工業數據采集的(de)範圍
工業數據采集利用(yòng)泛在感知技術對(duì)多(duō)源異構設備和(hé)系統、環境、人(rén)員(yuán)等一切要素信息進行采集，并通(tōng)過一定的(de)接口與協議(yì)對(duì)采集的(de)數據進行解析。信息可(kě)能來(lái)自加裝的(de)物(wù)理(lǐ)傳感器，也(yě)可(kě)能來(lái)自裝備與系統本身。
《智能制造工程實施指南(nán)（2016—2020）》将智能傳感與控制裝備作爲關鍵技術裝備研制重點；針對(duì)智能制造提出了(le)“體系架構、互聯互通(tōng)和(hé)互操作、現場(chǎng)總線和(hé)工業以太網融合、工業傳感器網絡、工業無線、工業網關通(tōng)信協議(yì)和(hé)接口等網絡标準”，并指出：“針對(duì)智能制造感知、控制、決策和(hé)執行過程中面臨的(de)數據采集、數據集成、數據計算(suàn)分(fēn)析等方面存在的(de)問題，開展信息物(wù)理(lǐ)系統的(de)頂層設計。”
這(zhè)裏面蘊含兩方面信息：一是工業數據采集是智能制造和(hé)工業物(wù)聯網的(de)基礎和(hé)先決條件，後續的(de)數據分(fēn)析處理(lǐ)依賴于前端的(de)感知；二是各種網絡标準統一後才能實現設備系統間的(de)互聯互通(tōng)，而多(duō)種工業協議(yì)并存是目前工業數據采集的(de)現狀。
廣義上，工業數據采集分(fēn)爲工業現場(chǎng)數據采集和(hé)工廠外智能産品/移動裝備的(de)數據采集（工業數據采集并不局限于工廠，工廠之外的(de)智慧樓宇、城(chéng)市管理(lǐ)、物(wù)流運輸、智能倉儲、橋梁隧道和(hé)公共交通(tōng)等都是工業數據采集的(de)應用(yòng)場(chǎng)景），以及對(duì)ERP、MES、APS等傳統信息系統的(de)數據采集。
如果按傳輸介質劃分(fēn)，工業數據采集可(kě)分(fēn)爲有線網絡數據采集和(hé)無線網絡數據采集。
02 工業數據采集的(de)特點
工業數據采集具有一些鮮明(míng)的(de)特征，在面對(duì)具體需求時(shí)，不同場(chǎng)景會對(duì)技術選型産生影(yǐng)響，例如設備的(de)組網方式、數據傳輸方式、數據本地化(huà)處理(lǐ)、數據彙聚和(hé)管理(lǐ)等。
1. 多(duō)種工業協議(yì)并存
工業領域使用(yòng)的(de)通(tōng)信協議(yì)有很多(duō)，如PROFIBUS、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大(dà)量的(de)廠商私有協議(yì)。這(zhè)種狀況出現，很大(dà)程度上是因爲工業軟硬件系統存在較強的(de)封閉性和(hé)複雜(zá)性。
設想在工業現場(chǎng)，不同廠商生産的(de)設備，采用(yòng)不同的(de)工業協議(yì)，要實現所有設備的(de)互聯，需要對(duì)各種協議(yì)做(zuò)解析并進行數據轉換，這(zhè)是工業物(wù)聯網存量改造項目開展時(shí)最先遇到的(de)問題——想要解決“萬國牌”設備的(de)數據采集，耗時(shí)又費力。
如果是新建設的(de)工廠，應從最開始的(de)規劃階段考慮車間、廠級和(hé)跨地域的(de)企業級工業物(wù)聯網應用(yòng)要求，在沒有曆史包袱的(de)情況下(xià)，通(tōng)過制定标準，綜合評估現場(chǎng)的(de)電磁環境抗幹擾要求、數據帶寬要求、傳輸距離、實時(shí)性、組網時(shí)支持的(de)設備節點數量限制、星形或Daisy-Chain網絡拓撲、後期擴展性等因素，選擇合适的(de)技術路線，并設計好OT與IT互通(tōng)的(de)接口，這(zhè)将大(dà)大(dà)降低數據采集的(de)難度和(hé)工作量。
