鑄造行業(yè)底層設(shè)備物聯(lián)與數(shù)采若干疑難問(wèn)題解決辦法

劉亞賓，賀 偉，白仲花，糟舒婷，劉 樂(lè)

（共享能智鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750011）

關(guān)鍵字：鑄造行業(yè)；設(shè)備物聯(lián)；數(shù)據(jù)采集；技術(shù)難點(diǎn)；高性價(jià)比

鑄造行業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，常見(jiàn)以下疑難問(wèn)題：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)且不便拉線布網(wǎng)，部分設(shè)備僅具備串口且需聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋面或信號(hào)強(qiáng)度不足，個(gè)別設(shè)備IP 不按統(tǒng)一分配且不便修改，國(guó)外冗余交換機(jī)限制較多且價(jià)格高昂，小眾PLC 無(wú)通用數(shù)采通信協(xié)議，遠(yuǎn)程或異地運(yùn)維、排故、監(jiān)控困難，軟件系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互不暢，大屏看板數(shù)據(jù)流中間過(guò)程繁瑣等。

對(duì)于硬件工程師而言，上述類似問(wèn)題的主流解決方法為一網(wǎng)到底與OPC 互操作[1-2]：即通過(guò)各種軟硬件，將不同接口的設(shè)備或裝置，最終轉(zhuǎn)換為網(wǎng)口通信；在綜合考慮可靠性、實(shí)時(shí)性、Qos、工控安全、異地或遠(yuǎn)程運(yùn)維及工況運(yùn)行等限制因素條件下，通過(guò)各種接口和網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊，基于OPC 統(tǒng)一數(shù)采與交互平臺(tái)，解決設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通及人機(jī)交互等問(wèn)題。

1 設(shè)備互聯(lián)

設(shè)備互聯(lián)無(wú)定式，對(duì)于任何一種設(shè)備，其主要關(guān)注因素均可抽象為接口、協(xié)議和參數(shù)，在人身安全與設(shè)備安全的前提下，進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)與參數(shù)優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間除以DI、DO、AI、AO 方式直接互聯(lián)外，常見(jiàn)的問(wèn)題大致還有如下幾種情況：接口轉(zhuǎn)換、串口組網(wǎng)、有線無(wú)線互轉(zhuǎn)、網(wǎng)絡(luò)耦合、環(huán)網(wǎng)冗余、5G 與Wi-Fi 6 應(yīng)用、遠(yuǎn)程訪問(wèn)等。

1.1 接口轉(zhuǎn)換

工業(yè)用串口設(shè)備的接口多為RS232 與RS485，連接工控機(jī)時(shí)，常通過(guò)增加串口PCI 板卡、RS485 轉(zhuǎn)RS232 模塊，實(shí)現(xiàn)接口拓展與匹配。但此種方式易受熱插拔、強(qiáng)電磁干擾、閃電感應(yīng)、靜電等影響，燒串口PCI 板卡接口。

可采用深圳宇泰UT-2127 無(wú)源光電隔離防雷轉(zhuǎn)換器，或UT-2112 九線制RS-232 全信號(hào)光電隔離器進(jìn)行隔離，或研華ADAM-4561 一端口隔離USB 到串口轉(zhuǎn)換器、有人物聯(lián)網(wǎng)USR-N510 工業(yè)級(jí)串口服務(wù)器、MOXA NPort5150 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，就近接入工控機(jī)或交換機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接口隔離與轉(zhuǎn)換。

此外，還有各種串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，如上海泗博PM-160 通用串口/PROFIBUS DP 通信網(wǎng)關(guān)、TS-181 通用串口/PROFINET 網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)通用串口與現(xiàn)場(chǎng)總線的接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換；以及普聯(lián)TL-UG310 USB 3.0 轉(zhuǎn)1000M 以太網(wǎng)適配器，支持免驅(qū)動(dòng)或自動(dòng)安裝，及Windows/Mac/Linux 等操作系統(tǒng)，進(jìn)行工控機(jī)網(wǎng)口拓展。

