基于工業互聯網的PLC數據采集系統設計

摘要：隨著傳統制造業轉型升級的加快，企業需要大量的懂工業互聯網技術的數字工匠人才。針對現有工業自動化實訓裝置無法滿足數字化技術教學、信息化素養培養以及無法遠程控制管理等問題，文章設計了基于工業互聯網的PLC數據采集系統。該系統利用智能網關，通過工業網絡通信協議，采集以PLC為控制核心的自動化實訓裝置的動態數據和運行狀態數據，以實現設備的遠程控制和決策分析，從而達到訓練學生掌握邊緣側設備安裝接線、設備組網調試、網關參數配置、數據采集分析及上云等技術技能目標，以提高數字工匠人才培養質量。

關鍵詞：工業互聯網；PLC控制器；數據采集；智能網關

中圖分類號： TP273 文獻標志碼：A

0 引言

在傳統制造業數字化、網絡化、智能化轉型需求驅動下，以泛在互聯、全面感知、智能優化、安全穩固為特征的工業互聯網應運而生。高職自動化類專業培養的數字工匠主要從事工業互聯網工程實施、服務應用和運行維護等工作，涉及的典型工作崗位主要包括工業網絡工程師、工業數據采集工程師、工業邊緣計算實施工程師、工業控制系統安全工程師等［1］。

現有的工業自動化實訓教學裝置主要停留在設備層、控制層和監控層，即通過PLC編程控制氣動系統、指示燈、各種電機、機器人等設備，利用HMI、計算機和仿真軟件等監控系統的信號，現場傳感器采集的數據、PLC控制器的程序、設備的運行狀態等工業大數據無法遠程監控、存儲及管理，達不到學生數字化技術、信息化素養培養的教學目標，同時各實訓裝置之間形成信息孤島，數據無法上傳云共享，也給設備的管理、維護帶來不便。在信息化與工業化深度融合的今天，工業數據采集在智能制造中扮演著至關重要的角色，是實現智能制造目標不可或缺的關鍵技術之一［2］。

1 總體方案設計

PLC數據采集系統是在工業自動化控制的基礎上，利用智能網關將PLC的輸入輸出信號實時、準確地傳輸到上位機或云端服務器，為生產管理和決策分析提供有力的數據支持，充分體現了工業互聯網在邊緣側的數據采集與計算工業應用場景。系統整體架構如圖1所示，涵蓋了PLC控制器數據采集、遠程設備I/O數據采集、設備能耗數據采集3個應用場景，可采集PLC、光電傳感器、按鈕開關、溫濕度傳感器、機械手、電能表、電磁閥等各種類型數據，通過對工業互聯網數采系統設備的安裝接線、網關配置、通信連接以及調試等任務的實施，能使學生較好地完成工業互聯網設備層、控制層、邊緣側數據采集層和云平臺層的實踐練習，可滿足工業互聯網應用技術、電氣自動化技術、智能控制技術等專業的工業數據采集技術技能訓練需求［3-4］。

2 系統硬件設計

2.1 智能網關選型

智能網關能夠實現對生產設備的實時監控，幫助用戶及時發現設備故障，提高生產效率，還可以實現遠程監控與管理，提高設備管理的便捷性。Hanyun-Box系列網關是徐工漢云推出的工業互聯網平臺現場智能數據采集終端，可以方便地實現現場設備的遠程數據采集、遠程下載和遠程維護。該網關支持350多種工業協議接入和絕大部分工業設備連接，能夠完成本地數據解析，將數據推送至云端服務器，支持邊緣計算，可在本地進行數據運算，支持PLC程序上傳、下載、監控以及歷史數據本地緩存。

2.2 PLC控制器選型

PLC控制器選擇西門子1214C DC/DC/DC型號。它有14路數字量輸入、10路數字量輸出和2路模擬量輸入端子，模擬量輸入范圍0～10 V，最大支持284個本地I/O端子；還具有6路高速計數器輸入和4路100 kHz脈沖輸出端子。根據監控系統實際數據采集的需求，可以添加數字量擴展模塊SM1223、模擬量輸入信號板SB1231、RS485通信擴展模塊CM1241，還支持通過添加GSD文件軟件組態FR系列遠程I/O模塊、RFID、機器視覺等設備，可拓展性強。