2. 時(shí)間序列數據
工業數據采集大(dà)多(duō)數時(shí)候帶有時(shí)間戳，即數據在什(shén)麽時(shí)刻采集。大(dà)量工業數據建模、工業知識組件和(hé)算(suàn)法組件，均以時(shí)間序列數據作爲輸入數據，例如時(shí)域分(fēn)析或頻(pín)域分(fēn)析方法，都要求原始數據包含時(shí)間維度信息。
工業物(wù)聯網應用(yòng)越來(lái)越豐富，延伸到了(le)更多(duō)的(de)場(chǎng)景下(xià)，例如室内定位開始在智慧倉儲、無人(rén)化(huà)工廠中探索應用(yòng)，無論是基于時(shí)間還(hái)是基于接收功率強度的(de)定位方式，其定位引擎都要求信号帶有時(shí)間标簽，才能完成定位計算(suàn)，保證時(shí)空信息的(de)準确性和(hé)可(kě)追溯性。
在搭建工業物(wù)聯網平台時(shí)，應結合時(shí)間序列數據的(de)特點，在數據傳輸、存儲、分(fēn)析方面做(zuò)針對(duì)性的(de)考慮。例如時(shí)序數據庫（Time Series DataBase，TSDB）專門從時(shí)間維度進行設計和(hé)優化(huà)，數據按時(shí)間順序組織管理(lǐ)。
圖3-1所示爲典型的(de)時(shí)間序列數據，存儲于關系型數據庫中，當數據規模急劇增大(dà)時(shí)，關系型數據庫的(de)處理(lǐ)能力變得(de)吃(chī)緊，需要性能更優的(de)數據庫。工業數據和(hé)互聯網數據存在很大(dà)差别，前者通(tōng)常是結構化(huà)的(de)，而後者以非結構化(huà)數據爲主。
▲圖3-1 時(shí)間序列數據示例
3. 實時(shí)性
工業數據采集的(de)一個(gè)很大(dà)特點是實時(shí)性，包括數據采集的(de)實時(shí)性以及數據處理(lǐ)的(de)實時(shí)性。例如基于傳感器的(de)數據采集，其中一個(gè)重要指标爲采樣率，即每秒采集多(duō)少個(gè)點。采樣率低的(de)如溫濕度采集，采樣間隔在分(fēn)鐘(zhōng)級；采樣率高(gāo)一些的(de)如振動信号，每秒鐘(zhōng)采集幾萬個(gè)點甚至更多(duō)，方便後續信号分(fēn)析處理(lǐ)以獲得(de)高(gāo)階諧波分(fēn)量。
有些大(dà)的(de)科學裝置，例如粒子加速器的(de)束流監測系統，采樣率達數兆每秒。采樣率越高(gāo)意味著(zhe)單位時(shí)間數據量越大(dà)，如此大(dà)的(de)數據量，如果不加處理(lǐ)直接通(tōng)過網絡傳輸到數據中心或雲端，對(duì)于網絡的(de)帶寬要求非常之高(gāo)，而且如此大(dà)的(de)帶寬下(xià)，很難保證網絡傳輸的(de)可(kě)靠性，可(kě)能會産生非常大(dà)的(de)傳輸時(shí)延。
而部分(fēn)工業物(wù)聯網應用(yòng)，如設備故障診斷、多(duō)機器人(rén)協作、狀态監測等，由于要求在數據采集（感知）、分(fēn)析、決策執行之間，完成快(kuài)速閉環，因此對(duì)數據的(de)實時(shí)處理(lǐ)有著(zhe)較高(gāo)的(de)要求。如果将數據上傳到雲端，雲端分(fēn)析後再繞一圈回來(lái)，指導下(xià)一步動作，一來(lái)一回産生的(de)時(shí)延，很多(duō)時(shí)候将變得(de)不可(kě)接受。