1.2 串口組網(wǎng)

設(shè)備具有串口，設(shè)備分布點(diǎn)多且比較散，部署點(diǎn)附近網(wǎng)絡(luò)不易布線，又不需上PLC 控制器，或接口與網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊的，如老工廠邊界環(huán)境傳感數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。

可采用思為無(wú)線的SV6xx 系列無(wú)線透?jìng)髂K，或SV-MESH 超遠(yuǎn)距離無(wú)線組網(wǎng)數(shù)傳模塊，或Lo-RaStar 系列星型網(wǎng)絡(luò)串口無(wú)線傳輸模塊。其中，SV6xx 系列無(wú)線透?jìng)髂K可應(yīng)對(duì)老式儀表，支持7、9 位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、無(wú)校驗(yàn)可設(shè)；SV-MESH 四字節(jié)網(wǎng)絡(luò)ID，可工作于節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)中繼兩種模式，可形成無(wú)盲區(qū)、無(wú)距離限制、多頻段多信道的組網(wǎng)傳輸；LoRaStar 通過(guò)切換中心或節(jié)點(diǎn)模式組成星型MESH 自動(dòng)路由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，解決傳統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)下某些處在盲區(qū)或偏遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)無(wú)法與中心通訊的問(wèn)題。

1.3 有線無(wú)線互轉(zhuǎn)

移動(dòng)設(shè)備如天車、軌道車、混砂機(jī)等聯(lián)網(wǎng)時(shí)，工廠內(nèi)無(wú)線覆蓋面不全，或距離AP 較遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)較弱，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常采用西門子SCALANCE W7xx 系列接入點(diǎn)與客戶端，或MOXA 的AWK-3131A 系列工業(yè)無(wú)線AP/Bridge/Client，當(dāng)訪問(wèn)點(diǎn)數(shù)較多或改造預(yù)算不足時(shí)，聯(lián)網(wǎng)數(shù)采就很被動(dòng)。

可采用普聯(lián)TL-WDR7650 雙頻易展Turbo 版無(wú)線路由器，三個(gè)全千兆有線端口，無(wú)需區(qū)分WAN/LAN，支持網(wǎng)口盲插與有線無(wú)線混合互聯(lián)，無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)，最大一主七從，共用一個(gè)IP，通過(guò)簡(jiǎn)單的一鍵互聯(lián)組對(duì)，解決無(wú)線覆蓋不足、擴(kuò)展Wi-Fi問(wèn)題。

或采用有人物聯(lián)網(wǎng)雙網(wǎng)口Wi-Fi 串口服務(wù)器USR-W630，通過(guò)AP、STA、路由、橋接等模式的配置，實(shí)現(xiàn)RS232/485 串口、WIFI、以太網(wǎng)間互轉(zhuǎn)互通與數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，支持串口延長(zhǎng)、菊鏈?zhǔn)竭B接、Modbus TCP 與Modbus RTU 互轉(zhuǎn)、DNS 及跨網(wǎng)段路由（單向主動(dòng)）功能。

當(dāng)對(duì)漫游要求較高時(shí)，可采用普聯(lián)工業(yè)級(jí)高功率無(wú)線雙頻AP TL-AP1900DG 與TL-CPE1300D 組合，在無(wú)需AP 和AC 參與的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)線客戶端自主觸發(fā)和決策漫游。尤其適用于移動(dòng)載體的無(wú)縫快速漫游，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與通訊可靠性。

1.4 網(wǎng)絡(luò)耦合

因項(xiàng)目前期未進(jìn)行統(tǒng)一的IP 地址規(guī)劃，或規(guī)劃時(shí)未考慮周全，或設(shè)備廠家不配合等原因，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備IP 地址任意配置，或設(shè)備IP 沖突，且又不方便改或不能改時(shí)，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集的實(shí)施就陷入了困境。

