工业数据采集技术吴卓坪课后参考答案

项目1采集生产线环境参数（远程I/O模块）任务1.1装配生产线环境监测系统功能需求分析工业车间为何需要环境监测？答：及时地获取工业车间环境监测的有关信息，把这些信息罗列并整理出来，这样就可以方便有关部门对环境进行更加有效、合理地管理，及时发现环境造成的污染等相关问题，并科学有效地做好预防工作。【任务练习】水污染在线监测系统由哪些子系统组成？答：水质污染在线监测系统由污染因子（COD、氨氮、pH值、流量、悬浮物、浊度、溶解氧等）监测子系统、采样及预处理子系统（采水泵、采水管路、过滤装置、水质自动采样器等）、数据采集与处理子系统、监视传感子系统、监测站房子系统、排放口建设子系统等组成。有毒有害气体监测系统的主要功能是实时监测哪些物质的含量？答：有毒有害气体监测系统的主要功能是实时监测SO2、NOX、CO、O3、PM10、等有毒有害气体含量。任务1.2环境监测传感器选型传感器选型是否精度越高越好？答：传感器精度越高价格越高，在满足使用要求的情况下，传感器选型同时要满足成本需求。【任务练习】传感器的分类方式？答：传感器的分类方式主要有：按照工作（检测）原理分类、按照用途（被测物理量）分类、按照结构参数在信号变化过程中是否发生变化分类、按照输出信号的性质分类、按照敏感元件与被测对象之间的能量关系分类、按照构成分类、按照作用分类、按照与被测对象的关联方式分类。传感器的选型依据？答：传感器的选型要从传感器性能指标、硬件接口和信号输出形式、安装方式、成本分析、使用环境五个方面考虑。任务1.3远程I/O模块选型现场总线的不足，以及工业以太网发展的必然趋势是什么？答：现场总线是一种连接工厂底层设备的通信网络，它有多种不同的标准和协议，如FF、HART、CAN、PROFIBUS等。现场总线的优点是可以实现分布式控制，降低布线成本，提高数据传输效率和可靠性。但是现场总线也有一些不足，主要有以下几点：现场总线的标准没有统一，导致不同厂商的设备之间难以互联互通。现场总线的通信速率较低，不能满足高速实时性数据通信的需求。现场总线的网络结构较为复杂，需要专业的组态软件和维护软件。现场总线的技术更新较慢，难以适应工业互联网、工业4.0等新兴技术的发展。工业以太网是指在工业环境中应用以太网的相关组件和技术，它采用TCP/IP协议，和IEEE802.3标准兼容。工业以太网的出现是为了解决现场总线的局限性，实现工厂信息网络和控制网络的统一。工业以太网的优点有以下几点：工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，从管理层到自动化底层都可以实现数据存取和交换。工业以太网容易实现网络集成，速度快，开发技术广泛，硬件升级范围广，价格低廉。工业以太网可以利用现有的办公自动化网络设施，降低投资成本和运行成本。工业以太网可以支持多种实时工业以太网协议，如PROFINET、EtherCAT、Powerlink等，提高通信确定性和实时性。综上所述，现场总线和工业以太网各有优缺点，但从发展趋势来看，工业以太网已经成为了主流，并且在不断完善和创新。根据HMS公司的报告，在2020年间，工业以太网的市场份额超过了现场总线，并且还在增长。因此，工业以太网是现场总线发展的必然趋势。【任务练习】说明一体式I/O模块和插片式I/O模块的优缺点，并进行比较？答：一体式I/O模块是指将I/O模块和总线接口集成在一个外壳内，可以直接连接到现场总线网络上，无需额外的适配器或耦合器。插片式I/O模块是指将I/O模块和总线接口分开设计，需要通过适配器或耦合器将I/O模块插入到电路板上，形成一个可扩展的I/O系统。一体式I/O模块和插片式I/O模块各有优缺点，具体如下：一体式I/O模块的优点是结构紧凑，安装方便，占用空间小，适合于现场环境中的分布式安装。一体式I/O模块的缺点是可扩展性差，功能单一，不能满足复杂的信号处理需求。插片式I/O模块的优点是可扩展性强，功能丰富，可以根据不同的信号类型和数量选择合适的I/O模块，并通过电路板实现灵活的信号分配。插片式I/O模块的缺点是结构复杂，安装麻烦，占用空间大，不适合于现场环境中的分布式安装。采用远程I/O系统的优点是什么？答：远程I/O系统具有以下优点。（1）远程I/O模块一般采用通信网络与主控单元进行数据交换，由于采用通信方式传输信号，大大减少了现场的布线面积，不仅节约了成本，而且增加了系统的可靠性，使原来复杂冗余的I/O连线变成单一可靠的通信线；同时减少了干扰，提高了系统的稳定性和检测精度。（2）可在现场设备附近实现模数、数模的转换，使信号在各自的I/O站得到处理，真正实现物理分散。（3）远程I/O模块可拆卸，可根据现场的不同情况灵活配置。任务1.4装配生产线环境数据采集（远程I/O模块）【任务练习】绘制ADAM模块AI/O典型接线图。绘制ADAM模块DI典型接线图。项目2采集生产线电机运行数据（PLC）任务2.1电机运行状态传感器选型传感器在信号传输过程中导线容易受静电和磁场干扰，采用何种方式可以减少静电干扰？答：减少静电干扰的方式有：1.静电屏蔽，即利用金属材料制成容器，将需要保护的电路包在其中，可以有效防止电场或磁场的干扰。2.通过在所需位置嵌入噪声控制电路提高抗干扰性能；3.在有噪声的线路周围设置屏蔽结构，改善布线干扰并调整内部模拟内核的阻抗。【任务练习】增量式编码器和绝对式编码器的主要区别？答：增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器没有记忆功能，断电重启后必须回到参考零位才能找到需要的位置。绝对式编码器是每一个位置对应一个确定的数字码，因此的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。