智能工廠異構網絡數(shù)據(jù)采集與上云

杜雪飛 伍進福 陳慶 陳小平

重慶電子工程職業(yè)學院電子與物聯(lián)網學院 重慶 401331

1 概述

隨著工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、5G等新一代信息技術的發(fā)展，制造業(yè)轉型升級加速?；ヂ?lián)互通是智能制造系統(tǒng)的智能特征之一[1]，然而，工廠設備繁多，建設和運行周期長，新舊設備并存，不同的工業(yè)網絡導致工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難。智能工廠整合生產流程各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)生產制造、設備管理、質量控制、采購管理、銷售管理、輔助決策分析等融合，離不開生產數(shù)據(jù)的采集和上云。因此，本文提出一種異構網絡數(shù)據(jù)采集與上云的解決方案，有利于智能工廠的實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)架構

智能工廠網絡通信采用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網，又分為有線通信和無線通信。根據(jù)現(xiàn)場布置和控制要求，通常有兩種數(shù)據(jù)采集方式，一是通過控制器采集，二是通過智能網關采集?？紤]這兩種數(shù)據(jù)采集方式同時存在的情況，我們設計了一種異構網絡數(shù)據(jù)采集與上云系統(tǒng)架構，見圖1所示。

圖1 工廠數(shù)據(jù)采集與上云系統(tǒng)架構圖

控制器是工廠生產必須具備的。以某熱軋廠為例，控制器可以通過現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網直接連接現(xiàn)場設備或傳感器，采集電機溫度、速度、電流、電壓等數(shù)據(jù)，也可以連接遠程IO站或其他控制器采集數(shù)據(jù)。然后，控制器通過工業(yè)以太網連接交換機、路由器，把采集數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺。對于不方便布置有線通信網絡的場所，可以采用無線通信方式，比如，控制器連接LoRa終端，通過LoRa通信將數(shù)據(jù)傳輸LoRa網關，再連接交換機、路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。

工廠里面部分區(qū)域沒有安裝控制器，可以用智能網關連接現(xiàn)場設備、傳感器，通過現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網采集數(shù)據(jù)，并經過交換機、路由器完成數(shù)據(jù)上云。

3 智能網關數(shù)據(jù)采集

工業(yè)智能網關是采集工業(yè)數(shù)據(jù)，并接入云平臺的關鍵設備。本設計中采用研華ECU-1251智能網關，支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485等多種通信方式。

3.1 智能網關配置

首先需要新增節(jié)點，選擇類型“ECU-1251 TL-R10A”，設置IP地址和密碼。同時，該網關有兩個網口，需要設置所選網口的IP地址、子網掩碼和默認網關，見圖2。由于工廠內部設備會訪問網關，該網關IP地址一般設置為靜態(tài)分配。

圖2 智能網關節(jié)點設置

3.2 現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)采集

采集之前，用USB-RS485轉換器連接溫濕度傳感器，讀取或設置其站地址和波特率，見圖3。

圖3 溫濕度傳感器設置

然后在網關軟件中設置設備類型Modbus RTU、站號、IO寫入方式。配置溫濕度傳感器數(shù)據(jù)點，見圖4。設置數(shù)據(jù)點參數(shù)、點名稱溫度、數(shù)據(jù)類型Analog、轉換類型Integer(注意：溫度數(shù)值有正有負；濕度數(shù)值為正，轉換類型選Unsigned Integer)，地址40002(保持寄存器)，長度16，最高量程100，最低量程-50(傳感器參數(shù))，讀寫屬性只讀，縮放類型Linear Scale MX+B，Scale0.1。同理，配置濕度數(shù)據(jù)點。

圖4 溫濕度數(shù)據(jù)點配置

3.3 智能車間數(shù)據(jù)采集

智能車間控制器通過Modbus RTU接入智能網關，參照2.2配置智能車間節(jié)點。然后配置數(shù)據(jù)點，見圖5。工作狀態(tài)1是布爾量，數(shù)據(jù)類型Discrete，地址00701(線圈寄存器)，轉換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性只讀。運行時間1是模擬量，數(shù)據(jù)類型Analog，地址40401，轉換類型Unsigned Integer，縮放類型No Scale。同理，配置計劃產量1、實際產量1等數(shù)據(jù)點。

