伺服驅(qū)動器 1769-IF16C 抗干擾能力強

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03 工業(yè)數(shù)據(jù)采集的體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)數(shù)據(jù)采集體系包括設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、邊緣計算。設(shè)備接入是工業(yè)數(shù)據(jù)采集建立物理世界和數(shù)字世界連接的起點。設(shè)備接入利用有線或無線通信方式，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場和工廠外智能產(chǎn)品/移動裝備的泛在連接，將數(shù)據(jù)上報到云端。工業(yè)數(shù)據(jù)采集發(fā)展了這么多年，存在設(shè)備接入的復(fù)雜性和多樣性。

數(shù)據(jù)接入后，將對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換，并通過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議如MQTT、HTTP上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。部分工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，在協(xié)議轉(zhuǎn)換后，可能在本地做即時數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理，再上傳到云端，提升即時性并降低網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

邊緣計算近幾年發(fā)展迅速，大家越來越意識到數(shù)據(jù)就近處理的優(yōu)勢，無論是實效性還是出于數(shù)據(jù)安全性考慮，或是網(wǎng)絡(luò)的可靠性，邊緣計算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系中扮演著重要角色，邊云協(xié)同也逐漸成了共識。

根據(jù)硬件載體不同，將設(shè)備接入產(chǎn)品分為以下3類，分類并非，不同類別之間的差異，在于其側(cè)重點不同。

1. 通用控制器

類是通用控制器，來自工業(yè)裝備大腦主控，例如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、微控制單位（MicroController Unit，MCU）等，工業(yè)自動化領(lǐng)域存在很多控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Ac，SCADA），它們在承擔(dān)本職功能的同時，可以作為接入設(shè)備使用。

通用控制器通常集成了數(shù)字輸入輸出I/O單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元，以及針對特定應(yīng)用的選配功能，如模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、計數(shù)器單元、運動控制單元等，通過串口或以太網(wǎng)物理接口連接，然后基于現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)或標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)采集協(xié)議的解析，如圖3-3所示。

▲圖3-3 通用控制器

通用控制器應(yīng)用于數(shù)控機床、激光切割機等各種自動化裝備、機器人（如機械臂和移動機器人）、SCADA系統(tǒng)的通信管理機，有些自動化裝備擁有專用控制器，采用不同的硬件架構(gòu)如PowerPC、ARM Cortex等?；谕ㄓ每刂破鞯脑O(shè)備接入，完成自動化裝備自身數(shù)據(jù)、工藝過程數(shù)據(jù)采集。

2. 專用數(shù)據(jù)采集模塊

第二類是專用數(shù)據(jù)采集模塊，采集現(xiàn)場對象的物理信號，傳感器將物理信號變換為電信號后，專用數(shù)據(jù)采集模塊通過模擬電路的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字電路將電信號轉(zhuǎn)換為可讀的數(shù)字量。

例如風(fēng)力發(fā)電機利用力傳感器實現(xiàn)風(fēng)機混凝土應(yīng)力狀態(tài)的實時在線監(jiān)測，為風(fēng)機混凝土基礎(chǔ)承載力的評估提供依據(jù)，同時利用加速度傳感器采集振動信號，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，實時在線監(jiān)測振動狀況并發(fā)送檢測信息，根據(jù)檢測信息有效控制風(fēng)機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，避免由于共振而造成的結(jié)構(gòu)失效，并對超出幅度閾值的振動進(jìn)行安全預(yù)警。

將力傳感器和加速度傳感器安裝固定于風(fēng)機上，傳感器輸出端連接到專用數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，專用數(shù)據(jù)采集模塊通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到本地或遠(yuǎn)端服務(wù)器，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)分析和可視化。

專用數(shù)據(jù)采集模塊的形式可能是數(shù)據(jù)采集板卡、嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。對于自動化裝備或機器人，如果某些關(guān)注的數(shù)據(jù)缺失，無法從其通用控制器直接獲取，此時可通過加裝傳感器，配合專用數(shù)據(jù)采集模塊的方式，完成更多維度的數(shù)據(jù)采集，這種做法很常見。

3. 智能產(chǎn)品和終端

第三類是智能產(chǎn)品和終端，強調(diào)遠(yuǎn)程無線接入和移動屬性。例如通過運營商4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等室內(nèi)短距離通信，或者低功耗廣域網(wǎng)無線連接上報數(shù)據(jù)。通過無線方式可以采集智能產(chǎn)品和終端的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)，例如電量、信號強度、功耗、定位、嵌入式傳感器數(shù)據(jù)等。

大部分智能產(chǎn)品和終端在產(chǎn)品定義時直接集成了無線通信能力，手機和可穿戴設(shè)備屬于典型的例子。當(dāng)前智能產(chǎn)品越來越豐富，萬物互聯(lián)時代，默認(rèn)具備遠(yuǎn)程接入能力，對智能產(chǎn)品使用過程中的各種運行指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，分析采集的數(shù)據(jù)，可以指導(dǎo)研發(fā)團(tuán)隊更好地改進(jìn)產(chǎn)品。

例如具有移動屬性的自動化裝備，如AGV機器人在室內(nèi)基于Wi-Fi自組網(wǎng)集群，實現(xiàn)AGV之間的通信，草皮收割機在戶外作業(yè)時的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。有些產(chǎn)品終端本身不具備遠(yuǎn)程接入能力，可間接通過數(shù)傳模塊（Data Transfer Unit，DTU）或工業(yè)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)同樣的效果。

工業(yè)數(shù)據(jù)采集關(guān)于數(shù)據(jù)的界定是非常廣義的，它可能來自通用控制器運行時的關(guān)鍵指標(biāo)，或者傳感器采集的某個物理量，或者單純一個身份標(biāo)識信息，比如RFID標(biāo)簽EPC數(shù)據(jù)區(qū)定義的標(biāo)簽ID、廣播報文中攜帶的唯一MAC地址等，通信雙方彼此交換的可能僅僅是簡單的身份信息，完成一次確認(rèn)，無須多余信息，雖然通信雙方有能力攜帶額外信息。

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