2.3 工業交換機選型

8口工業交換機選擇中科德能科技有限公司的XPTN-9000-65-8TX非管理型百兆8電工業交換機，提供8個10/100M自適應RJ45端口，支持12～58 V DC的寬電壓輸入，適配各種工業電源；16口工業交換機選擇TP-LINK三層網管工業交換機TL-IS800-16T，提供靈活的全千兆接入和高性價比的萬兆上行端口，支持三層路由協議、完備的安全防護機制、完善的ACL/QoS策略和豐富的VLAN功能。

2.4 傳感器及電能表選型

物料檢測傳感器采用歐姆龍E3Z系列漫反射光電傳感器，PNP輸出，檢測距離不小于100 mm；溫濕度傳感器采用安科瑞WH-3溫濕度傳感器和WHD20R-11控制器，控制器支持2路傳感器接入，可選配RS485通信功能，能輸出DC4-20mA模擬信號，控制精度為溫度±1 ℃、濕度±5%RH。

電能能耗監測儀表采用安科瑞DDSD1352單相電子式電能表，可測量電壓、電流、功率等電量，具有紅外通信功能，可選配RS485通信功能，方便用戶進行用電監測、集抄和管理。

2.5 數采自動化設備選擇

數據采集對象選擇實訓室的汽車輪轂自動化生產線教學設備。該生產線模擬汽車輪轂的生產工藝流程，主要包括原料出庫、輪轂加工、車標安裝、顏色檢測、成品及廢品入庫等工作程序，涉及按鈕開關、三色燈、氣動手爪、光電開關、接近開關、傳送帶、絲桿滑臺、立體倉庫等自動化裝置，再配合現場生產環境、生產運營數據及生產設備能耗監測等，能夠滿足數據采集實訓的多應用場景需求。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括PLC控制器程序設計、網關算法建模和邊緣計算。由于篇幅有限，本文以采集“qidong、tingzhi、fuwei、jiting”開關量、“Temperature、Humidity”模擬量、“QuantityOutput、OnlineDuration、總產量、產線運行速度”生產數據等代表性數據為例進行闡述。

3.1 PLC程序設計

PLC控制器采用TIA Portal VI6.0集成開發環境來設計LAD程序。模擬量的采集大多采用RS485通信，本文以溫濕度模擬量采集為例進行控制程序設計。程序設計采用基于任務輪詢機制的Modbus-RTU主站通信方式，即PLC要讀取溫濕度儀表的數值，必須先給儀表發送一個讀取數值的請求，儀表接收到請求信號，才會反饋給PLC相應的請求數值。儀表（從站）是不會主動給PLC（主站）發送它所需要的數值的。

在博圖軟件中組態CB 1241 RS485模塊，設置波特率、數據位、停止位和校驗位等通信參數，調用Modbus功能塊中“MB_COMM_LOAD”“MB_MASTER”指令?！癕B_COMM_LOAD”指令用于組態端口使用Modbus RTU協議來通信；“MB_MASTER”指令允許PLC作為Modbus主站進行通信，可以訪問一個或多個Modbus從站設備中的數據。溫濕度采集控制程序如圖2所示。

3.2 網關算法建模

網關客戶端xEdge軟件提供內部函數模型和JavaScript自帶的Math Js函數算子，支持通過在線編輯器實現自定義編輯、保存算法模型和新算子功能。本文以生產線運行效率為例進行算法建模。

設備運行效率=合格率×開機率×性能率；

合格率=（良品數/總產量）×100%；

開機率=（開機時長/計劃生產時長）×100%；

性能率=（生產線運行速度/生產線理論速度）×100%；

生產線的計劃生產時長3 h；

生產線的理論速度60個/h；

設備運行效率算法模型設計如下：

3.3 邊緣計算

邊緣計算可以將傳感器收集到的數據進行本地處理和分析，降低數據傳輸延遲和云端服務器的負擔，進而提高數據傳輸速率和安全性［5］。本文以濕度采集的邊緣計算為例進行邏輯運算代碼編寫，溫度采集的邊緣計算與此類似，可參照編寫。

