工业数据采集-入门
一、认识工业数采
- 工业互联网设备数据采集方式
工业互联网设备数据采集层，一般会遇到以下 4 种采集情况：
（1）设备具有通信接口，直接与系统对接
这里其实也可以再细分成有上位机系统的设备和没有上位机系统的设备。
a. 有上位机系统的设备：
一般指设备自带的监控系统，这样的设备往往自动化程度和信息化程度都比较高，其上位系统已经对设备数据进行了采集、存储。因此，首选的采集方案就是直接从上位机系统中获取设备的数据。
b. 没有上位机系统的设备：
对于这类设备，就需要从设备所支持的通信协议和支持接口角度入手，制定数据采集方案。设备自有的通信接口协议（如串口、以太网等），可实现上位机通信并实时采集数据，在没有中间设备参与的情况下，可直接与局域网及系统平台打通，实现实时通信。 常用的基于 TCP/IP 通信协议有 OPC、Profinet、Modbus-TCP 等通信协议，也有设备厂商自行定义的通信协议。这些协议的特点是基于 TCP/IP 协议簇，只是应用层协议不同。采用这些协议的设备一般都会有 RJ45 接口，也就是以太网口。
（2）工业网关直接采集设备数据
这类一般是非 TCP/IP 通信协议的设备或不具备以太网通信模块，往往硬件接口方面就与以太网不兼容，如 RS485。对于这类设备的数据采集，一般采用兼容该设备的接口和工业协议的专用网关，网关将其转换为 TCP/IP，再接入到工业现场的网络中并进行协议解析，否则，在物理层面就无法实现互通。这类协议比较常用的有 Modbus-RTU、Device Net 等。 目前大多数 PLC 和 CNC 设备（数控设备 computer numerical control）的数据以工业网关采集为主，因为这类设备不具备以太网通信接口模块，也不支持二次增加以太网通信接口，因此通过工业网关与设备的 RS485/RS232 接口连接，可以实现设备数据的采集及上报。
（3）通过 I/O 模块进行数据采集
对于传统的物理设备，I/O 模块与设备联网可以采集设备的相关参数数据，再将参数数据转换为网络数据，通过网络数据实时上传至系统平台。
（4）安装传感器实现数据采集
一些特别陈旧的物理设备既没有接口也没有自动化数据采集条件，可以通过外装传感器的方式实现数据采集，再通过网关设备进行统一汇总，上报至系统平台。
- 工业现场设备的主要类型
根据工业互联网设备接入和数据采集的特点，工业现场设备可分为 3 类，即专用采集设备、通用控制设备和专用智能设备 / 装备：
（1）专业采集设备
a. 传感器
b. 变送器：把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或者将传感器输入的非电量信号转换成电信号同时放大以便提远方测量和控制）的转换器。
c. 手持数据采集器：又称为盘点机，它是将条码扫描装置、射频识别（RFID）技术与数据终端一体化，带有电池可离线操作的终端计算机设备，具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能。
（2）通用控制设备
a. PLC
b. 远程终端单元（RTU）：是一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。
c. 嵌入式系统
d. 工控机（IPC）：主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。
（3）专业智能设备 / 装备
专用智能设备 / 装备包含机器人、数据机床、自动引导小车等。
- 工业数据信号的输出形式
工业数据信号的输出形式大致分为 4 类：开关量、模拟量、数字量、脉冲量。
（1）开关量
可以是通断信号、无源信号
（2）模拟量
指一些连续变化的物理量，如电压、电流、压力、速度、流量等信号量；
（3）数字量
在时间和数值上都是断续变化的离散信号，通常所说的数字量是由 0 和 1 组成的信号类型，是经过编码后的有规律的信号；
（4）脉冲量
脉冲量是在瞬间电压或电流由某一值跃变到另一值的信号量。
二、 认识工业智能网关
