智能工厂异构网络数据采集与上云_杜雪飞.pdf

书书书DOI:1019392/jcnki1671-7341202308001智能工厂异构网络数据采集与上云杜雪飞伍进福陈 庆陈小平重庆电子工程职业学院电子与物联网学院重庆401331摘要:很多工厂存在新旧设备并存、通信接口多样、布线不方便等问题，导致数据采集困难，从而影响工厂智能化实现。为此，本文提出一种工厂数据采集与上云系统架构，并从智能网关数据采集、控制器数据采集、Loa 无线通信、数据上云等四方面进行阐述和设计，实现数据采集和上云。经验证，该方案可行，有利于工厂智能化实现。关键词:智能工厂;异构网络;数据采集;上云中图分类号:TP29文献标识码:A1 概述随着工业互联网、物联网、5G 等新一代信息技术的发展，制造业转型升级加速。互联互通是智能制造系统的智能特征之一1，然而，工厂设备繁多，建设和运行周期长，新旧设备并存，不同的工业网络导致工业数据互联互通困难。智能工厂整合生产流程各环节，实现生产制造、设备管理、质量控制、采购管理、销售管理、辅助决策分析等融合，离不开生产数据的采集和上云。因此，本文提出一种异构网络数据采集与上云的解决方案，有利于智能工厂的实现。2 系统架构智能工厂网络通信采用现场总线和工业以太网，又分为有线通信和无线通信。根据现场布置和控制要求，通常有两种数据采集方式，一是通过控制器采集，二是通过智能网关采集。考虑这两种数据采集方式同时存在的情况，我们设计了一种异构网络数据采集与上云系统架构，见图1 所示。图 1 工厂数据采集与上云系统架构图控制器是工厂生产必须具备的。以某热轧厂为例，控制器可以通过现场总线或工业以太网直接连接现场设备或传感器，采集电机温度、速度、电流、电压等数据，也可以连接远程 IO 站或其他控制器采集数据。然后，控制器通过工业以太网连接交换机、路由器，把采集数据发送给云平台。对于不方便布置有线通信网络的场所，可以采用无线通信方式，比如，控制器连接 Loa 终端，通过 Loa 通信将数据传输 Loa 网关，再连接交换机、路由器实现数据上云。工厂里面部分区域没有安装控制器，可以用智能网关连接现场设备、传感器，通过现场总线/工业以太网采集数据，并经过交换机、路由器完成数据上云。3 智能网关数据采集工业智能网关是采集工业数据，并接入云平台的关键设备。本设计中采用研华 ECU-1251 智能网关，支持 4G、Wi-Fi、Modbus TU、Modbus TCP、S232/485 等多种通信方式。31 智能网关配置首先需要新增节点，选择类型“ECU-1251 TL-10A”，设置 IP 地址和密码。同时，该网关有两个网口，需要设置所选网口的 IP 地址、子网掩码和默认网关，见图 2。由于工厂内部设备会访问网关，该网关 IP 地址一般设置为静态分配。图 2 智能网关节点设置1科技风 2023 年 3 月科技创新32 现场温湿度数据采集采集之前，用 USB-S485 转换器连接温湿度传感器，读取或设置其站地址和波特率，见图 3。图 3 温湿度传感器设置然后在网关软件中设置设备类型 Modbus TU、站号、IO 写入方式。配置温湿度传感器数据点，见图 4。设置数据点参数、点名称温度、数据类型 Analog、转换类型 Integer(注意:温度数值有正有负;湿度数值为正，转换类型选Unsigned Integer)，地址 40002(保持寄存器)，长度 16，最高量程 100，最低量程50(传感器参数)，读写属性只读，缩放类型 Linear Scale MX+B，Scale01。同理，配置湿度数据点。图 4 温湿度数据点配置33 智能车间数据采集智能车间控制器通过 Modbus TU 接入智能网关，参照 22 配置智能车间节点。然后配置数据点，见图 5。工作状态 1 是布尔量，数据类型 Discrete，地址 00701(线圈寄存器)，转换类型 N/A，缩放类型 No Scale，读写属性只读。运行时间 1 是模拟量，数据类型 Analog，地址 40401，转换类型 Unsigned Integer，缩放类型 No Scale。同理，配置计划产量 1、实际产量 1 等数据点。