浅析数字化智能工厂中的现场数据采集

许纶煌高级工程师广州市赛菱智能控制科技有限公司

前言

在进行数字化智能工厂规划设计中，现场数据采集是重要的设计内容。然而，理论上，数据在数字化智能工厂中的重要性业内专家早已进行了详尽而深刻的论述，在工程实践上，软件系统服务商如何从工业现场获取的所需要的即时数据却鲜有介绍。本文步入最底层的工业现场，讲述工业现场有哪些数据需要采集，数据采集设备及其的架构，最后还偷换了DaaS的概念，提出了组建工业现场DaaS数据应用服务平台的构想。为面对工业现场做数据采集规划设计的工程师们，提供一套高效可行的工业现场数据采集解决方案，是个值得探讨的问题。

一，工业现场哪些数据需要采集

工业现场数据有很多，它的特点是动态的、实时的、分散的，数据采集就是把现场这些动态的、实时的、分散的数据，通过传感器感知和数传传输网络传输到数据中心服务器，比如到MES系统、ERP系统或AMS(AdvancedManufacturingSystem)系统。有了现场及时的准确的原始数据，这些应用系统才能进行数据分析与数据挖掘，实现科学的智能管理和预测性决策等智能功能。年版的《国家智能制造标准体系建设指南》中规范了识别与传感标准，主要包括标识及解析、数据编码与交换、系统性能评估等通用技术标准，用于在测量、分析、控制等工业生产过程，以及非接触式感知设备自动识别目标对象、采集并分析相关数据的过程中，解决数据采集与交换过程中数据格式、程序接口不统一的问题；的确，它并没有就工业现场数据采集做出具体的规范。笔者查阅了众多诸如《德国工业4.0大全》之类的技术资料，也没有发现到德国人在工业现场数据采集的内容上有什么描述，大概是字字珠玑不屑落笔吧。之前，笔者也在各种论坛等讨论场合向业内同行提出过这个的问题，也没有的得到准确的答案，当实践中客户问到这个问题时，我只好用“与产品相关”的数据都要采集进来，这其实是一种搪塞。然而，在工程实践中，工厂现场的工程师们，在面对现场的数据采集实际案例是，就会显得一脸茫然，束手无策，说不清楚工业现场到底要采集哪些数据，不知读者是否有同感。为此，根据笔者多年的工业现场经验，归纳总结了7类需要现场采集的数据，在此分享：（1）生产计数数据采集；（2）设备能耗数据采集；（3）设备运行状态数据采集；（4）设备工艺参数数据采集；（5）产品检测数据采集；（6）生产环境数据擦采集；（7）工厂排放和环保数据采集。这似乎全了，保罗进了全部需要采集的类型。或者有人会说有些生产员工信息以及物料信息没有保罗进去，其实说得对，不过本文只局限于生产现场的设备等各种现场的生产要素的动态的、实时的、分散的数据。

1，生产计数数据采集

生产计数数据采集最简单，就是对生产设备或工位进行生产计数。最早的工厂里使用管理电子看板，好比冲压设备的冲压产品的次数，其实就是一种生产计数数据采集。在现在的数字化智能工厂的建设中，生产计数数据至少要包含这些内容：投入（物料）计数或计米（长度），产出计数，不良数计数，设备关键部件的运行次数计数。如果要做得更周全一点，就可以能计算出各项计数的速度（pcs/min）,每隔一段时间，给所计得的数据一个时间戳等。还有一种特殊的计数，就是记录气体或液体的流量，一般是记录流量计的脉冲个数，而转换出时间的流量数值，这也是一种计数数据。生产计数数据在实现自动报工和APS应用系统的功能至关重要，同时也让上层的应用系统实时掌握现场的生产状况。

2，设备能耗数据采集

设备能耗数据采集一般是指设备生产运行时耗去的水电气能量。在进行电能的数据采集时，除了要采集到设备所耗的电力能量千瓦时（KWh）,还应该对反映电力电网质量的电压、电流、频率、有功功率，无功率，功率因数等数据，如果更进一步，还应该采集到电网的谐波分析数据。这对于了解设备的运行状态和设备的预测性维护提供了有力的数据支撑。笔者在一家大型铝加工企业做调研时，现场的总经理告诉我，如果能把每台铝挤压机的能耗数据实时采集到系统，就可以把每个订单的能耗数据计算清楚，这对于产品的定价和产品能耗优化有十分重要的意义。除了电能数据采集，还有水、气数据采集，这里一般仅对水、气的流量数据采集即可。