网关（Gateway）又称网关连接器、协议转换器，它是在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提供协议转换、路由选择、数据交换等网络兼容功能的设施。
- 边缘计算
（1）概念
边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就进提供最近端服务。
（2）引申
边缘计算在终端设备和云之间引入边缘设备，包括路由器、网关、交换机、特定边缘服务器等，并将云服务扩展到网络边缘。
（3）优点
延迟低、网络带宽和数据中心功耗压力低、网络数据泄露风险低。
- 网关的概念
网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备，与网桥只是单纯地传达信息不同，网关要对收到的信息重新打包。 网关在遵循将不同技术、不同协议的设备桥接在一起的原则的同时，还具备以下能力：
（1）对下解析能力
需要具备对下（工业设备和自动化系统等）的协议解析能力，包括 Modbus、PPI、MPI、CNC、现场总线协议，以及 CAN、PROFIBUS 等通信协议；
（2）对上协议对接、通信能力
工业智能网关需要具备对上（IT 系统）的协议对接能力和通信能力，包括工业以太网、Wi-Fi、4G、5G、NB-IoT 等；
（3）数据缓存、本地计算、数据上传。
- 网关的优势
（1）共享数据
（2）改善安全性
（3）提升处理网络性能
工业智能网关会降低网络拥堵、网络中断带给工业数据采集的负面影响，还可以将数据转换为轻量级消息传递协议，如 MQTT，从而减少带宽、提高效率。
- 网关的类型和结构
（1）类型
按照功能分类，可以分为透明传输型工业智能网关、数据采集型工业智能网关和边缘计算型工业智能网关。 按是否模块化分类，模块化工业智能网关和非模块化工业智能网关。
（2）结构
结构组成可以分为 8 个部分，分别是无线输出接口、指示灯、设备接口、重启按钮、设备型号、调试口、输出接口、电源接口。
1）网关的设备接口和上传接口
a. 串行接口：简称串口（COM）, 是采用串行通信方式的扩展接口（串行通信是指将数据按位依次传输，通信双方按位进行、遵守时序的一种通信方式）。其特点是通信线路简单，只需要一对传输线就可以实现双向通信，从而降低成本，特别适用于远距离通信，但传输速度较慢。串口按电气标准及协议划分包括 RS232C、RS422、RS485 等；
b. 凤凰接线端子：由菲尼克斯（Phoenix）发明，端子接线不用线鼻子，不用插针，不用接线叉，用直接导线连接。一般有挡板，不存在短路风险。
2）网关的网络通信
a. 网口：即网线接口，是指网卡与网络之间的接口。常见的网线插口有 RJ45 连接头、BNC 连接头和 AUI 连接头。其中最常用的就是 RJ45 连接头，俗称水晶头；
b. Wi-Fi: 行动热点，虽然通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差，传输质量也有待改进，但传输速度快；
c. 4G/5G。
3）电源接口
4）网关的登陆配置界面
首先将网关通电，用网线连接工业智能网关的上传接口网口与计算机网口，设置计算机 IP 地址与工业智能网关在同一网段下。
5）网关上传协议
大部分网关都支持 Modbus TCP 及 MQTT 上传协议，部分工业智能网关还支持 OPC UA 上传协议。
（1) Modbus TCP
Modbus 是由 MODICON 公司开发的一种工业现场总线协议标准。施耐德公司推出了基于以太网 TCP/IP 的 Modbus 通信协议，及 Modbus TCP。 Modbus 协议是一项应用层报文传输协议，包括 ASCII、RTU、TCP3 种报文类型。 标准的 Modbus 协议物理层接口有 RS232、RS422、RS485 和以太网接口，采用 Master/Slave 方式通信。
（2) MQTT
