淺談工業生產裝置採集方式

【摘  要】

本文針對工業生產裝置的採集方式開展了研究。首先，闡述了採集方式的重要性；接著，對流程行業和離散行業的裝置採集方式、介面種類、傳輸介質進行了詳細說明；最後，提出了裝置採集方式和傳輸介質的未來發展趨勢。

關鍵詞：資料採集；工業物聯網；多源異構資料；工控

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引言

隨著工業4.0和智慧製造的快速發展，工業物聯網（IIoT）技術在工業生產現場得到了廣泛應用。生產裝置的採集和管理對於企業最佳化生產流程、提高裝置利用率、降低能源消耗至關重要。因此，這也對生產裝置的採集方式提出了更高的要求。本文旨在對工業生產裝置的採集方式進行全面探。

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工業現場裝置採集特點分析

對於工業現場裝置採集，主要分為兩大行業：流程行業與離散行業。這兩個行業由於生產模式的不同，導致它們在裝置採集方面的特點也有所不同。

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流程行業採集特點

流程行業的生產過程通常具有連續性、大規模的特點。加之20世紀80年代以來，流程行業應用的 DCS系統 進入了一個全面普及和發展的時期。經過幾十年的發展流程行業自動化水平較高，其生產裝置的採集較為標準和統一。主要分類如下：

(1)分散式控制系統（DCS）： 根據流程行業細分行業的特性不同，絕大部分企業DCS基本就可以涵蓋80%的現場生產裝置資料。流程企業應用較多的DCS品牌有霍尼韋爾、艾默生、ABB、中控、和利時。DCS系統對外通訊為OPCDA協議，部分廠家支援OPCUA協議。

(2)可熱有毒氣體系統（GDS）： GDS一般為兩大類，一是由DCS/PLC做控制系統，二是專業GDS控制系統，主要對外通訊為MODBUSRTU、OPCDA協議。

(3)環保系統（VOC/COD）： 汙水處理系統COD、廢氣處理系統VOC等環保系統在HJ 354-2019號文中要求，均為HJ212協議進行對外通訊。

(4) 安全儀表系統 （SIS）： 安全儀表系統SIS主要為OPCDA通訊協議。

(5)電力監控系統（ECS）/能源儀表 ，電力監控系統ECS一般為電力規約104協議、MODBUSTCP協議。其他能源電錶一般為DLT645協議居多。

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離散行業採集特點

離散行業相對於流程行業來說，大部分自動化程度較低、且裝置數量多、種類多、品牌雜。但也可以歸為幾大類：

(1)機床裝置類： 機床類裝置分為兩種型別，其一為機械機床。部分工廠存在機械式機床，只有 繼電器 為主的電氣系統，需要進行改造透過IO模組或PLC進行採集相關引數，透過MODBUSTCP開放對外協議進行傳輸。其二為數控機床，大部分為西門子、發那科、海德瀚、馬紮克、華中數控居多，西門子機床840D SL/828D，在4.5版本後都整合了最新工業OPCUA協議，之前的版本一般支援OPCDA或者透過板卡或者PLC進行通訊。其他機床協議均為廠家自身協議，相對封閉。

(2)PLC類裝置： 很大部分現場裝置是直接透過PLC+WINCC等 上位機 或觸控式螢幕實現現場監控，主要以西門子、歐姆龍、三菱、無錫信捷、匯川、和利時為主。此部分裝置分兩部分，其一為PLC系統均為各自品牌的協議對外開放，部分PLC也支援OPCUA協議對外開放。其二為上位機和觸控式螢幕一般為OPCDA或MODBUSTCP協議。

(3)機器人裝置： 機器人裝置一般分為兩種採集方式，部分機器人透過PLC進行採集相關執行引數，一般為機器人透過機器人本身的控制系統進行採集，常見的有ABB、發那科、松下、安川等機器人透過機器人私有協議進行採集。

(4)異構系統： 有些異構系統需要直接透過 關係型資料庫 進行資料的抓取，如醫藥行業的監管碼系統、礦山行業的人員定位、安全檢測等系統，一般為SQLSERVER、MYSQL等關係型資料庫取相關資料。

(5)雲平臺： 近幾年興起的物聯網平臺較多，如阿里、騰訊、百度、用友等企業均支援MQTT協議進行雲雲對接。

(6)非協議採集： 文字、日誌、音訊、視覺、語音等方式進行採集。

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工業現場資料介面種類和傳輸介質

採集的傳輸介質一般分為有線採集和無線採集兩大類。其中有線採集分為乙太網口採集和串列埠採集兩種形式。無線採集分為無線區域網、4G、5G三種形式。

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有線採集

有線採集適用於網路安全要求較高、資料傳輸採集穩定、採集頻率要求較高、裝置位置固定、已經建設廠內生產網路的場景，多見於流程行業。其缺點是建設週期較長，建設和後期維護成本較高。有線採集介面種類分為乙太網口採集和串列埠RS232/RS422/RS485採集。