3，设备运行状态数据采集

设备运行状态数据，简单地说包括：设备停止状态数据、设备运行状态数据、设备故障状态数据、设备维护状态数据。设备运行状态的采集，一般是从设备某个部件的位置或状态采集，都是一些开关量，也有表示某种状态的模拟量数据，有些设备状态的数据采集可以从设备模拟量数据中得到判断，比如转速数据，主轴电流大小等。在采集到设备故障状态时，有些系统需要将设备的故障代码也一同采集过来，这就对设备状态采集器提出了一些要求。值得提醒的时，我们在采集设备状态的时候，是要把每个状态切换的时间戳记录下来，这样就可以采集到每个状态的持续时间。还有一类特别的状态数据，使用了表示某种物理程度特征的物理量，比如相对位移程度，变形或顿挫程度，弹力衰减程度，震动程度，噪音或异响程度等数据，这些数据一般都要即时采集，对数据采集设备也较高要求。设备状态数据，不仅对设备资源的协调调配，设备预测性维护，设备OEE等管理至关重要，在数字化智能工厂的实践中也扮演着十分重要的角色。

4，设备工艺参数数据

设备工艺参数，就是在调试设备过程中设定的对产品的质量和效率十分重要的数据，这些数据的采集，其实就是一些物理量的采集，好比电压，电流，转速，压力，温度等。如注塑机的三个温区的温度测量值，CNC加工主轴的转速都属于设备运行时的工艺参数。设备工艺参数，如果与产品检测的结果数据关联起来，组成一个闭环，就可以实现实时调整或优化设备生产的工艺参数，达到产品长期生产稳定和持续性的品质优化。

5，产品检测数据采集

产品检测数据就是对产品质量控制的检测数据，它判断产品的合格还是不合格，通常产品检测采用离线检测的方式，在现在的智能工厂建设的理念中，产品的离线检测方式越来越不能接受。产品检测数据采集，取决于检测产品的设备和检测的物理属性，与设备工艺参数一样，包括一些物理量数据的采集，电压，电流，压力，温度，电阻等，也包含一些通断状态等开关量数据。在MES系统中有个功能模块叫SPC（统计过程控制StatisticalProcessControl），是一种借助数理统计方法的过程控制工具，它对生产过程进行分析评价，根据反馈信息及时发现系统性因素出现的征兆，同时，它也能分析产品的质量数据的分布，反馈到决策系统，以及时调整生产设备的工艺参数，达到改善和优化的目的。

6，生产环境数据采集

产品的质量与生产环境息息相关，一位在注塑行业工作了30多年的技术功能曾经告诉过我，注塑产品的质量，不仅仅与设备的各种工艺参数有关，还受生产车间的温度湿度的影响。在一些生化产品的车间里，车间的环境条件直接影响产品的质量和效率，比如啤酒厂的发酵车间。在电子净化车间，温湿度数据，大气压数据（压差），尘埃粒子计数数据，都影响这精密电子产品的质量。根据不同产品的车间环境不同，要采集的数据也不同，一般来说大致有这么一些，温度湿度，大气压数据（压差），车间净洁度等。在一些对环境健康安全（EHSEnvironmentHealthSafety）要求高的企业，还会对环境的噪音，风速等气象数据进行采集。

7，工厂排放和环保数据采集

随着社会的发展与进步，国家对环保管理越来严格，特别时近年来，提出低消耗低排放的绿色可持续发展理念，对工厂的污染排放打击管控越来越严格了，对环保排放不达标的企业，一律停产停业整顿，可想而知，排放和环保数据采集对于企业来说越来越得到重视。采集的内容主要包括水质（液体）排放环保检测数据采集，气体排放环保检测数据，烟尘排放环保检测数据采集。目前对严格的环保数据采集有特殊要求，需要通过网络传输到环保局服务器，以实现严格的管控。环保数据与生产设备运行效率和运行状态息息相关，于是他也是设备预测性维护分析与计算的重要数据来源。