MQTT 是一种基于发布 / 订阅模式的轻量级通信协议，该协议构建在 TCP/IP 上，由 IBM 公司在 1999 年公布。 MQTT 通信协议的最大优点是可以用极少的代码和有限的带宽为连接远程设备提供可靠的消息服务。MQTT 通信协议的实现需要客户端和服务器端完成通信，在通信过程中，MQTT 通信协议中有 3 种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）、订阅者（Subscriber）。其中，发布者和订阅者都是客户端 (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)，消息的代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。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。
再来详细看一下 MQTT 通信的机制。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。如图所示，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。
主题采用的是分层结构。用 “#” 和 “+” 这样的符号能指定多个主题。如上图所示，/Sensor/temperature/# 中使用了 “#” 符号，这样就能指定所有开头为 / Sensor/temperature/ 的主题。此外，/Sensor/+/room1 中使用了符号 “+”，这样一来就能指定所有开头是 / Sensor/、结尾是 /room1 的主题。像这样借助于中介的发布 / 订阅型通信，MQTT 就能实现物联网服务与多台设备之间的通信。另外，MQTT 还实现了轻量型协议。因此它还能在网络带宽低、可靠性低的环境下运行；又因为消息小、协议机制简单，所以在硬件资源（设备、CPU 和内存等）受限的条件下也能运行，可以说是为物联网量身定做的协议。MQTT 本身还具备特殊的机制，QoS。
我们可以使用上表中的几种产品来实现 MQTT。
<##### （3) OPC UA 协议
OPC 是自动化行业及其他行业用于数据安全交换时的互操作性标准。它独立于平台，并确保来自多个厂商的设备之间信息的无缝传输，OPC 基金会负责该标准的开发和维护。 OPC 的目的是把 PLC 特定协议（如 Modbus、PROFUBUS 等）抽象为标准化接口，OPC 标准作为 “中间人”，把 PLC 特定协议通用的读写要求转换成具体的设备协议，反之亦然，以便 HMI/SCADA 系统可以对接。
- 被采集设备的接口类型、通信类型和选择连接方式
（1）RS485 通信接口
RS485 通信接口是对通信接口的硬件描述，它只需要两根通信线，就可以在两台或两台以上的设备之间进行数据传输。这种数据传输的连接是半双工通信方式，即在某一个时刻，一台设备只能发送数据或者接收数据。 硬件通信接口建立后，在进行数据传输的仪表之间需要约定一个数据协议，让接收端能够解析接受的数据，这便是协议的概念。 通信协议有统一标准的协议格式，如 Modbus 协议，这种标准的协议虽然内容全面，但不易理解。
（2）Modbus 协议
Modbus 协议可以说是工业自动化领域应用最为广泛的通信协议，因为其开放性、可扩充性和标准化，使它成为一个通用工业标准。有了 Modbus 协议，不同厂商的产品可以简单可靠地接入网络，实现系统的集中监控，分散控制功能。 目前，Modbus 协议主要使用的是 ASCII、RTU、TCP 等，并没有规定物理层。Modbus 常用的接口形式主要有 RS232C、RS485、RS422, 还有的使用 RJ45 接口。Modbus 数据通信采用 Master/Slave（主 / 从）方式，即 Master 端发出数据请求消息，Slave 端接收到正确的消息后，就可以发送数据到 Master 端以相应请求；Master 端也可以直接发送消息修改 Slave 端的数据，实现双向读 / 写。
三、 工业设备数采流程（西门子 S7-1200 为例）
- 规划数据采集方案
（1）工业现场调研
1）调研工业现场
调研现场情况，需要关注设备名称、设备品牌、设备型号、设备数量、工作站控制器型号、工业通信协议、通信协议是否授权、是否组网（组网方式）、接口是否有空余、硬件是否可拓展、有无源程序或点表、已有传感器类型或点表、已有传感器类型及型号、传感器的作用，下表以西门子 PLC 为例：微信图片_20250509091212.png
