基于智能終端和數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

石曉亮

【摘? 要】目前的工業(yè)控制系統(tǒng)一般采用二級系統(tǒng)，基于OPC軟件，實現(xiàn)對一級PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，但很多老舊控制系統(tǒng)或者在戶外的分散式控制設(shè)備，在設(shè)計之初就沒有二級系統(tǒng)，戶外遠距離分散的特點也很難實施網(wǎng)線交換機和服務(wù)器的部署?；谝陨贤袋c，本項目提出使用工業(yè)智能終端設(shè)備實現(xiàn)快速靈活的對老舊控制系統(tǒng)，保證工業(yè)數(shù)據(jù)的實時性和有效性。

【關(guān)鍵詞】智能終端;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)倉庫

引言

2018年發(fā)布的制造行業(yè)現(xiàn)狀表明，我國目前仍處于“工業(yè)2.0”（電氣化）的后期階段，“工業(yè)3.0”（信息化）還待普及，“工業(yè)4.0”正在嘗試盡可能做一些示范，制造的自動化和信息化正在逐步布局。目前國內(nèi)很多的企業(yè)僅僅實現(xiàn)了局部自動化，信息化還沒有完全做到，其中很多企業(yè)只是實現(xiàn)了一個設(shè)備或者單元的自動化，真正要達到工業(yè)4.0，還有很長的路要走。

1.工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1目前“工業(yè)2.0”升級方案復(fù)雜，成本較高，對中間件和現(xiàn)場控制依賴性強

目前常規(guī)的對于PLC控制系統(tǒng)的升級改造，還是采用基于OPC技術(shù)的搭建本地二級服務(wù)器的方式，例如羅克韋爾AB系列PLC采用的RSLinks，西門子S7系列PLC采用SIMATIC NET OPC等。搭建二級服務(wù)器后，還需開發(fā)基于本地的客戶端軟件，成本較高，且工程師只能在工業(yè)現(xiàn)場的工程師站進行集中的操作和管理，無法做到遠程實時監(jiān)控，且整個生產(chǎn)控制還是以人工操作為主，對產(chǎn)生的大量工業(yè)數(shù)據(jù)無法做到即時的分析處理和管控，整個生產(chǎn)過程還是主要處于后“工業(yè)2.0”時代，非常的不靈活方便。

1.2基于二級服務(wù)器的PLC控制系統(tǒng)改造，在實時性上很難達到工業(yè)要求

基于二級服務(wù)器的PLC控制體系，一級PLC工業(yè)數(shù)據(jù)和二級系統(tǒng)，以及三級MES/ERP系統(tǒng)之間的交互，還是主要以復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和交換機為主，因此數(shù)據(jù)在通信過程的實時性、同步性受到極大的影響，很多時候，二級系統(tǒng)反饋回來的指令在當(dāng)前的PLC控制層中已經(jīng)失去了意義。

1.3工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體量巨大，分布廣泛，應(yīng)用層系統(tǒng)難以統(tǒng)一調(diào)用

現(xiàn)代工業(yè)數(shù)據(jù)具有四大特征：（1）隨著工業(yè)自動化和信息化的發(fā)展，由傳感器和儀器儀表大量接入而帶來的工業(yè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)井噴式增長，數(shù)據(jù)存儲量將達到EB級別;（2）工業(yè)數(shù)據(jù)分布廣泛，常常分布于生產(chǎn)線、機器設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品和管理系統(tǒng)中;（3）工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等不同類型;（4）工業(yè)數(shù)據(jù)持續(xù)采集，具有鮮明的動態(tài)時空特性。因此就給工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理實時性提出了極高的要求，對工業(yè)數(shù)據(jù)信息化整合的需求也愈發(fā)的迫切。

2.基于智能終端和數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

針對目前“工業(yè)2.0”系統(tǒng)升級方案復(fù)雜，成本較高，對中間件和現(xiàn)場控制依賴性強，工業(yè)數(shù)據(jù)處理實時性、同步性差，并且對工業(yè)數(shù)據(jù)整合存儲混亂等痛點，本系統(tǒng)應(yīng)用邊緣計算和數(shù)據(jù)倉庫相結(jié)合的前沿技術(shù)，開發(fā)出基于智能終端和數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，達到以快速靈活方式改造現(xiàn)有老舊控制系統(tǒng)并實時采集分析處理PLC數(shù)據(jù)信息的目的。數(shù)據(jù)倉庫利用標(biāo)準(zhǔn)字典信息，統(tǒng)一各節(jié)點的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)，為全廠系統(tǒng)的BI應(yīng)用層和數(shù)據(jù)訪問層提供數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)儲備。

關(guān)鍵技術(shù)點分析如下：

2.1底層通信關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

針對不使用OPC中間件的情況，結(jié)合西門子系列PLC底層驅(qū)動，打通通信接口，完成智能終端和PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上行/下行交互。本項目以西門子系列PLC（S7-200、300、400、1200、1500）為主要研究對象，基于以太網(wǎng)協(xié)議和Modbus協(xié)議，無需OPC中間件輔助，直接完成和PLC系統(tǒng)的即插即連通信模式。