以上7类数据采集的介绍，基本上把在数字化智能工厂建设规划中讲全了，有些数据采集的频率慢，可以在几分钟采集一次，有些数据采集的频率要求高，一秒钟就要采集几十次，这就要看具体的实际情况。比如要要采集反应机器人的机械臂相对位置的状态数据，用在数字孪生应用系统中，每秒钟至少要采集24次。又比如要采集反应电动螺丝锁紧设备的启动脉冲电流或堵转电流，数据取样的频次就要更快，这就要符合著名的香农采样定理（Shannonsampletheorem）的要求。

二，工业现场数据采集的主要技术及设备

涉及工业现场数据采集主要技术的介绍，首先看看年版的《国家智能制造标准体系建设指南》中是怎么写的，在“二、关键技术标准”的第5节：主要包括体系架构、组网与并联技术和资源管理，其中体系架构包括总体框架、工厂内网络、工厂外网络和网络演进增强技术等；组网与并联技术包括工厂内部不同层级的组网技术，工厂与设计、制造、供应链、用户等产业链各环节之间的互联技术；资源管理包括地址、频谱等，但智能制造中工业网络仅包括工业无线通信和工业有线通信。（1）工业无线通信标准，针对现场设备级、车间监测级及工厂管理级的不同需求的各种局域和广域工业无线网络标准；（2）工业有线通信标准，针对工业现场总线、工业以太网、工业布缆的工业有线网络标准。笔者还查阅了工业互联网产业联盟发布的《工业互联网体系架构》，对现场数据采集的描述也相似，就不再赘述。

1，工业现场数据采集主要技术

工业现场数据采集技术实质是用在工业现场的物联网技术。物联网技术主要包括传感器技术感知数据，还有就是传输技术，包括无线传输网络和有线传输网络。常用的无线网络主要包括WiFi(无线局域网)、RF(MHz的射频通信局域网)、ZigBee(无线局域网)、NB-Iot(无线广域网络)，LoRa(基于基站的无线局域网)、3G/4G/5G(无线广域网)等无线接入技术。WIFI最初似乎用在工业不太欢迎，但最近芯片的硬件技术不断改善，在工业数据采集得到很好的应用。ZigBee好像已经证实了不适合工业场景，主要原因的稳定性不可靠，它更适合于一些对数据传输稳定性要求不高的组网场合，比如无线遥控器。NB-Iot，LoRa和3G无线通信真正应用于智能工厂的工业现场的车间内部很少，较多会用于在智慧农业或在野外工程施工现场数据采集和野外作业设备的数据采集。比较起来，基于FSK的MHz的RF无线通信技术，用于智能工厂的现场短距离数据传输的稳定可靠的，值得推广。还有就是有线网络，就物理传输层上而言，必须采用具有消除共模干扰的差分信号传输，就像以太网，RS总线，CAN总线，德国的Profibus总线，日本的CC-Link总线等，都是采用差分信号传输的，都是能满足用在工业现场的物理层传输数据的可靠性要求。就传输协议层而言，用得最广泛的莫过于TCPIP协议了，它是可靠的通信协议，主要缺点是传输距离不是很远，最多只有50米，需要在现场布置路由器或交换机。另一种在中国用得很广泛的通信协议就是基于RS总线的ModbusRTU通信协议，由于它在技术上通俗易懂，很多工程师都能理解并得到很好的应用的，也就有了很好的推广，RS总线的缺点是传输速度的问题，大不了在的波特率，被以太网甩下几条街。CAN总线的传输距离与RS一样的，可达1.5公里，它的最大的优点在于传输的速度很快，缺点是每帧只能传输8个字节，适合于需要及时控制的设备应用场合。德国的Profibus协议，是德国国家标准DIN和欧洲标准prEN的现场总线通信协议，用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用；用在德国西门子PLC设备上最多，它在中国没有得到很好的推广，主要原因在于它的技术难点和配套通信模块都是基于西门PLC设备而开发的，价格上偏贵，很高端的用户才用得起。CC-Link是由三菱电机为主的多家公司推出的开放式现场总线通信协议，属于高速的现场总线，它能够同时处理控制和信息数据；它在中国的市场情况似乎与德国的Profibus协议类似，都是由于技术和成本上的原因，才得不到很好的推广。