可采用無(wú)錫北辰的ETH-NAT、XCNet-MIT、XCNet-PN 網(wǎng)絡(luò)耦合器，通過(guò)近似于NAT 的地址轉(zhuǎn)換，將LAN1 口所連接PLC 的IP 地址和端口號(hào)，映射到LAN2 口任意IP 地址和端口號(hào)，進(jìn)行跨網(wǎng)段的透明傳輸。或采用普聯(lián)的TL-R483G 千兆多網(wǎng)口VPN 路由器，將其WAN 口配置為不同網(wǎng)段固定IP，LAN 設(shè)置為數(shù)采網(wǎng)段分配IP，通過(guò)一臺(tái)高性價(jià)比路由器，實(shí)現(xiàn)最多跨4 個(gè)不同網(wǎng)段間設(shè)備的互訪。

1.5 環(huán)網(wǎng)冗余

關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不能掉線，尤其是不同設(shè)備間通過(guò)通信方式進(jìn)行交互時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的工控環(huán)網(wǎng)有西門子與倍福，但只限于自身產(chǎn)品間，且價(jià)格不菲，而現(xiàn)場(chǎng)往往各廠家設(shè)備均有。

可采用上海泗博IER-3000-5T-R1 與IER-3000-2S-3T-R1 環(huán)網(wǎng)冗余以太網(wǎng)交換機(jī)，支持快速自愈的環(huán)網(wǎng)冗余通信，使工控機(jī)/PLC/控制器通過(guò)全光纖單環(huán)網(wǎng)、光纖和網(wǎng)線混搭單環(huán)網(wǎng)、雙切環(huán)網(wǎng)、雙歸環(huán)網(wǎng)和環(huán)耦合環(huán)網(wǎng)等方式，訪問(wèn)連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備/儀表等。

1.6 5G 與Wi-Fi6 應(yīng)用

5G 與Wi-Fi6 在民用與商用場(chǎng)合應(yīng)用越來(lái)越深入，如何將無(wú)線技術(shù)應(yīng)用至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并與現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)縫融合，是硬件工程師面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)[3-4]。

可采用華為5G CPE Pro 2，支持終端側(cè)5G 網(wǎng)絡(luò)切片與轉(zhuǎn)WIFI 功能，并支撐Wi-Fi6 MU-MIMO、高帶寬、高并發(fā)、低時(shí)延、低功耗應(yīng)用，可連接高達(dá)128臺(tái)各類設(shè)備，支持高達(dá)16 臺(tái)設(shè)備并發(fā)。

1.7 遠(yuǎn)程訪問(wèn)

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，工程師排故時(shí)，往往需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)控各變量狀態(tài)，以確認(rèn)問(wèn)題所在，程序修改后再行下載。但工程師與設(shè)備所在網(wǎng)絡(luò)常不屬于同一個(gè)局域網(wǎng)，一般情況下，問(wèn)題能否及時(shí)解決，取決于工程師與設(shè)備所在地的距離，或設(shè)備所在地是否具備VPN 服務(wù)器，及開(kāi)通VPN 審批流程等待時(shí)間等，甚至遇到晚間、周末、節(jié)假日配合問(wèn)題。

可采用上海繁易FBOX、無(wú)錫北辰BCNet-R40、蒲公英X1 旁路組網(wǎng)盒子或X3 企業(yè)無(wú)線路由器，無(wú)需公網(wǎng)IP，只要現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)3G/4G、有線、WiFi 等方式能接入互聯(lián)網(wǎng)，即可快速部署，實(shí)現(xiàn)異地組建虛擬專用網(wǎng)，進(jìn)行PLC、觸摸屏、變頻器和伺服器或工控系統(tǒng)程序遠(yuǎn)程維護(hù)、調(diào)試、上傳、下載與監(jiān)控。