图 5 智能车间数据点配置34 网关数据上云配置首先，在网关云服务设置中，启用 Simplemqtt，输入主机 IP 或者网址、端口号、客户端标识符、用户名和密码，再设置数据上传的周期、检测变化方式等2，见图 6。图 6 Simplemqtt 上云配置其次，添加需要上云的数据点，见图 7。也可以选择从Excel 中导入点列表。图 7 Simplemqtt 数据点添加4 控制器数据采集控制器通过软接线和硬接线两种方式采集数据。硬接线指用信号线连接现场设备和传感器，接入控制器的DI、AI。软接线指用现场总线或工业以太网从其他控制器、设备和传感器获取数据。以 S7 200 Smart 为例，作为 Modbus 主站，通过端口 0从其他控制器读取数据。首先用 MBUS_CTL 指令初始化主站3，设置 Mode=1 启用 Modbus 协议，设置 Baud 波特率、Parity 校验方式、Port 端口和 Timeout 超时。然后用2科技创新科技风 2023 年 3 月MBUS_MSG 指令读写数据，设置 First 接通边沿检测、Salve从站站号、Addr 参数地址、Count 数据元素数和 Dataptr 间接地址指针。把采集到的数据进行数据复制、高低字节转换等处理，把上云数据通过端口 1 用自由口通信方式传输。配置SMB130 参数，根据 Loa 通信约定，设置 1306-1307 校验方式、1305 每个字符数据位、1302-1304 波特率、SMB1300-1301 协议。采用定时器设定发送时间间隔，用 XMT 指令发送自由端口模式的数据。5 Lora 无线通信S7 200 Smart 连接到 Loa 终端。配置 Loa 终端参数，采用组网工作模式，设置网关 ID、选择通道和通道参数，串口设置与 SMB130 参数设置一致，见图 8。图 8 Loa 终端基本参数设置再设置 Loa 网关基本参数，保持与 Loa 终端基本参数一致。最后，设置 Loa 其他参数。Loa 网关设为静态IP、云端网络模式 MQTT、服务器 IP 或者域名、端口，MQTT服务器用户名、密码、设备 ID，以及发送主题、订阅主题，见图 9。网关参数设置成功后，右侧输出窗口有对应提示。图 9 Loa 网关其他参数设置6 数据上云本设计采用新大陆云平台进行数据上云示例。首先，新建智能网关设备，得到设备 ID、设备标识和传输密钥，它们分别对应网关 MQTT 配置中的用户名、客户端标识符和密码，见图 10。图 10 云平台新增智能网关设备其次，创建传感器，设置传感名称、标识名，传输类型只上报、数据类型浮点型，以及设备单位和转换脚本。相关参数要和智能网关 Simplemqtt 上云配置中的数据类型一致。最后，点击下发设备实时数据打开，就可以看到在线设备的实时数据，见图 11。图 11 云平台实时数据监测结语本文针对工厂智能化过程中存在的新旧设备并存、通信接口多样、布线不方便等问题，提出了一种数据采集和上云的解决方案。该方案包括智能网关数据采集、控制器数据采集、Loa 无线通信和数据上云，从而解决异构网络数据采集的难题，最终实现数据采集与上云。经验证，本设计实现预期目的，有利于工厂智能化实施。参考文献:1 工业和信息化部，国家标准化管理委员会国家智能制造标准体系建设指南(2021 版)/OL 2022-10-25 http:/www gov cn/zhengce/zhengceku/2021-12/09/content_5659548htm 2 研华网关与西门子 S7-200 SMAT 通信配置/OL 2022-10-25 https:/www advantech com cn/zh-cn/support/details/manual?id=1-1VGKZI5 3 西门子S7-200 SMAT PLUS 25/OL 2022-10-25 https:/wwwdoc88com/p-18861199137481html?r=1基金项目:2020 年度重庆市教委科学技术研究计划立项项目重点项目(项目编号:KJZD-K202003101)作者简介:杜雪飞(1977)，男，重庆人，硕士，教授级高级工程师，研究方向:工业互联网、物联网、职业教育。3科技风 2023 年 3 月科技创新