǎng)平臺(tái)通過(guò)接口和系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn)對(duì)SCADA、DCS、MES、ERP等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其對(duì)接示意如圖0-4所示，系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)有很多成熟的分析和研究，故不在本書中展開(kāi)。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)現(xiàn)0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)本書的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置主要是生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，包含設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)。對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化程度、工業(yè)通信協(xié)議、設(shè)備接口等不統(tǒng)一，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式也會(huì)采用不同的方式。設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)過(guò)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設(shè)備的數(shù)據(jù)采集之前，先問(wèn)問(wèn)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(lái)什么樣的業(yè)務(wù)價(jià)值。誠(chéng)然，國(guó)內(nèi)大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還處在解決生產(chǎn)過(guò)程可見(jiàn)性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來(lái)是當(dāng)務(wù)之急，至少能夠?qū)崟r(shí)地了解到現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)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(duì)我們的業(yè)務(wù)改進(jìn)幫助最大，這樣也許會(huì)讓我們?cè)跀?shù)據(jù)采集方面的投資回報(bào)率高。這也是本書的一大特點(diǎn)，每個(gè)采集項(xiàng)目，我們都首先從業(yè)務(wù)背景和需求出發(fā)，闡述采集的目的和業(yè)務(wù)作用，然后進(jìn)行任務(wù)實(shí)操。0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：2）經(jīng)濟(jì)性中國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，工業(yè)設(shè)備種類非常多，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，不同場(chǎng)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(bào)率的問(wèn)題，因此，我們做設(shè)備數(shù)據(jù)采集，一定要結(jié)合我們的數(shù)采業(yè)務(wù)目標(biāo)，充分利用設(shè)備的現(xiàn)有條件（比如，設(shè)備已經(jīng)具備的上位機(jī)系統(tǒng)、已經(jīng)具備的通訊協(xié)議等）用最經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)做數(shù)采方案的設(shè)計(jì)?；谝陨显瓌t，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(jiàn)的采集場(chǎng)景和對(duì)應(yīng)的采集方案。0.4.1有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集這里的上位機(jī)系統(tǒng)一般是設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的設(shè)備往往自動(dòng)化程度和信息化程度都比較高。其上位機(jī)系統(tǒng)往往已經(jīng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、存儲(chǔ)，因此，對(duì)于這種有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備，我們首選的數(shù)據(jù)采集方案就是直接從上位機(jī)系統(tǒng)中獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)，而不是去和設(shè)備打交道。這樣就能夠把一個(gè)OT的問(wèn)題（設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集）轉(zhuǎn)化為IT的問(wèn)題（兩個(gè)信息系統(tǒng)的信息集成）。因?yàn)樯衔粰C(jī)系統(tǒng)能將設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到自身所帶有的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后以開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)權(quán)限的方式，或以WebService等方式釋放數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。上位機(jī)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(shè)備數(shù)據(jù)采集對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中沒(méi)有上位機(jī)系統(tǒng)的眾多設(shè)備，我們就需要從設(shè)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(duì)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(shè)備廠商自行定義的私有協(xié)議。這些協(xié)議的特點(diǎn)是都是基于TCP/IP協(xié)議簇，只是應(yīng)用層協(xié)議不同。采用這些協(xié)議的設(shè)備一般都會(huì)有RJ45的接口，也就是以太網(wǎng)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(shè)備數(shù)據(jù)采集在這種場(chǎng)景下，采用的數(shù)據(jù)采集方案是一般是通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)（也稱“物聯(lián)網(wǎng)關(guān)”或簡(jiǎn)稱“網(wǎng)關(guān)”）采集，工業(yè)網(wǎng)關(guān)解析上述工業(yè)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)網(wǎng)關(guān)在本書任務(wù)1.2中會(huì)有詳細(xì)介紹。整個(gè)采集流程從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備端開(kāi)始，通過(guò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口結(jié)合其工業(yè)通信協(xié)議，把數(shù)據(jù)采集到邊緣采集設(shè)備如工業(yè)網(wǎng)關(guān)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行解析，把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)聯(lián)網(wǎng)方式結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器，如圖0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集目前通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議采集，是比較主流的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的方式。當(dāng)然這種設(shè)備場(chǎng)景下，也可以使用軟網(wǎng)關(guān)采集，軟網(wǎng)關(guān)采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網(wǎng)關(guān)里面的嵌入式軟件作為一個(gè)邊緣采集軟件安裝在上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，也是通過(guò)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議解析把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件上位機(jī)系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口是指硬件構(gòu)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(dòng)的元件系統(tǒng)。本書只介紹工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的串行接口、以太網(wǎng)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來(lái)分包括RS232、RS485、RS422。