2.2邊緣計算關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

將邊緣計算功能部署在終端智能硬件中，除了工業(yè)數(shù)據(jù)的實時采集，關(guān)鍵是能同步完成數(shù)據(jù)的清洗、特征提取以及設(shè)備參數(shù)衰退監(jiān)測等功能，在工業(yè)場景中，邊緣端計算的實時性比云端更強。針對工業(yè)數(shù)據(jù)實時性要求高的特點，在智能終端進行邊緣計算，采集數(shù)據(jù)的同時完成對工業(yè)數(shù)據(jù)的清洗、特征提取以及設(shè)備參數(shù)衰退監(jiān)測等工作。并且智能終端采用4G無線通訊模塊和VPN技術(shù)，能實時安全的將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)倉庫。

2.3數(shù)據(jù)倉庫的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)是在對原有分散的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)抽取、清理的基礎(chǔ)上經(jīng)過系統(tǒng)加工、匯總和整理得到的，必須消除源數(shù)據(jù)中的不一致性，以保證數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)的信息是關(guān)于整個企業(yè)的一致的全局信息。數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)主要供企業(yè)決策分析之用，所涉及的數(shù)據(jù)操作主要是數(shù)據(jù)查詢，一旦某個數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)倉庫以后，一般情況下將被長期保留，也就是數(shù)據(jù)倉庫中一般有大量的查詢操作，但修改和刪除操作很少，通常只需要定期的加載、刷新。數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)通常包含歷史信息，系統(tǒng)記錄了企業(yè)從過去某一時點（如開始應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫的時點）到當(dāng)前的各個階段的信息，通過這些信息，可以對企業(yè)的發(fā)展歷程和未來趨勢做出定量分析和預(yù)測。

3.基于智能終端和數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)針對目前“工業(yè)2.0”系統(tǒng)升級方案復(fù)雜，成本較高，對中間件和現(xiàn)場控制依賴性強，工業(yè)數(shù)據(jù)處理實時性、同步性差，并且對工業(yè)數(shù)據(jù)整合存儲混亂等痛點，有效的將解決痛點的關(guān)鍵技術(shù)分解到了智能終端和數(shù)據(jù)倉庫兩側(cè)，兩者既發(fā)揮各自特長，又相互配合。

3.1打通PLC系統(tǒng)與智能終端的直連通信，并完成智能終端、4G通信模塊和VPN通道的整合

針對智能終端與PLC系統(tǒng)直連通信的具體要求，系統(tǒng)開發(fā)過程中需著重注意以下幾點：（1）完全實現(xiàn)與PLC系統(tǒng)（西門子系列為主）底層驅(qū)動建立連接的功能，無需OPC中間件，保障基本數(shù)據(jù)交互通暢;（2）智能終端基于邊緣計算，實時完成工業(yè)數(shù)據(jù)的清洗、特征提取以及設(shè)備參數(shù)衰退監(jiān)測等功能;（3）采用4G無線通訊模塊和VPN技術(shù)，保障工業(yè)數(shù)據(jù)上傳的安全性。

3.2工業(yè)數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫采用Hadoop框架實現(xiàn)，數(shù)據(jù)倉庫層的數(shù)據(jù)是ODS（Operation Data Store）層數(shù)據(jù)經(jīng)過ETL清洗、轉(zhuǎn)換、加載生成的。Hadoop數(shù)據(jù)倉庫的DW層通常都是基于Kimball的維度建模理論來構(gòu)建的，并通過維度一致性和和數(shù)據(jù)總線來保證各個子主題的維度一致性。DW層的數(shù)據(jù)一定是清洗過的、干凈的、一致的、規(guī)范的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)平臺 的下游用戶將會直接使用DW層數(shù)據(jù)，而ODS層數(shù)據(jù)原則上不允許下游用戶直接接觸和訪問。此外，出于性能、重復(fù)計算和使用便捷性考慮，DW層數(shù)據(jù)除了保存基于Kimball維度建模的最細粒度的事實表和維度表（DW層的明細層，data warehouse detail 細節(jié)數(shù)據(jù)層），還會基于它們生成一層匯總數(shù)據(jù)（即DW層的匯總層，data warehouse service 服務(wù)數(shù)據(jù)層）。匯總層的設(shè)計主要出于性能及避免重復(fù)計算考慮。原則上，業(yè)務(wù)使用頻繁的的維度需要對這些維度建立匯總層，匯總的指標(biāo)可以和業(yè)務(wù)需求共同設(shè)計完成。

4.結(jié)束語

總之，基于智能終端和數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，智能終端基于以太網(wǎng)協(xié)議和Modbus協(xié)議，實現(xiàn)直接與工業(yè)現(xiàn)場PLC可編程邏輯控制器的通信連接，無需OPC軟件和二級系統(tǒng)，達到以快速靈活方式改造現(xiàn)有老舊控制系統(tǒng)并實時采集分析處理PLC數(shù)據(jù)信息的目的。本系統(tǒng)的成功實施為之后的規(guī)?；茝V提供了有效的技術(shù)支撐。

參考文獻

[1] 孫立. 工業(yè)大數(shù)據(jù)對智慧云制造的推動與創(chuàng)新[J]. 科技管理研究， 2016， 36（13）：156-158.