第2章 制造数据感知基础与原理

制造过程数据分类制造过程数据采集现场总线技术工业以太网技术ZigBee技术WiFiModBus协议Profinet协议OPCUA协议随着全球信息化和数字化浪潮的到来，中国制造2025国家战略的实施推动了工业制造业的转型。自动化、信息化和智能化技术已经渗透到生产制造的各个环节。生产制造过程中产生的大量数据蕴含着有价值的信息，提取这些数据有助于指导人们做出正确的决策，提高生产制造的效率。第一部分——第2章：背景本章主要内容制造过程数据分类第一部分——第2章：2.1制造过程数据车间数据可以按照数据源分为五类:人员数据、设备数据、物料数据、质量数据、环境数据制造过程数据来源

数据类型数据来源应用服务加工设备平移关节数据、旋转关节数据、工具动作信号、机床门动作信号、设备状态PLC/单片机/传感器运动控制程序信号处理程序

数据类型数据来源应用服务AGV空间位置数据、移载动作信号、AGV状态PLC/单片机运动控制程序信号处理程序传送带启/停信号、传感器信号传感器/PLC信号处理程序

数据类型数据来源应用服务工业机器人关节驱动数据、末端执行器动作信号、机器人状态PLC/单片机运动控制程序信号处理程序数控机床传感器采集基于通讯接口采集机器人、AGV控制中心通讯接口软件二次开发第一部分——第2章：2.1制造过程数据制造车间生产设备包括各种机床、AGV小车、机器人等。制造过程数据来源

数据类型数据来源应用服务人员空间位置数据、身份数据RFID/图像识别位置控制程序信号处理程序物料数据包含物料种类、批次、型号以及所处加工环节等信息。

数据类型数据来源应用服务产品/零部件订单信息、质量信息、加工工艺信号工业软件/RFID状态演变程序此外还包括加工质量数据和环境数据，其中质量数据包括加工精度数据和表面质量数据；环境数据包含通用的温湿度、粉尘浓度、噪声以及特殊车间的一氧化碳、甲烷浓度等。第一部分——第2章：2.1制造过程数据人员数据包含员工编号、员工姓名、所属部门、所属车间等一系列信息物料数据条形码RFID人员数据员工卡RFID制造过程数据采集名称功能射频识别设备与电子标签配合使用，用于感知特定范围内移动的制造资源如员工、物料、在制品等的变化信息条形码读写器与条形码配合使用，用于感知特定范围内移动的制造资源位移传感器用于感知工件加工过程质量信息数显测量仪用于检测工件完工后的加工尺寸信息和表面质量信息，包括数显游标卡尺和数显粗糙度测量仪环境传感器为人因工程分析提供源自生产现场的数据源，包括温度传感器和湿度传感器加速度传感器可快速准确地测量机械振动加速度，通过分析加速度的时间历程找出振动根源和产生噪声原因。常用压电加速度计，一次、二次积分可求速度和位移电力参数测量仪通过连接路由器实现远程访问，可实现在线监控机床的参数，如频率、电流、电压、功率、功率因数等。降低电力成本，实时监测电力参数，提高系统运行效率第一部分——第2章：2.1制造过程数据传感器数据采集制造过程数据采集PLC数据采集：PLC编程；PLC提供不需要编程的外部访问协议，比如，OPC-UA、MODBUSTCP等；通过通讯中间件或中间软件进行中转。最典型中转软件的就是OPC软件。工业软件数据采集：RESTAPI

WEBSERVICE第一部分——第2章：2.1制造过程数据PLC数据采集和工业软件数据采集CAN总线CANController（控制器）

Area（局域）

Network（网络）控制器局域网络CAN总线历史CAN是由Bosch和Intel在八十年代末开发，用于连接客车和卡车ECU的标准化总线系统。CAN2.0标准在1991年发布，沿用至今。在1991年首先应用在MercedesS-系列车中（连接发动机和变速箱ECU）。1993年CAN成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN总线基本概念简述CAN总线发展历史CAN总线目前，CAN总线得到了Motorola,Intel,Phillip,Siemence,