上述業務場(chǎng)景将在靠近數據源頭的(de)現場(chǎng)對(duì)數據進行即時(shí)處理(lǐ)，實時(shí)分(fēn)析，提取特征量，然後基于分(fēn)析的(de)結果進行本地決策，指導下(xià)一步動作，同時(shí)将分(fēn)析結果上傳到雲端，數據量經過本地處理(lǐ)後大(dà)大(dà)減小了(le)。圖3-2所示是實時(shí)振動信号狀态監測和(hé)數據分(fēn)析。
▲圖3-2 實時(shí)振動信号狀态監測和(hé)數據分(fēn)析
03 工業數據采集的(de)體系結構
工業數據采集體系包括設備接入、協議(yì)轉換、邊緣計算(suàn)。設備接入是工業數據采集建立物(wù)理(lǐ)世界和(hé)數字世界連接的(de)起點。設備接入利用(yòng)有線或無線通(tōng)信方式，實現工業現場(chǎng)和(hé)工廠外智能産品/移動裝備的(de)泛在連接，将數據上報到雲端。工業數據采集發展了(le)這(zhè)麽多(duō)年，存在設備接入的(de)複雜(zá)性和(hé)多(duō)樣性。
數據接入後，将對(duì)數據進行解析、轉換，并通(tōng)過标準應用(yòng)層協議(yì)如MQTT、HTTP上傳到物(wù)聯網平台。部分(fēn)工業物(wù)聯網應用(yòng)場(chǎng)景，在協議(yì)轉換後，可(kě)能在本地做(zuò)即時(shí)數據分(fēn)析和(hé)預處理(lǐ)，再上傳到雲端，提升即時(shí)性并降低網絡帶寬壓力。
邊緣計算(suàn)近幾年發展迅速，大(dà)家越來(lái)越意識到數據就近處理(lǐ)的(de)優勢，無論是實效性還(hái)是出于數據安全性考慮，或是網絡的(de)可(kě)靠性，邊緣計算(suàn)在工業物(wù)聯網體系中扮演著(zhe)重要角色，邊雲協同也(yě)逐漸成了(le)共識。
根據硬件載體不同，将設備接入産品分(fēn)爲以下(xià)3類，分(fēn)類并非絕對(duì)，不同類别之間的(de)差異，在于其側重點不同。
1. 通(tōng)用(yòng)控制器
第一類是通(tōng)用(yòng)控制器，來(lái)自工業裝備大(dà)腦(nǎo)主控，例如可(kě)編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、微控制單位（MicroController Unit，MCU）等，工業自動化(huà)領域存在很多(duō)控制和(hé)數據采集系統，如分(fēn)布式控制系統（Distributed Control System，DCS）和(hé)數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA），它們在承擔本職功能的(de)同時(shí)，可(kě)以作爲接入設備使用(yòng)。
通(tōng)用(yòng)控制器通(tōng)常集成了(le)數字輸入輸出I/O單元、網絡通(tōng)信單元，以及針對(duì)特定應用(yòng)的(de)選配功能，如模拟量輸入單元、模拟量輸出單元、計數器單元、運動控制單元等，通(tōng)過串口或以太網物(wù)理(lǐ)接口連接，然後基于現場(chǎng)總線、工業以太網或标準以太網完成數據采集協議(yì)的(de)解析，如圖3-3所示。
▲圖3-3 通(tōng)用(yòng)控制器
通(tōng)用(yòng)控制器應用(yòng)于數控機床、激光(guāng)切割機等各種自動化(huà)裝備、機器人(rén)（如機械臂和(hé)移動機器人(rén)）、SCADA系統的(de)通(tōng)信管理(lǐ)機，有些自動化(huà)裝備擁有專用(yòng)控制器，采用(yòng)不同的(de)硬件架構如PowerPC、ARM Cortex等。基于通(tōng)用(yòng)控制器的(de)設備接入，完成自動化(huà)裝備自身數據、工藝過程數據采集。