2 數(shù)據(jù)互通

鑄造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所用控制器，既有主流PLC、DCS、CNC 及各類傳感與儀器儀表，也有小眾PLC、控制板卡、各類傳感或儀器儀表，所用協(xié)議有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、非標(biāo)協(xié)議、第三方OPC、數(shù)據(jù)庫(kù)等，系統(tǒng)集成的理想需求是建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)備間的數(shù)據(jù)互通，但目前尚沒(méi)有任何一款軟件或硬件產(chǎn)品囊括所有可能項(xiàng)，常用的數(shù)據(jù)互通方式與特點(diǎn)如下。

2.1 OPC SERVER

對(duì)于主流PLC、DCS、CNC、4 機(jī)器人及各類傳感與儀器儀表，可采用Kepware 的OPC Server KEPServerEX 6，實(shí)現(xiàn)各主流設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、各類傳感或儀器儀表非標(biāo)協(xié)議、第三方OPC、數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集，并可通過(guò)OPC UA、MQTT、Rest 等接口與上位信息管理系統(tǒng)（如ERP、MES 等）進(jìn)行交互，同時(shí)其Advanced Tags 功能可輕松實(shí)現(xiàn)不同變量間的鏈接及簡(jiǎn)單的算術(shù)邏輯運(yùn)算。

對(duì)于日韓系PLC、CNC、機(jī)器人等控制器，及控制板卡、各類傳感或儀器儀表，如橫河、豐田、日立、基恩士、夏普、富士、產(chǎn)電等公司產(chǎn)品，可采用Takebishi 的DeviceXPlorer，相關(guān)數(shù)據(jù)采集后再作為第三方OPC，與KEPServerEX 6 對(duì)接。

2.2 協(xié)議網(wǎng)關(guān)

對(duì)于西門子、三菱、歐姆龍、松下、光洋、基恩士、富士、臺(tái)達(dá)、永宏、豐煒、信捷、AB、施耐德、LS 產(chǎn)電、安川等廠家?guī)Т型ㄐ诺腜LC 控制器，可采用無(wú)錫北辰對(duì)應(yīng)的BCNet 系列模塊，在不改變?cè)型ㄐ偶軜?gòu)的基礎(chǔ)上，除可將串行通信轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通信外，還可進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將各廠家非標(biāo)協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP 通信協(xié)議。

2.3 軟件框架

對(duì)于集成度要求較高的場(chǎng)合，以及對(duì)價(jià)格因素敏感的項(xiàng)目，常規(guī)OPC Server

集成方式不滿足指標(biāo)要求，此時(shí)需要自行開(kāi)發(fā)各種驅(qū)動(dòng)，但又會(huì)占用大量時(shí)間與精力。在有軟件開(kāi)發(fā)人員的前提下，可采用Snap7、HslCommunication 等開(kāi)源框架。其中，Snap7 支持西門子S7 系列PLC 的以太網(wǎng)通信，HslCommunication 支持大多數(shù)PLC 通信與轉(zhuǎn)換功能，及MQTT、Websocket、Redis等IOT Gateway 通信功能，以方便地與上位系統(tǒng)管理系統(tǒng)及云平臺(tái)快速集成對(duì)接，如共享的共享云盒、巫迪的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。

2.4 Open API

傳統(tǒng)的企業(yè)服務(wù)總線ESB，采用相對(duì)落后的技術(shù)，存在集成接口復(fù)雜、擴(kuò)展性差、不易維護(hù)、無(wú)法連接產(chǎn)線設(shè)備等問(wèn)題，如何高效、可靠地采集異構(gòu)軟硬件系統(tǒng)中錯(cuò)綜復(fù)雜、種類繁多的工業(yè)數(shù)據(jù)，也是硬件工程師面臨的挑戰(zhàn)之一。可基于REST API技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部功能組件的集成，構(gòu)建工作流，提升功能復(fù)用效率；同時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)部的REST API以O(shè)penAPI 的形式對(duì)外開(kāi)放，促進(jìn)系統(tǒng)間的功能調(diào)用和集成。進(jìn)而通過(guò)集成接口的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和重用，為多源異構(gòu)系統(tǒng)的快速集成提供有效支撐，實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備與云端、傳統(tǒng)工業(yè)軟件與云端、系統(tǒng)內(nèi)部不同軟件和功能的集成[5]。