NEC等公司的支持，广泛应用在离散控制领域。其应用范围包括自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、传感器等领域，在汽车行业应用尤为广泛。世界绝大多数汽车制造厂商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统之间的数据通信。网络各节点之间的数据通信实时性强；CAN总线节点安全性好；CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；CAN总线网络内节点个数理论上不受限制；CAN总线各节点之间可以自由通信；CAN总线具有较高的效率。第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN总线应用领域CAN总线的优越性CAN总线使用串行数据传输方式，且总线协议支持多主控制器。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。CAN总线上应该出现的只有0（显性）和1（隐性）信号，通过两条数据传输线上的电压差大小表示0和1，即差分电压传输。信号=CAN_H-CAN_L通信节点通信节点数据传输线数据传输终端数据传输终端CAN总线第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN总线原理唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。标准数据帧扩展数据帧CAN总线第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN的报文格式：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧标准远程帧扩展远程帧CAN总线第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN的报文格式：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧主动错误标志：由6个连续的显位组成；被动错误标志：由6个连续的隐位组成。发送过载帧的过载条件：要求延迟下一个数据帧或远程帧；在间歇场检测到显位。CAN总线第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术CAN的报文格式：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧IEEE1451IEEE1451历史1993年9月，IEEE第九届技术委员会决定制定一种智能传感器通信接口的协议；1994年3月，NIST和IEEE共同组织了关于制定智能传感器接口和连接网络通用标准研讨会；1995年4月，成立了P1451.1工作组和P1451.2工作组；1995年5月，给出了相应的标准草案和演示系统；1997年和1999年，IEEE通过了IEEE1451.2和IEEE1451.1两个标准。IEEE1451现状IEEE1451IEEE1451.1IEEE1451.2IEEE1451.3IEEE1451.4IEEE1451.5IEEE1451.6第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术IEEE1451发展历史与现状以太网以太网起源起源于Xerox公司的一个实验网，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的突出表现，DEC，Intel，Xerox三家公司最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。核心思想该建议书的核心思想是：在一个10M宽带的共享物理介质上，把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接，这些设备之间的距离不能太大（2.5公里）。第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术以太网起源及其核心思想监听信道上是否有信号传输。有的话，继续监听，直到信道空闲；没有监听到信号就传输数据；传输的时候继续监听，发现冲突则执行退避算法；若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6um。缺点：带宽窄，无优先级，不能满足确定延时要求，负载时效率下降。由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动超过正常值一杯，据此可判断冲突的产生。CS：载波侦听CSMA/CD在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。MA：多址访问每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。CD：冲突检测边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间后继续发送。工作过程第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术以太网基本技术-CSMA/CD以太网Etherne_II帧结构Etherne_802.3帧结构关于Length/Type，对于Etherne_II帧结构，它的值通常为0x0800（表示后面数据为IP）。目前我们大部分计算机网卡只支持这种帧结构。以太网第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术以太网的帧结构在总线型拓扑结构中，文件服务器和工作站都连在一条公共的电缆上，传输信息时，各工作站将带有目的的信息包发送到公用电缆上，并传输给与总线相连的所有工作站，各工作站在对网络上的信息包的地址进行检查，看是否与自己的站点地址相符，如果相符，则接受该信息。特点：通信网络只是传输媒体；成本低；无源网络；分散控制；常采用CSMA/CD方式进行媒体访问控制；广播型网络。连在一条公共的电缆上第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术以太网的拓扑结构：总线型拓扑结构以太网星型拓扑的网络有一个中央节点，网络的其他节点如工作站、服务器等都与中央节点直接相连。中央节点可以是文件服务器，也可以是无源或有源的连接器（如共享式HUB或交换机等）。一般使用共享式HUB或交换机作为中心节点。工作站HUB工作站工作站工作站工作站特点：管理方便；容易扩展；需要专用的网络设备作为网络的核心节点；需要更多的网线、对核心设备的可靠性要求高。以太网第一部分——第2章：2.2现场总线和工业以太网技术以太网的拓扑结构：总线型拓扑结构ZigBee技术“Zig”的含义是“之字形”；“Zigzag”的含义是“之字形跳变”；“bee”是“蜜蜂”的意思；“Zigbee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“Zigzag”形舞蹈来相互告知，达到交换信息目的。“ZigBee”被人们借来称呼一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。基本情况Zigbee技术是Zigbee联盟在IEEE802.15.4协议上定义了网络层和应用层而形成的。主要用于构建无线个域网和无线传感网络。速率：根据不同的工作频段，有不同的速率：16-250k特点距离：有效传输范围10~75m功耗：两节5号电池可供终端工作6个月以上速率：250kb/s（2.4G）40kb/s（915M）20kb/s（868M）成本：每片Zigbee价格2美元第一部分——第2章：2.3无线传感网络技术什么是ZigBee技术？