有关传感器技术几乎包罗万象，涉及的内容太多了，这里由于篇幅所限，也例举几种简单的来介绍。首先，用于计数数据采集或设备状态数据采集的开关量传感器，大致上包括光电开关、近接开关、磁性霍尔开关、微动开关、红外光纤开关量传感器等。每种类型的开关量传感器都有各自的使用特点，我们在设计的时候，要根据不同的应用场合，选择适合的传感器。模拟量传感器大致可以分成电压型和电流型，电压型的传感器能感知0—5V或0——10V的DC电压，它是需要带有AD转换功能的MCU模块，把检测到的电压模拟量经过AD转换为数字量信号才能进行处理和传输。还有一种模拟量传感器是电流型的，此类传感器一般输出都为4——20mA，同样需要带有AD转换功能的MCU模块，把检测到的电压模拟量经过AD转换为数字量信号才能进行处理和传输。在两者传感器类型的选择上，越来越偏向于选择4——20mA的电流型传感器了，主要原因有两点，一是电流型传感器属于“恒流”传输方式，在检测回路上不存在电流的损耗，这就保证了不会因为传输线路的长短而引起电流信号在传输线路的损耗或衰减，从而保证了检测的准确性；另一个原因是电流型传感器在没有检测到被测信号时有个最低值4mA电流的输出，而不是像电压传感器一样在没有检测到被测信号时输出0V，这就可以让负责AD转换的MCU可以判断，安装在现场的传感器是否处于工作状态，或者处在断电或损坏的非工作状态，保证了数据检测的稳定可靠性。

了解了工业现场数据采集主要技术后，我们在做数字化智能工厂设计或建设时，就可针对工业现场数据采集这个落地项目，根据现场的实际情况，合理地选择适合自己的无线传输方式或有线传输方式，合理地选择哪些物理传输技术类型以及传输通信协议，最后选择适合的开关量传感器或模拟量数据传感器，再最后选择电流性传感器还是电压型传感器。

2，工业现场数据采集主要设备

在上述的讲述中，似乎缺少一个环节，因为有电子技术知识基础的业内人士都清楚，并不是有了传感器和传输线路就可采集数据。这的确没有那么简单。我们还需要数据采集设备，才能实现现场数据采集的项目落地。工业现场数据采集主要设备包括三种，（1）安装在现场检测数据的传感器，（2）与现场传感器直接链接的数据采集智能传感器模块，业内也称之为智能传感器模块，（3）数据传输物理线路与智能传感器模块连接的数据采集节点控制器或数据采集网关。如图1所示。智能传感器模块的输入端连接了安装在现场的传感器，通信（输出）端则连接在数据采集节点控制器上或数据采集网关上，数据采集智能模块内部包含有核心微处理器MCU，核心微处理器MCU的功能主要包括对传感器原始感测的模拟量电压或电流信号进行AD转换和标度变换，得到所检测的物理量数据；如果是采集开关量数据，这就无需进行AD转换了，只需要判断并记录是0状态或1状态的开关量数据即可。智能传感器模块内部的微处理器MCU，还必须集成数据传输所需的通信协议，这样才能把数据传输到与其连接的数据采集节点控制器或数据采集网关。数据采集节点控制器或数据采集网关，是现场数据采集的重要设备，它的下位连接着数据采集智能模块，上位则连接了局域网络数据中心服务器，甚至是广域网络的远端或云端服务器。数据采集节点控制器或数据采集网关内部必须集成有与下位机智能传感器模块通信的通信协议，还必须有与上位机局域网络的数据中心服务器、广域网络远端服务器、或广域云端连接的服务器通信的通信协议。与下位及连接的通信协议主要是指现场总线通信协议，比如基于RS总线的ModbusRTU通信协议、CAN总线协议、Profibus总线协议或者CC-Link通信协议；与上位机连接的通信协议主要是网络传输协议，比如ModbusTCP通信协议、TCPIP通信协议、UDP通信协议、OPCUA通信协议和MQTT通信协议等。也可以开发出属于自己的私有通信协议，一般都基于TCPIP协议的基础上开发的。数据采集节点控制器与数据采集网关有何区别？其实两者都是规范的基于现场总线的网络拓扑结构设备用语，节点控制器更加接近于现场，具有对现场传感器控制的功能，一般节点控制器连接的下位机数量较多；而数据采集网关，注重的是对上位机和下位机进行网络通信协议的转换，它连接的下位机数目可多可少，甚至可以单独一个。

