淺析數據采集技術在工業大數據平臺中的應用

張東光 郭輝

摘 要 大數據應用的第一步就是數據采集，數據采集技術是工業互聯網的關鍵技術，也是工業互聯網的基礎，需要采集的設備種類很多，具有不同的通信接口和規約，因此，工業采集網關在數據采集中有非常重要的作用。設備數據上傳的網絡建議建立統一的網絡上傳平臺，同時，網絡安全也是要考慮的關鍵因素。

關鍵詞 數據采集網關;設備聯網;工業大數據;工業互聯網網絡

筆者總結了數據采集技術在工業互聯網中的應用，從需要聯網的設備著手，分析了工業數據采集的特點，總結了幾種常見的數據采集技術，總結了工業環網和工業PON網絡的典型應用，并建議建立一套統一的“一張網”數據上傳網絡，最后針對邊緣采集設備及數據接口采集傳輸標準提出了自己的一些建議。

1聯網設備淺析

機械制造行業離散性比較強，采集的設備多是單一設備，比如：焊接機器人、激光切割機、液壓機等，設備聯網時需要對每一臺設備進行采集，徐工集團鏟運事業部的工業大數據平臺就有125臺設備聯網?，F在車間里還存在一些老舊設備，不具備通信接口，這個稱為“聾啞設備”，這種設備需要進行現代化改造或者更換新設備后再進行設備上云，現場很多設備都需要加裝傳感器，以滿足聯網需求。

能源行業大數據平臺多是對子系統數據進行采集，把子系統的接口開發給平臺，平臺可通過OPC等接口接收數據。比如，綜合自動化平臺就是在各個子系統已經建成的基礎上，把子系統的數據采集到SCADA平臺數據庫里，比如：皮帶運輸系統、主排水系統、空壓機無人值守自動化系統、自動供配電系統等，這些系統都是可以獨立運行的系統，并且都已經對系統內的設備數據進行了采集。

2工業數據采集的特點

數據采集本質是利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境、人等要素信息進行實時高效采集和云端匯聚。當前數據采集面臨的突出問題是，受制于傳感器部署不足、裝備智能化水平低，工業現場存在數據采集數量不足、類型較少、精度不高等問題，無法支撐實時分析、智能優化和科學決策。無論是跨國公司，還是國內平臺企業，都把數據采集體系建設和解決方案能力建設作為工業互聯網平臺建設的基礎：一方面通過構建一套能夠兼容、轉換多種協議的技術產品體系，實現工業數據互聯互通互操作，另一方面通過部署邊緣計算模塊，實現數據在生產現場的輕量級運算和實時分析，緩解數據向云端傳輸、存儲和計算壓力。

通過大范圍、深層次的數據采集，以及異構數據的協議轉換與邊緣處理，構建工業互聯網平臺的數據基礎。一是通過各類信手段接入不同設備、系統和產品，采集海量數據;二是依托協議轉換技術實現多源異構數據的歸一化和邊緣集成;三是利用邊緣計算設備實現底層數據的匯聚處理，并實現數據向云端平臺的集成[1]。

工業大數據采集有如下三個特點：

（1）數據采集以自動化手段為主;現有的PLC、采集網關、DTS設備、服務器可以實時采集工業自動化設備的數據。采集網關有邊緣計算能力，可緩解服務器資源，包括設備狀態監控、報警推送、遠程調試和數據報表等功能。邊緣網關能夠對各種不同的物聯設備協議進行解析和轉換，對采集的數據進行實時的分析，并提取特定的有價值的數據推送給云端[2]。

（2）采集內容以全量采集為主;采集數據有模擬量、開關量、控制量等信息，對每臺設備的全量數據進行采集，單臺設備采集的數據從十到上百個不等。建議全部采集?，F場數據采集設備主要包括模擬量儀表、數字量儀表、分析儀表與其他類儀表設備等，需要滿足：現場數據采集設備的選型，應考慮測量精度、穩定性與可靠性等因素;現場數據采集設備的安裝位置和方式，應滿足現場數據采集的需要與安全要求;現場數據采集設備應具有一定的冗余與擴展能力[3]。

（3）采集方式多樣化、內容豐富化;OPC、MODBUS、TCP/IP等方式，工業控制領域不同的控制器采集方式不通，不過主流廠家的設備支持標準的接口和規約，還有一些廠家提供自己定義的規約，采集時可以根據規約開發驅動采集數據，IGS軟件就支持用戶自定義的驅動。

3幾種常見的數據采集技術

3.1 OPC采集器

OPC是微軟公司的對象連接和嵌入技術在過程控制方面的應用。OPC規范從OLE/COM/DCOM的技術基礎上發展而來。

OPC方式采集，即是OPC SERVER采集單系統HMI軟件（OPC Client）的數據。

3.2 工業計算機（采集網關）

工業計算機首選嵌入式工控機，由于工控機經常會在比較惡劣的環境下運行，對數據的安全性要求也更高，是能夠適應特殊、惡劣環境下工作的一種工業和計算機，所以工控機通常具有加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等能力。同時，工業計算機對系統支持較好，可以運行Windows、linux等系統。這種方式的開放性更強。