以太網(wǎng)口可分為電口和光口，電口就是常用的RJ45水晶頭（一般的網(wǎng)線），光口就是光纖接口。工業(yè)設(shè)備之間通信的一般使用的是RJ45以太網(wǎng)口。（1）設(shè)備接口設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集（1）設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集工業(yè)通信協(xié)議主要是負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的通信，從開(kāi)放性來(lái)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(nèi)部自定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只適用于本企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備產(chǎn)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(duì)應(yīng)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(shè)備數(shù)據(jù)采集當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)關(guān)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的聯(lián)網(wǎng)方式常見(jiàn)的有：以太網(wǎng)、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(chǎng)環(huán)境綜合考慮選擇。對(duì)于速度要求高，傳輸數(shù)據(jù)大的需求并在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)的情況下可選擇以太網(wǎng)方式；不方便布線且傳輸數(shù)據(jù)小的場(chǎng)景則可選用無(wú)線（如4G/Wi-Fi等）的方式。（3）聯(lián)網(wǎng)方式聯(lián)網(wǎng)方式以太網(wǎng)4GWi-Fi0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集此處的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要是運(yùn)行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP等協(xié)議之上的通信協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信，常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有MQTT、HTTP、COAP等。目前，大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用的是MQTT協(xié)議作為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信的“第一語(yǔ)言”，如樹(shù)根互聯(lián)的根云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、華為云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、騰訊云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以及國(guó)外微軟Azure的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。（4）物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTTHTTPCOAP0.4.3基于非TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)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(wǎng)不兼容，比如RS485等。對(duì)于這類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，一般采用兼容該設(shè)備的接口和工業(yè)協(xié)議的專用網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將其協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議，再接入到車間的網(wǎng)絡(luò)中并進(jìn)行協(xié)議解析，否則，在物理層面就無(wú)法實(shí)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(shè)備數(shù)據(jù)采集對(duì)于建立較早的工業(yè)企業(yè)，會(huì)存在大量的沒(méi)有控制單元或沒(méi)有拓展功能的老舊設(shè)備，比如不帶數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，這些設(shè)備沒(méi)有通信接口，無(wú)法直接通信采集數(shù)據(jù)（行業(yè)中也有“啞設(shè)備”的說(shuō)法）。這種場(chǎng)景下，可以通過(guò)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(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)、作業(yè)信號(hào)、電流溫度參數(shù)等，這就涉及到對(duì)設(shè)備的一些改造，操作難度是比較大的。比較常見(jiàn)的，是采集IO信號(hào)，通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析，確定需要的采集信號(hào)，連接入采集設(shè)備，由采集設(shè)備將設(shè)備的開(kāi)關(guān)量（數(shù)字信號(hào)）、模擬量（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器。啞設(shè)備改造采集硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)0.4.4不具備通信接口的設(shè)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(zhì)量不高，主要針對(duì)的是沒(méi)有控制單元的設(shè)備、控制器協(xié)議不開(kāi)放的設(shè)備、不具備拓展功能的老舊設(shè)備、無(wú)法評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵工藝設(shè)備或產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行使用。0.4.4不具備通信接口的設(shè)備數(shù)據(jù)采集某些情況下，在直接采集某目標(biāo)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(biāo)量Y2，用Y2來(lái)近似計(jì)算Y1的值。舉個(gè)例子，比如采集某些老舊設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)，這些設(shè)備往往沒(méi)有對(duì)外通訊的接口，我們沒(méi)有辦法直接獲得其運(yùn)行和停止的開(kāi)關(guān)量信號(hào)?？梢匝b個(gè)互感器監(jiān)測(cè)設(shè)備電機(jī)的電流，以電流的大小來(lái)判斷設(shè)備的啟停，從而來(lái)獲得設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，再加以計(jì)算以此獲得設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。（1）數(shù)據(jù)采集的曲線救國(guó)方式說(shuō)明：本書的IO（Input/Output）指輸入/輸出信號(hào)，這里的輸入輸出是針對(duì)控制系統(tǒng)而言，輸入指從儀表/傳感器進(jìn)入控制系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)，輸出指從控制系統(tǒng)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參量，一個(gè)參量叫做一個(gè)點(diǎn)。比較困難數(shù)據(jù)采集平臺(tái)Y1Y2比較容易近似計(jì)算0.4.5基于人工采集終端場(chǎng)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(chǎn)環(huán)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工位機(jī)、移動(dòng)終端、條碼掃描槍等人工采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括生產(chǎn)開(kāi)工與完工時(shí)間、生產(chǎn)數(shù)量、檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)結(jié)果、產(chǎn)品缺陷、設(shè)備故障等?；谌斯げ杉K端的數(shù)據(jù)采集受制于人的主動(dòng)性，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、客觀性等方面有所欠缺?，F(xiàn)場(chǎng)工位機(jī)移動(dòng)終端條碼掃描槍人工采集終端掃碼獲取更多資訊樹(shù)根互聯(lián)教育《工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用》以技術(shù)積累與行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)賦能人才培養(yǎng)緒論工業(yè)數(shù)據(jù)采集概述賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)現(xiàn)0.