除了上面讲述的两种数据采集通信设备之外，还有一种数据采集设备，那就是协议转换网关，他是纯粹的协议转换功能，并没有节点控制功能（当然也可以通过软件方式实现控制功能），比如TCPIP转RS/RS转换器，MQTT协议转ModbusRTU协议转换器，TCPIP转CC-Link协议转换器，串口服务器等。这些设备在现场数据采集工程项目中，都是十分常用的。特别是在针对某种标准设备的数据采集，往往选择协议转换器。这就不乏有些公司看准商机，专门从事协议转换器的开发业务。

3，数据采集方法

数据采集方法上有两种，一种是直接读取设备通信端口获取数据，二种是在现场安装传感器的方式（目前也只有在现场安装传感器的方式）。有些数据采集设备开发商把它说成是软采（软件方式采集数据）和硬采（硬件方式采集数据），这并不十分准确，但其实都无所谓，意思是一样的，言简意赅，好记。记得笔者在北京联想集团总部讲课的时候，就有一位女高层领导质疑我讲的内容，她指出在通信技术高度发达的当今，工业现场数据采集应该都是直接读取设备通信端口获取数据，不会再用在现场安装传感器的方式采集数据了。当然她指出的不准确，这取决于现场的实际条件，要想从设备端口通信的方式直接获取数据，需要具备三个条件，（1）设备必须具备数据采集的通信端口，（2）设备制造商必须提供数据采集的通信协议，（3）设备制造商必须提供设备内部数据存储寄存器的地址，因为只有有了这些寄存器地址，才能通过通信协议读取这些数据，也才清楚读取的数据代表的具体含义。笔者曾在自己的“工业4.0规划设计课程”中介绍过工业4.0生产设备的四个基本特征之一，就是设备应该具备远程数据采集通信端口，说的就是满足软件方式采集数据的基本条件。好在现在的设备商都与时俱进，顺应了市场需求，在新出货的设备中，都已经补充了这点不足，增设了这必要的通信接口，这对工作在现场为数据采集烦恼的工程师门，是莫大的欢欣鼓舞！还要指出的是，这两种数据采集方法，当然应该优先选择软采，当软采没有条件的是时候，硬采就可以补上，这种方式将会长期存在。目前，那些主要从事重要生产设备（比如CNC设备，SMT设备等）的数据采集通信协议转换器开发商，之所以他们活得还不错，主要是因为市场上那些重要设备的数据采集通信协议没有对市场公开，获得这些协议需要通过不寻常的渠道，或者通过破解的方式获得，这自然就提高了这种设备开发的门槛，甚至形成一种技术壁垒，一般的开发工程师都很难进入，造成这种设备在市场的售价昂贵，利润也颇丰，甚至是暴利。不过，我相信在不久的将来，这种设备开发商不见得会像现在一样滋润，主要是随着技术的进步和市场的强烈要求，这些重要设备的数据采集通信协议迟早会向市场公开，甚至直接开源，这样，那些基于设备通信协议转换的数据采集设备，一般的嵌入式开发工程师都可以开发了，到那时产品的价格骤然下降也就不奇怪。

4，典型数据采集设备介绍

（1）智能计数传感器，型号：AS-NWSR-V30

AS-NWSR-V30是广州市赛菱智能控制科技有限公司开发的一款用于生产计数数据采集的数据采集设备，有四路连接开关量传感器的通道，每个通道单独工作，互不影响，互不耦合，配有四位LED显示屏，可以查阅工作状态和计数数据。与上位机连接的通信协议是走RS总线的ModbusRTU通信协议，它还预留了与现场的大型电子看板连接的通信端口，可以把计数传感器采集到的计数数据输出到大型LED电子看板或者触摸屏，供现场的操作员观看，实现数据透明化或目视化管理。它的第三个RS通信端口，是用来连接扫描枪的，可以与条码或

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