3.3 PLC采集

自動化系統中PLC是數據采集與處理的核心模塊。

PLC實時數據采集系統的難點在于數據采集的高速實時性與上位機非實時操作系統數據處理之間存在時間差異問題，此時間差容易造成數據丟失，要想解決此問題，要求采集硬件具有數據緩存的功能。要在非常短的采樣周期內完成數據采集、緩存、打包發送等功能，對采集硬件的高速處理能力和軟件處理的效率都提出了非常高的要求[4]。

4兩種數據上傳網絡

工業環網和工業PON網絡是兩種常見的工業網絡解決方案。

4.1 工業環網及應用案例

由于控制系統的工業特性以及對數據實時性的要求，工業以太網絡成為解決這一問題的首選方案。設計完整的工業級網絡拓撲，包括無線以及網絡安全。網絡傳輸平臺要求性能穩定可靠，網絡結構必須具有冗余能力及可靠的安全性能設計，確保生產網絡數據的安全。

生產網絡結構中，環網的網絡設計思想是比較成熟的應用架構，在國內外的大型網絡建設中得到了廣泛的應用，在這種結構下，網絡設備各司其職又相互協同工作，從而有效地保證了整個網絡系統運行的高可靠性、高安全性和靈活的可擴展性。

在網絡安全方面，局域網中，為了減小廣播域的范圍，一般是通過vlan的劃分來實現的，前期通過合理的IP地址規劃及vlan的規劃，可將不同的業務規劃到不同的vlan，實現業務的分離，vlan間相互獨立，互不干擾，有效提高網絡的穩定性能和安全性能。不同業務子網之間的網絡通信是通過VLAN間路由來實現的，而不同VLAN之間的安全防衛控制是通過訪問控制表來實現的，這種方式是最簡單的實現方式，但同時其所能提供的安全保證也相對較弱。為了最大限度地保證交換機端口訪問的安全性，我們可以對每個交換機的端口進行安全控制，允許哪些特定的MAC對網絡的訪問，這樣就可以做到只有特定的主機或服務器才可以通過特定的交換機端口訪問局域網絡，而其他非法MAC地址的訪問全部被拒絕。

4.2 工業PON網絡及應用案例

采用先進成熟的光通信PON技術應用于制造領域的數據采集、監測、生產控制等場景，目的是建設制造車間生產制造自動化和智能化的基礎高速通信網絡。工業PON有較好的經濟性、組網靈活、安裝維護方便、抗干擾能力強等特點。

工業PON系統提供工業級ONU設備，針對各種數據采集設備提供接口情況，可以靈活提供FE、RS232、RS485等接口，實現數據的采集和傳輸。在智能制造車間數據采集中，工業級ONU可以數據口連接數據采集網關、也可以RS232、RS485與開關量數據采集設備連接、與各種數據采集設備通過PON系統快速傳送SCADA系統，完成各種數據分析和決策工作。

雖然PON網絡中的OLT設備支持三層交換，但是建議在OLT和管理網之間增加一臺三層核心交換機，用于PON網絡的三層交換。工業PON網絡和企業管理網之間，建議增加網絡安全設備，進行放病毒隔離，比如工業級防火墻。

5結束語

筆者在最后有幾點感悟：

在數據安全方面，系統平臺應該有保護系統所采取的措施，能夠免于對系統資源的非授權訪問或非授權或意外的變更、破壞、丟失，防止對工業控制系統的非法或有害入侵。同時，系統內部對各種類型的病毒、惡意代碼、木馬防范技術，要滿足對各種PLC、DCS、切割機系統等聯網設備的防護要求。系統安全應至少滿足可用性、正確性、保密性。建議部署備份一體機，日常使用備份一體機即可實現對整個數據備份系統進行運維監控和數據保護管理。

在數據采集領域，研發具有邊緣計算能力的采集網關是重點，利用邊緣計算設備實現底層數據的匯聚處理，并實現據向云端平臺的集成。

建議完善工業互聯網網絡標準，建立安全、穩定、高效、健壯的數據采集一張網。

參考文獻

[1] 佚名.工業互聯網平臺白皮書（2017）[ED/OL]. http：//www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c6002326/content.html，2018-01-04.

[2] 馬吉軍，賈雪琴，壽顏波，等.基于邊緣計算的工業數據采集[J].信息技術與網絡安全，2018，37（4）：91-93.

[3] 張亞彬，孟鄒清，呂毅，等.煤化工智能工廠現場數據采集研究[J].信息技術與標準化，2019，（Z1）：47-50.

[4] 張佳.基于PLC的實時數據采集系統[J].電氣傳動，2018，48（2）：68-71.

作者簡介

張東光（1986-），男，江蘇徐州人;學歷：本科，現就職單位：江蘇徐工信息技術股份有限公司，研究方向：電子智能化系統、工業互聯網。

郭輝（1981-），男，河南沈丘人;學歷：研究生，現就職單位：江蘇徐工信息技術股份有限公司，研究方向：車聯網、工業互聯網。