(1)乙太網採集： 以外網採集前期要做好伺服器與裝置間的網路線路規劃，距離近可用網線直連，距離遠則要鋪設光纖（理論上超五類超過90M使用光纖）。

(2)串列埠採集： 串列埠分為RS-232、RS-422與RS-485三種，都是序列資料介面標準。各種串列埠之間均可以透過介面伺服器互相轉換，需要透過把串列埠轉換成網口接入區域網中進行傳輸。

RS232通訊又叫串列埠通訊方式。是指計算機透過RS232國際標準協議用串列埠連線線和單臺裝置（控制器）進行通訊的方式。這種九孔公頭的接線端子支援232接線。

RS-422通訊由RS-232發展而來，為改進RS-232通訊距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通訊介面，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺（速率低於100kb/s時），並允許在一條平衡匯流排上連線最多10個接收器。RS-422是一種單機傳送、多機接收的單向、平衡傳輸規範。為擴充套件應用範圍。

RS-485通訊是在RS-422基礎上制定了標準，增加了多點、雙向通訊能力，即允許多個傳送器連線到同一條匯流排上，同時增加了傳送器的驅動能力和衝突保護特性，擴充套件了匯流排共模範圍。 

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無線採集

無線採集適用於網路安全相對不高、生產裝置經常變動位置，以及車間區域大、樑架高、有線成本急劇增加、在區域環境惡劣，如高溫、粉塵、潮溼、腐蝕等環境中的場景，多見於離散裝備製造業。其缺點是會受到現場電機和驅動器等裝置產生的電磁干擾，傳輸的可靠性、傳輸資料的速率都會受到影響。近幾年興起的工廠5G專網可以解決大部分以上缺點，具有實時傳輸速率高、傳輸可靠、網路安全、覆蓋面廣、維護方便等諸多優勢。然而，此種連線方式需要裝置支援5G或者每臺裝置均需進行5G路由，成本較高。

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工業現場裝置採集的注意事項

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網路安全

在工業生產裝置採集中，網路安全為重中之重。在進行網路規劃時，要注意網路層級規劃和進行配套的軟硬體防護。對於流程行業，網路安全要求較高，不要進行裝置控制下發。一般而言，網路規劃需要進行網路分層，將控制網、生產網辦公網分開，控制網生產網之間需要進行網閘隔離，生產網和辦公網需要硬體防火牆進行防護。對於電力行業，網閘還需要有特定功能和品牌的要求。對於等保要求較高的企業，還需要進行專業的軟體進行網路安全防護，以確保現場生產裝置的安全。

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資料標準

對於採集的資料，定義好資料標準至關重要，透過制定和實施資料標準，可以確保資料採集、處理、儲存和使用過程中的一致性和準確性，從而提高資料質量。資料標準為不同部門、系統和組織之間的資料交換和共享提供了統一規範，使得資料能夠在更大的範圍內實現互通和互操作。資料標準為資料分析和應用提供了統一的資料基礎，有利於提高資料分析和質量，從而為決策提供有力支援。故資料標準建立的意義重大，有助於提高資料質量、促進資料共享、降低資料整合成本、支援資料分析和應用多種好處。

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工業現場裝置採集的未來發展思考

對於採集方式，經過多年的發展，流程行業資料採集發展較為完善，基本透過OPC、Modbus協議即可接入90%的裝置。從這個趨勢來分析，離散行業也將朝著協議標準化的方向發展，最終實現大部分裝置均會支援標準的工業協議。目前，許多裝置以及IoT廠家也在為這一目標的實現而努力。我們可以大膽設想，未來解決網路安全、資料安全、傳輸速率、可靠性等問題後。DCS、PLC、部分裝置可能會雲化或至少會私有云化，有可能最終都將發展到MQTT、OPCUA這兩大類協議。

對於傳輸方式，以5G的優異表現來看，如果各終端支援5G，且5G在工廠普及後最終將會演化為5G網路的形式進行工業裝置的互聯。

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結語

生產裝置採集方式是實現智慧製造的關鍵環節，對於提高企業生產效率、降低成本和增強競爭力具有重要意義。隨著技術的不斷髮展，裝置採集方式也將不斷最佳化和完善，以滿足工業4.0和智慧製造時代的需求，未來是資料的時代，工業互聯將企業OT資料資產化，必將是大勢所趨，不可阻擋。