圖5 智能車間數(shù)據(jù)點配置

3.4 網關數(shù)據(jù)上云配置

首先，在網關云服務設置中，啟用Simplemqtt，輸入主機IP或者網址、端口號、客戶端標識符、用戶名和密碼，再設置數(shù)據(jù)上傳的周期、檢測變化方式等[2]，見圖6。

圖6 Simplemqtt上云配置

其次，添加需要上云的數(shù)據(jù)點，見圖7。也可以選擇從Excel中導入點列表。

圖7 Simplemqtt數(shù)據(jù)點添加

4 控制器數(shù)據(jù)采集

控制器通過軟接線和硬接線兩種方式采集數(shù)據(jù)。硬接線指用信號線連接現(xiàn)場設備和傳感器，接入控制器的DI、AI。軟接線指用現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網從其他控制器、設備和傳感器獲取數(shù)據(jù)。

以S7 200 Smart為例，作為Modbus主站，通過端口0從其他控制器讀取數(shù)據(jù)。首先用MBUS_CTRL指令初始化主站[3]，設置Mode=1啟用Modbus協(xié)議，設置Baud波特率、Parity校驗方式、Port端口和Timeout超時。然后用MBUS_MSG指令讀寫數(shù)據(jù)，設置First接通邊沿檢測、Salve從站站號、Addr參數(shù)地址、Count數(shù)據(jù)元素數(shù)和Dataptr間接地址指針。

把采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)復制、高低字節(jié)轉換等處理，把上云數(shù)據(jù)通過端口1用自由口通信方式傳輸。配置SMB130參數(shù)，根據(jù)LoRa通信約定，設置130.6-130.7校驗方式、130.5每個字符數(shù)據(jù)位、130.2-130.4波特率、SMB130.0-130.1協(xié)議。采用定時器設定發(fā)送時間間隔，用XMT指令發(fā)送自由端口模式的數(shù)據(jù)。

5 Lora無線通信

S7 200 Smart連接到LoRa終端。配置LoRa終端參數(shù)，采用組網工作模式，設置網關ID、選擇通道和通道參數(shù)，串口設置與SMB130參數(shù)設置一致，見圖8。

圖8 LoRa終端基本參數(shù)設置

再設置LoRa網關基本參數(shù)，保持與LoRa終端基本參數(shù)一致。最后，設置LoRa其他參數(shù)。LoRa網關設為靜態(tài)IP、云端網絡模式MQTT、服務器IP或者域名、端口，MQTT服務器用戶名、密碼、設備ID，以及發(fā)送主題、訂閱主題，見圖9。網關參數(shù)設置成功后，右側輸出窗口有對應提示。

圖9 LoRa網關其他參數(shù)設置

6 數(shù)據(jù)上云

本設計采用新大陸云平臺進行數(shù)據(jù)上云示例。首先，新建智能網關設備，得到設備ID、設備標識和傳輸密鑰，它們分別對應網關MQTT配置中的用戶名、客戶端標識符和密碼，見圖10。

圖10 云平臺新增智能網關設備

其次，創(chuàng)建傳感器，設置傳感名稱、標識名，傳輸類型只上報、數(shù)據(jù)類型浮點型，以及設備單位和轉換腳本。相關參數(shù)要和智能網關Simplemqtt上云配置中的數(shù)據(jù)類型一致。

最后，點擊下發(fā)設備→實時數(shù)據(jù)打開，就可以看到在線設備的實時數(shù)據(jù)，見圖11。

圖11 云平臺實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

結語

本文針對工廠智能化過程中存在的新舊設備并存、通信接口多樣、布線不方便等問題，提出了一種數(shù)據(jù)采集和上云的解決方案。該方案包括智能網關數(shù)據(jù)采集、控制器數(shù)據(jù)采集、LoRa無線通信和數(shù)據(jù)上云，從而解決異構網絡數(shù)據(jù)采集的難題，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與上云。經驗證，本設計實現(xiàn)預期目的，有利于工廠智能化實施。