2. 專用(yòng)數據采集模塊
第二類是專用(yòng)數據采集模塊，采集現場(chǎng)對(duì)象的(de)物(wù)理(lǐ)信号，傳感器将物(wù)理(lǐ)信号變換爲電信号後，專用(yòng)數據采集模塊通(tōng)過模拟電路的(de)A/D模數轉換器或數字電路将電信号轉換爲可(kě)讀的(de)數字量。
例如風力發電機利用(yòng)力傳感器實現風機混凝土應力狀态的(de)實時(shí)在線監測，爲風機混凝土基礎承載力的(de)評估提供依據，同時(shí)利用(yòng)加速度傳感器采集振動信号，在風力發電系統的(de)運行過程中，實時(shí)在線監測振動狀況并發送檢測信息，根據檢測信息有效控制風機運轉狀态，避免由于共振而造成的(de)結構失效，并對(duì)超出幅度阈值的(de)振動進行安全預警。
将力傳感器和(hé)加速度傳感器安裝固定于風機上，傳感器輸出端連接到專用(yòng)數據采集模塊的(de)輸入端，專用(yòng)數據采集模塊通(tōng)過網絡将數據上傳到本地或遠(yuǎn)端服務器，進行下(xià)一步數據分(fēn)析和(hé)可(kě)視化(huà)。
專用(yòng)數據采集模塊的(de)形式可(kě)能是數據采集闆卡、嵌入式數據采集系統等。對(duì)于自動化(huà)裝備或機器人(rén)，如果某些關注的(de)數據缺失，無法從其通(tōng)用(yòng)控制器直接獲取，此時(shí)可(kě)通(tōng)過加裝傳感器，配合專用(yòng)數據采集模塊的(de)方式，完成更多(duō)維度的(de)數據采集，這(zhè)種做(zuò)法很常見。
3. 智能産品和(hé)終端
第三類是智能産品和(hé)終端，強調遠(yuǎn)程無線接入和(hé)移動屬性。例如通(tōng)過運營商4G/5G蜂窩網絡、Wi-Fi等室内短距離通(tōng)信，或者低功耗廣域網無線連接上報數據。通(tōng)過無線方式可(kě)以采集智能産品和(hé)終端的(de)各種指标數據，例如電量、信号強度、功耗、定位、嵌入式傳感器數據等。
大(dà)部分(fēn)智能産品和(hé)終端在産品定義時(shí)直接集成了(le)無線通(tōng)信能力，手機和(hé)可(kě)穿戴設備屬于典型的(de)例子。當前智能産品越來(lái)越豐富，萬物(wù)互聯時(shí)代，默認具備遠(yuǎn)程接入能力，對(duì)智能産品使用(yòng)過程中的(de)各種運行指标進行監測，分(fēn)析采集的(de)數據，可(kě)以指導研發團隊更好地改進産品。
例如具有移動屬性的(de)自動化(huà)裝備，如AGV機器人(rén)在室内基于Wi-Fi自組網集群，實現AGV之間的(de)通(tōng)信，草(cǎo)皮收割機在戶外作業時(shí)的(de)遠(yuǎn)程監測和(hé)控制。有些産品終端本身不具備遠(yuǎn)程接入能力，可(kě)間接通(tōng)過數傳模塊（Data Transfer Unit，DTU）或工業網關，實現同樣的(de)效果。
工業數據采集關于數據的(de)界定是非常廣義的(de)，它可(kě)能來(lái)自通(tōng)用(yòng)控制器運行時(shí)的(de)關鍵指标，或者傳感器采集的(de)某個(gè)物(wù)理(lǐ)量，或者單純一個(gè)身份标識信息，比如RFID标簽EPC數據區(qū)定義的(de)标簽ID、廣播報文中攜帶的(de)唯一MAC地址等，通(tōng)信雙方彼此交換的(de)可(kě)能僅僅是簡單的(de)身份信息，完成一次确認，無須多(duō)餘信息，雖然通(tōng)信雙方有能力攜帶額外信息。
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