根據控制要求，當濕度為35%～75%，代表產線運行環境正常；當濕度<35%或>75%時，代表產線運行環境異常，邏輯運算代碼如下：

4 系統調試驗證

4.1 設備網絡連接

PLC、遠程I/O模塊、智能網關的LAN口連接到8口換機上，且IP地址要設在同一個網段內，即IP地址192.168.0.X的最后一位不同；PC電腦網口、智能網關WAN口、無線路由器WAN口連接到16口換機上，且IP地址要設在同一個網段內，即IP地址172.16.0.X的最后一位不同。所有設備連接完成后，打開電源，網口上的燈亮起表示連接成功。

4.2 智能網關配置

智能網關上電、聯網后，須通過網關客戶端軟件xEdge進行相關配置方可以正常使用。其配置步驟為：首先建立軟件與網關盒子的連接，設置完成后重啟設備使配置生效；其次查看日志信息，日志內顯示“盒子登錄服務器成功”等信息，代表網關盒子成功登錄服務器；最后查看網關盒子運行狀態，連接狀態綠色代表網關盒子處于在線狀態，并且下方顯示盒子當前IP信息，至此智能網關配置成功。

4.3 網關監控數據添加

通過漢云網關客戶端xEdge完成對智能網關的配置后，需要對網關進行綁定及添加監控數據，具體操作步驟為：首先在xEdge軟件添加網關盒子，默認分組為“PLCBox”，其次進行PLC的添加，最后添加“qidong”“tingzhi”“fuwei”“jiting”“Temperature”“Humidity”等監控數據，監控數據添加完成后，頁面顯示監控數據的狀態，綠色表示監控數據運行正常，紅色表示監控數據超時，監控畫面如圖3所示。

5 結語

在制造業智能化改造和數字化轉型背景下，高職自動化類專業必須勇擔使命，為地方發展新質生產力、推動經濟高質量發展提供數字工匠人才支撐。本文針對工業現場設備數據采集應用場景，設計了基于工業互聯網的PLC數據采集系統。該系統可采集總線協議數據、I/O數字信號、模擬信號等，能夠用于訓練學生掌握數據采集方式、邊緣側設備安裝、網關配置、數據類型匹配等工業設備數據采集基礎知識和技能。

參考文獻

［1］程舒通，金文兵.工業互聯網企業人才標準與培養路徑研究［J］.現代工業經濟和信息化，2024（2）：195-199.

［2］樹根互聯.樹根研習社|數據為王，洞察“工業數據采集”背后的價值與實踐［EB/OL］.（2023-12-13）［2024-06-11］.https：//www.rootcloud.com/knowle dge/news3996.html.

［3］廖永紅，楊銘，宋瑞.工業互聯網技術體系實訓裝備及教學設計［J］.中國教育技術裝備，2021（6）：123-126.

［4］周達左.工業互聯網綜合實訓平臺的設計與實現［J］.電腦知識與技術，2023（30）：129-131.

［5］熊燕帆，王琪.“1+X”證書下工業互聯網應用教學案例設計：以武漢城市職業學院為例［J］.無線互聯科技，2022（10）：142-143.

Design of PLC data acquisition system based on industrial Internet

Abstract： With the acceleration of transformation and upgrading of traditional manufacturing industry， enterprises need a large number of digital craftsmen who understand industrial Internet technology. Aiming at the problems that the existing industrial automation training devices cannot meet the requirements of digital technology teaching， information literacy training and remote control management， a PLC data acquisition system based on industrial Internet is designed. The system utilizes an intelligent gateway to collect dynamic data and operational status data of an automated training device controlled by PLC through industrial network communication protocols， in order to achieve remote control and decision analysis of the equipment. Its purpose is to train students to master technical skills such as edge side device installation and wiring， device networking and debugging， gateway parameter configuration， data collection and analysis， and cloud deployment， thereby improving the quality of digital craftsmen cultivation.

Key words： industrial Internet; PLC controller; data collection; intelligent gateway