什么是ZigBee技术？ZigBee技术基本概念及其特点什么是蓝牙？蓝牙的来历英文：Bluetooth代表一种短距离无线通信技术“蓝牙”（Bluetooth）一词是一位丹麦国王的名字，在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用“蓝牙”来命名这种短距离无线通信的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了传统的电线。蓝牙使用的技术FrequencyHopping&TDMA蓝牙业务特征传输数据和语音蓝牙的应用为网络中的主从设备建立临时性的对等连接蓝牙的技术标准IEEE802.15工作频段和带宽2.4gGHz，1Mb/s传输距离10m蓝牙技术（Bluetooth）第一部分——第2章：2.3无线传感网络技术蓝牙技术基本概念及其特点什么是WIFI？全称WirelessFidelity，又称802.11b标准；与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术；主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合。WIFI技术的优势WIFI技术的优势1WIFI技术的优势2WIFI技术的优势3IEEE802.11b：11Mb/sIEEE802.11a/g：54Mb/s设置WIFI无线路由器，组网方便半径100mWIFI技术第一部分——第2章：2.3无线传感网络技术WIFI技术基本概念及其特点ModBus协议Modbus协议是工业控制器网络协议中的一种，此协议定义了一个控制器能认识的消息结构，描述了一个控制器请求访问其它设备、回应来自其它设备的请求以及侦测错误并记录的过程。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准，可以将不同厂商生产的控制设备（例如：变频器，伺服驱动器，智能仪表，信号采集卡等）连成工业网络，进行集中监控。MODBUS协议是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议。第一部分——第2章：2.4工业通信协议ModBus协议概述Modbus串行链路协议是一个主-从协议。在同一时间，只能将一个主站连接到总线，将一个或多个从站（最大数量为247）连接到相同的串行总线。Modbus通讯总是由主站发起，当从站没有收到来自主站的请求时，将不会发送数据。主站同时只能启动一个Modbus事务处理，从站之间不能相互通信。ModBus主/从协议原理单播模式广播模式由主站寻址单个从站，从站接收并处理完请求之后，向主站返回一个报文（一个应答）。主站可向所有从站发送请求，对于主站广播的请求没有应答返回。ModBus协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议ModBus主/从协议ASCII模式在消息中的每个数据字节都转换为两个表示其16进制编码的ASCII字符发送。这种方式的主要优点是人工可读、字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误，缺点是表示方式冗长。RTU模式在消息中的每个字节以8个bit发送，这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。ModBus协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议ModBus传输模式：ASCII模式、RTU模式PROFIBUS国际组织于1999年开始研发新一代总线系统一PROFINET。因全球知名的自动化设备制造商的支持，2000年底，PROFINET正式成为了IEC61158标准的第10种现场总线。PROFINET是一种基于工业以太网和IT标准的现场总线通信系统，具有比PROFIBUS更多的优点，因而在自动化控制领域中得到越来越广泛地应用。Profinet协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议Profinet协议发展历史与基本概述目前PROFINET支持百兆以太网100BASE-TX，采用两对双绞屏蔽线（GP2×2系列）作为短距离信号传输。黄色/橙色用于发送信号，白色/蓝色用于接收信号GP2×2A型传输介质IP20防护FC型（工业中常用）IP20防护普通型IP67防护型A型B型C型D型混合连接器可同时进行通信和24V供电。RJ45连接器M12连接器（4芯）Profinet协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议连接器PROFINETIO用于分布式I/O自动化控制系统，其工作性质类似于PROFIBUS-DP。传感器、执行机构等装置连接到I/O设备上，通过I/O设备连接到网络中。网络中还有对I/O设备进行监控的I/O控制器和I/0监视器。PROFINETIO支持实时通信（RT）和等时同步通信（IRT）工作模式。数据传输速率高于PROFIBUS-DP。PROFINETCBA把典型的控制环节做成标准组件，这些标准组件可以完成不同的标准控制任务。一个复杂的控制任务，可以分解成若干个不同的标准任务。从中选择不同的标准组件连接成一个网络，对这些标准组件的工作进行协调，就能完成复杂控制任务。PROFINETCBA就是模块化的现场总线网络，特别适用于大型控制系统。通信速率略低于PROFINETIO。Profinet协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议PROFINETIO与PROFINETCBA概述与对比IO控制器：读写I/O设备的过程数据，接收I/O设备的报警诊断信息，执行自动化控制程序。IO监视器：读写I/O控制器的数据，上位机可编写、上传、下载、调试控制器的程序，上位机、HMI可对系统实现可视化监控。IO设备：连接现场分散的检测装置、执行机构。传递现场采集的各类数据，传递执行机构的控制指令。I/0控制器、I/0监视器、I/0设备都是PROFINET网络中的节点！Profinet协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议PROFINETIO基本组成每个标准组件是由控制器、分布式I/0设备、监视设备、检测装置、执行机构等组合而成。特点：减少了系统的设计工作量。模块化的组件具有高度的独立性和完整性，减少了系统的调试工作量。简化了系统的维护工作量。Profinet协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议PROFINETCBA基本组成OPCOPC（OLEforProcessControl）。是一种利用微软的COM/DCOM（分布式组件对象模型）技术来达成自动化控制的协定。OPC为硬件制造商与软件开发商提供了一条桥梁，透过硬件厂商提供的OPCServer接口，软件开发者不必考虑各项不同硬件间的差异。OPCUAOPC统一架构（OPCUnifiedArchitecture）是OPC基金会创建的新技术，更加安全、可靠、中性（与供应商无关），为制造现场到生产计划或企业资源计划（ERP）系统传输原始数据和预处理信息。面向服务的架构（SOA）为基础。UA优势Web服务作为基本传输方式统一的数据获取方式：数据访问（DA）、报警与事件（AE）和历史数据访问（HDA）支持复杂数据类型更加安全OPCUA协议第一部分——第2章：2.4工业通信协议OPCUA协议发展历程与优势OPCUA拓扑PLC上提供UA服务，通过网络client可以访问UA服务器上的地址库。OPCUA协议架构OPCUA协议第一部分——第2章：2.4工业通信