2.5 變量示波器

硬件工程師進(jìn)行PLC 及傳感的調(diào)試與排故時(shí)，采用OPC 方式能夠監(jiān)控到當(dāng)前變量；配以Data Logger 或Local Historian 等功能插件，可將變量存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。但在牽涉到多變量監(jiān)控或背景變量監(jiān)控應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，常規(guī)只有數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)顯得力不從心?？刹捎蒙虾ｋ[圖的PLC-Recorder，免費(fèi)版2通道40 個(gè)變量監(jiān)控，連續(xù)錄波時(shí)長(zhǎng)6 h，自帶驅(qū)動(dòng)，僅讀取PLC 內(nèi)的信息，不會(huì)對(duì)PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行任何修改，并以示波器圖形方式顯示各變量值。同時(shí)對(duì)多個(gè)PLC 進(jìn)行采集錄波、邏輯分析、高級(jí)故障診斷、重要數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存檔等[6]。

3 人機(jī)交互

鑄造現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的人機(jī)交互有智控中心大屏、電子看板、液晶電視、設(shè)備觸摸屏、工控一體機(jī)、工業(yè)PAD 或PDA、手機(jī)、設(shè)備HMI 等，從性價(jià)比、移動(dòng)性、工程施工便易性與靈活性等因素考慮，尚有一系列硬件工程師面臨的難題，需要軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)工程師緊密配合，推薦采用帶有工控通信接口的、功能實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的電子看板，以及高性價(jià)的電視看板方式。

3.1 電子看板

其數(shù)據(jù)流處理的常規(guī)方式為：從底層設(shè)備或傳感獲取數(shù)據(jù)后，以IOT 接口、URL 地址或數(shù)據(jù)庫(kù)方式與看板軟件對(duì)接，再經(jīng)投屏設(shè)備將相關(guān)界面與信息發(fā)布至現(xiàn)場(chǎng)電子看板上。該方式中間環(huán)節(jié)較多，開(kāi)發(fā)及排故需要多專業(yè)工程師共同處理。

可采用廣州駟駿通顯的LED 工業(yè)屏，自帶通訊接口硬核與軟件協(xié)議內(nèi)核，融合工業(yè)組態(tài)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信與LED 顯示驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，可通過(guò)主流的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（如Profibus?DP、Modbus RTU、CC-Link、Can 等）與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如Profinet、Modbus TCP、EtherNet/IP、TCP/IP 等），直接與PLC、DCS 等控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的直連直通。

3.2 電視看板

對(duì)于價(jià)格敏感的項(xiàng)目，或現(xiàn)場(chǎng)不利于部署臺(tái)式電腦或筆記本的場(chǎng)合，可采用無(wú)線投屏方式，如創(chuàng)維光電的無(wú)線傳屏器GDWTA1；或采用微電腦加電視的組合，如以摩方M1S 微型電腦棒或大唐Q19 云終端作為主機(jī)，以電視作為顯示器，或根據(jù)操作需求配備無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤，滿足人機(jī)交互對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間、環(huán)境、美觀、操作便利性等要求。此外，對(duì)于成本與空間受限的小型應(yīng)用場(chǎng)合，亦可采用顯控帶自由口通信、支持C 語(yǔ)言編程的SK 系列（3.5”-15”）觸摸屏。

4 結(jié)論

本文從硬件工程師角度，針對(duì)鑄造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通、人機(jī)交互等常見(jiàn)的疑難問(wèn)題，提供了若干可借鑒的解決思路或方法，降低了項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中對(duì)硬件工程師綜合技能要求。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算、負(fù)載均衡等相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展與深入應(yīng)用，將會(huì)開(kāi)發(fā)出一些更高性價(jià)比的組合解決方案，更好促進(jìn)鑄造企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。