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告2018》中，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集的定義為：利用泛在感知技術(shù)對(duì)多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)中的邊緣層，如圖0-1所示。通過(guò)各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)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(wù)場(chǎng)景交互，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造升級(jí)。工業(yè)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，類似于給生產(chǎn)制造配上了“大腦”，使之靈活應(yīng)對(duì)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。通過(guò)分析整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造設(shè)備數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)，顯著提升了生產(chǎn)控制的準(zhǔn)確性，大幅增強(qiáng)了生產(chǎn)制造的柔性化水平和協(xié)調(diào)度。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義通過(guò)智能數(shù)控設(shè)備、傳感識(shí)別技術(shù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進(jìn)的數(shù)字裝備與管控技術(shù)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)制造過(guò)程中的工業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)程的“誘明化”運(yùn)行，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過(guò)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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，實(shí)時(shí)采集溫度、電壓、電流等工業(yè)數(shù)據(jù)，可以直觀展示設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全面、實(shí)時(shí)、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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在設(shè)備故障診斷方面，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)設(shè)備工作日志、歷史故障、運(yùn)行軌跡、實(shí)時(shí)位置等海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，基于知識(shí)庫(kù)和自學(xué)習(xí)機(jī)制建立故障智能診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障精準(zhǔn)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(shè)備，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)透明化，有助于設(shè)備故障診斷和運(yùn)行優(yōu)化。在預(yù)測(cè)性維護(hù)方面，基于設(shè)備全生命周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提前預(yù)判設(shè)備關(guān)鍵部件的變化趨勢(shì)、產(chǎn)品壽命和潛在風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)設(shè)備零部件的損壞時(shí)間，主動(dòng)提前進(jìn)行維護(hù)服務(wù)。0.2工業(yè)數(shù)據(jù)采集的意義而如何從大量設(shè)備和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的第一個(gè)需要解決的問(wèn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化的價(jià)值。從這個(gè)層面來(lái)講，工業(yè)數(shù)據(jù)采集是智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和先決條件，是工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)透明工廠、智能工廠的基礎(chǔ)。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析處理監(jiān)控決策數(shù)字化賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集，也包括對(duì)ERP、MES等應(yīng)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集ERP、MES等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠內(nèi)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)采集，可分為三類：（1）對(duì)PLC、RTU、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；（2）對(duì)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、AGV等專用智能設(shè)備/裝備的數(shù)據(jù)采集；（3）對(duì)傳感器、變送器、采集器等專用采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。0.3.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備（如機(jī)床、機(jī)器人）數(shù)據(jù)、產(chǎn)品（如原材料、在制品、成品）數(shù)據(jù)、過(guò)程（如工藝、質(zhì)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(chǎng)人員操作數(shù)據(jù)，如單次操作時(shí)間）等數(shù)據(jù)，如圖0-2所示。主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的可視化和持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的決策與控制。0.3.2工廠外智能產(chǎn)品/裝備的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠外智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程接入和數(shù)據(jù)采集。主要采集智能產(chǎn)品/裝備運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括但不限于如工作電流、電壓、功耗、電池電量、內(nèi)部資源消耗、通信狀態(tài)、通信流量等數(shù)據(jù)。主要用于實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品/裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程維護(hù)等應(yīng)用。圖0-3示意了工廠外工程機(jī)械的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。0.3.3對(duì)EPR、MES等應(yīng)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(wǎng)平臺(tái)通過(guò)接口和系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn)對(duì)SCADA、DCS、MES、ERP等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其對(duì)接示意如圖0-4所示，系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)有很多成熟的分析和研究，故不在本書中展開(kāi)。賽項(xiàng)組成賦能萬(wàn)物，連接未來(lái)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(shí)現(xiàn)0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)本書的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置主要是生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，包含設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)。對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化程度、工業(yè)通信協(xié)議、設(shè)備接口等不統(tǒng)一，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式也會(huì)采用不同的方式。