2）调研网络情况
除了对设备情况进行调研外，还需要调研现场的设备网络情况，以便根据实际网络情况进行必要的准备工作，如提前敷设网线，采购必要的敷设耗材等。
（2）梳理采集点表
</div>明确工业现场的设备情况和网络情况后，针对采集方案，接下来需要对具体设备采集数据和 PLC 的数据地址进行整理，梳理出完整的采集点表。以 PLC 为例：
（3）规划网络拓扑
以 PLC 为例：
- 工业网关选型
工业网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，具有多个用于连接设备的下行通信接口（南向接口），一个或者多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口（北向接口）。
网关能够实现桥梁作用的关键是其具有协议转换功能，这是它最核心、最重要的功能。工业生产设备使用的控制器（如数控系统、工业机器人、PLC 等）一般都采用私有或专用的工控协议，如常见的标准工控协议 Modbus、PROFIBUS (过程现场总线)、OPC UA (统一架构) 和 BACnet 等，工业网关与设备连接时，需要对这些协议进行解析。 而北向连接互联网，使用的一般是物联网协议，如 MQTT、CoAP 等，工业网关需要将从设备获取的数据封装为物联网协议所需的数据包格式，才能发送到工业互联网平台。此外，针对不同的应用场景，工业网关还有存储、安全管理、设备管理、网关配置、空中升级（OTA）等功能。
- 安装调试工业网关
（1）安装步骤大致如下：
1）安装 SIM 卡：若选择 4G 上网的方式，网关通过插入 SIM 卡可实现网络功能，SIM 卡规格请选用标准卡；2）安装前检查：通电检查、检查安装地点、环境负荷、安装点的温度和湿度，关闭设备电源；3）接电源线：一般网关默认支持 24V 直流供电，不可连接 220V 交流电源；4）接通信线：通信接线可使工业网关和设备之间进行通信连接。
（2）安装完成后
需要修改工业网关地址，将网关网口的 IP 地址和 PLC 设备的 IP 地址在同一个网段。
（3）设备通电测试
在给网关上电测试之前，需要检查电源线连接是否正确、接地线连接是否正确。工业网关支持 24V 直流电压，需在佩戴低压绝缘手套之后进行操作，之后便可以打开外部电源，为网关供电，POW 指示灯常亮，RUN 指示灯闪烁则为正常状态。
- 配置网关南向参数
</div>不同的网关配置参数的流程和方法也有所不同，下面以 GBox 网关为例，大致流程如下：
关于西门子 S7 通信协议： S7 通信协议是西门子 S7 系列 PLC 内部集成的一种通信协议，其 PLC 设备可以通过该协议进行通信和数据交换。它是一种运行于传输层之上的、经过特殊优化的通信协议。下图为 S7 模型与 OSI（开放系统互联）和 TCP/IP（传输控制协议 / 互联协议）模型的对比；其信息传输可以基于 MPI（多点接口）网络、PROFIBUS（过程现场总线）网络或以太网。
S7 通信协议支持以下两种方式：
（1）基于客户端（Client）/ 服务器（Server）的单边通信
该模式是最常用的通信方式，也称作 S7 单边通信。在该模式中，只需要在客户端一侧进行配置和编程；服务器一侧只需要准备好被访问的数据，不需要任何编程（服务器的 “服务” 功能是硬件提供的，不需要用户软件的任何设置）。
（2）基于伙伴（Partner）/ 伙伴的双边通信，也称为 S7 双边通信
该通信有以下三个特点：
1）通信双方都需要进行配置和编程；
2）通信需要先建立连接。主动请求建立连接的是主动伙伴（Active Partner），被动等待建立连接的是被动伙伴（Passive Partner）。
3）当通信建立后，通信双方都可以发送或接收数据。 其中客户端只发出命令进行查询，服务端只对命令进行回馈，同伴可以同时发出或响应命令。
- 配置网关北向参数及校验数据
不同的网关配置参数的流程和方法也有所不同，下面以 GBox 网关为例，大致流程如下：
（1）配置网关数据转发到平台
（2）配置转发信息
（3）配置 DS 点参数
（4）更新网关工程
完成配置后，需检验通信状态和数据状态（准确性和延时情况）。