設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)過(guò)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：1）目的性在做設(shè)備的數(shù)據(jù)采集之前，先問(wèn)問(wèn)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(lái)什么樣的業(yè)務(wù)價(jià)值。誠(chéng)然，國(guó)內(nèi)大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還處在解決生產(chǎn)過(guò)程可見(jiàn)性的階段，因此，能夠先把數(shù)據(jù)采集上來(lái)是當(dāng)務(wù)之急，至少能夠?qū)崟r(shí)地了解到現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)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(duì)我們的業(yè)務(wù)改進(jìn)幫助最大，這樣也許會(huì)讓我們?cè)跀?shù)據(jù)采集方面的投資回報(bào)率高。這也是本書的一大特點(diǎn)，每個(gè)采集項(xiàng)目，我們都首先從業(yè)務(wù)背景和需求出發(fā)，闡述采集的目的和業(yè)務(wù)作用，然后進(jìn)行任務(wù)實(shí)操。0.4工業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)在制定數(shù)據(jù)采集方案的時(shí)候，需要遵循兩大原則：2）經(jīng)濟(jì)性中國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，工業(yè)設(shè)備種類非常多，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，不同場(chǎng)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(bào)率的問(wèn)題，因此，我們做設(shè)備數(shù)據(jù)采集，一定要結(jié)合我們的數(shù)采業(yè)務(wù)目標(biāo)，充分利用設(shè)備的現(xiàn)有條件（比如，設(shè)備已經(jīng)具備的上位機(jī)系統(tǒng)、已經(jīng)具備的通訊協(xié)議等）用最經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)做數(shù)采方案的設(shè)計(jì)?；谝陨显瓌t，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(jiàn)的采集場(chǎng)景和對(duì)應(yīng)的采集方案。0.4.1有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集這里的上位機(jī)系統(tǒng)一般是設(shè)備自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣的設(shè)備往往自動(dòng)化程度和信息化程度都比較高。其上位機(jī)系統(tǒng)往往已經(jīng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、存儲(chǔ)，因此，對(duì)于這種有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備，我們首選的數(shù)據(jù)采集方案就是直接從上位機(jī)系統(tǒng)中獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)，而不是去和設(shè)備打交道。這樣就能夠把一個(gè)OT的問(wèn)題（設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集）轉(zhuǎn)化為IT的問(wèn)題（兩個(gè)信息系統(tǒng)的信息集成）。因?yàn)樯衔粰C(jī)系統(tǒng)能將設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到自身所帶有的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后以開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)權(quán)限的方式，或以WebService等方式釋放數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。上位機(jī)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(shè)備數(shù)據(jù)采集對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中沒(méi)有上位機(jī)系統(tǒng)的眾多設(shè)備，我們就需要從設(shè)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(duì)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(shè)備廠商自行定義的私有協(xié)議。這些協(xié)議的特點(diǎn)是都是基于TCP/IP協(xié)議簇，只是應(yīng)用層協(xié)議不同。采用這些協(xié)議的設(shè)備一般都會(huì)有RJ45的接口，也就是以太網(wǎng)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(shè)備數(shù)據(jù)采集在這種場(chǎng)景下，采用的數(shù)據(jù)采集方案是一般是通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)（也稱“物聯(lián)網(wǎng)關(guān)”或簡(jiǎn)稱“網(wǎng)關(guān)”）采集，工業(yè)網(wǎng)關(guān)解析上述工業(yè)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)網(wǎng)關(guān)在本書任務(wù)1.2中會(huì)有詳細(xì)介紹。整個(gè)采集流程從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備端開(kāi)始，通過(guò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口結(jié)合其工業(yè)通信協(xié)議，把數(shù)據(jù)采集到邊緣采集設(shè)備如工業(yè)網(wǎng)關(guān)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行解析，把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)聯(lián)網(wǎng)方式結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器，如圖0-5所示。0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集目前通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議采集，是比較主流的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的方式。當(dāng)然這種設(shè)備場(chǎng)景下，也可以使用軟網(wǎng)關(guān)采集，軟網(wǎng)關(guān)采集是指脫離了硬件，直接把工業(yè)網(wǎng)關(guān)里面的嵌入式軟件作為一個(gè)邊緣采集軟件安裝在上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，也是通過(guò)對(duì)工業(yè)通信協(xié)議解析把設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器或采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件上位機(jī)系統(tǒng)0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口是指硬件構(gòu)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(dòng)的元件系統(tǒng)。本書只介紹工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的串行接口、以太網(wǎng)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來(lái)分包括RS232、RS485、RS422。以太網(wǎng)口可分為電口和光口，電口就是常用的RJ45水晶頭（一般的網(wǎng)線），光口就是光纖接口。工業(yè)設(shè)備之間通信的一般使用的是RJ45以太網(wǎng)口。（1）設(shè)備接口設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集（1）設(shè)備接口串行接口以太網(wǎng)口RS422RS485RS232電口光口0.4.2基于TCP/IP通訊協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集工業(yè)通信協(xié)議主要是負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的通信，從開(kāi)放性來(lái)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(nèi)部自定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只適用于本企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備產(chǎn)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(duì)應(yīng)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