绝对式编码器有记忆功能，断电重启后不用回到零位，即可知道目标所在的位置。振动传感器的主要分类？答：振动传感器的主要有电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、压电式振动传感器、电阻应变式振动传感器。任务2.2电机振动数据采集振动传感器采用何种方式可以将4～20mA电流信号转换为电压信号给PLC？答：有两种方式：（1）串联500Ω电阻将4-20mA电流信号转换为2-10V的电压信号；（2）通过直流信号隔离器，将4-20mA电流信号转换为0-10V的电压信号。【任务练习】模拟量负载信号类型有哪些？答：负载信号类型有0～10V、10V、5V、2.5V、0～20mA，4～20mA。采用博途软件编程实现电机运行振动参数采集。答：任务2.3电机运行状态上传（OPC通信）请查阅系统手册，确认CPU1215CDC/DC/DC支持多少个信号模块用于I/O扩展？答：CPU1215CDC/DC/DC支持8个信号模块用于I/O扩展。【任务练习】OPC技术在工业自动化领域应用的优点？答：（1）OPC解决了自动化设备的异构问题。自动化设备有了统一的OPC标准接口之后，程序开发人员只要编写一个OPC设备接口驱动程序，就可以很方便地通过OPC接口与自动化设备进行数据通信。（2）OPC解决了工业控制系统中异构网络之间的数据通信。由于多种原因，生产现场在一段较长的时间内会存在不同种类的自动化控制设备或系统，只要其能够提供各自的OPC服务器，应用程序就可通过OPC接口完成异构网络之间的数据通信。（3）OPC解决了访问专有数据库的中间件问题。在工程实际应用中，许多监控软件都采用自主开发的专有数据库，对这类数据库的访问只能通过调用该软件开发商提供的专用API函数或其他的方式才能访问不同监控软件的后台数据库。有了OPC，软件供应商在提供后台数据库数据应用的同时也开放一个访问该数据库的OPC服务接口，在这种情况下用户只需编写OPC客户端应用程序就可以访问该监控软件的后台数据库。（4）OPC解决了来自现场监控系统和信息管理系统不同数据集成的问题。企业的信息管理系统集成包括自动化设备与监控系统之间、监控系统与管理信息化系统之间及监控系统与互联网之间的数据信息集成等，这些都可以通过OPC作为中间连接件在各系统之间实现快速、可靠的数据信息传输和交换任务。例如，许多客户端应用程序可以通过OPC接口与网络系统上的节点设备相互交换数据，可以应用在智能设备或是监控系统、PLC控制系统中获取数据的设备层，也可以应用在客户端应用程序中。KEPServerEXOPCUA服务器的结构组成包括哪些？答：KEPServerEXOPCUA服务器由三个部分组成，分别为对象、驱动程序和OPCUA客户端。【创新思考】查询KEPServerEX与制造生产管理系统（MES）对接有几种方式。答：KEPServerEX与制造生产管理系统（MES）有以下几种对接方式（1）OPC协议通过OPCUA/DA等协议来通讯:如果上位系统支持OPCUA/DA协议，可以直接使用OPC接口与KEPServerEX对接并获取数据。（2）通过数据库的方式实现KEPServerEX支持通过Datalogger插件/ODBCClient驱动来实现数据库的数据写入，KEPServerEX将获取的数据写入数据库之后，上位系统通过调用数据库数据来实现数据的交互。支持关系型数据库，例如SQL,MYSQL,ORACLE等等。（3）loTGateway插件KEPServerEX的IoTGateway插件支持REST和MQTT协议通讯，KEPServerEX可以做RESTClient、RESTServer和MQTTClient。上位系统可以通过这些协议来与KEPServerEX通讯。（4）其他的原生的通讯接口（5）通用协议通过通用的一些协议如Modbus等,或者可以使用UCON驱动、UDD驱动等自定义协议(需要配合AdvancedTag插件使用)。项目3采集生产线立体仓库管理数据（标识载体）任务3.1立体仓库管理数据采集（条码）利用条码技术完成生产数据采集过程组的局限性？答：利用条码技术完成生产数据采集受条码质量的影响较大。【任务练习】请简述条码技术的工作原理？答：条码识读原理是利用条码的宽窄和反射率不同进行识读的。由光源发出的光线经过光学系统照射到条码符号上面，反射的光信号在光电转换器上产生电信号，再经过滤波、整形，被译码器翻译为计算机可以直接接受的数字信号，如图所示。请根据智能装配生产线立体仓库管理数据采集需求，另外增加物料的入库和出库信息并在HMI画面中进行实时显示。任务3.2立体仓库管理数据采集（RFID）除了对生产数据进行采集，还有哪些工业控制过程可以用到RFID技术？答：可能用到RFID技术的场合有：1.生产工器具管理；2.生产物料识别。【任务练习】请简述RFID技术的工作原理？答：RFID数据采集系统的基本原理是电磁理论，利用无线电波对记录媒体进行读写。RFID数据采集系统利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。请根据智能装配生产线立体仓库管理数据采集需求，将采集到的标签信息在HMI画面中进行实时显示。项目4采集电力变压器运行数据（工业采集板卡）任务4.1电力变压器传感器选型油浸式电力变压器与干式电力变压器有什么区别？答：1）封装形式不同，干式变压器能直接看到铁芯和线圈，而油式变压器只能看到变压器的外壳；2）引线形式不同，干式变压器大多使用硅橡胶套管，而油式变压器大部分使用瓷套管；3）容量及电压不同，干式变压器一般适用于配电用，容量大都在1600KVA以下，电压在10KV以下，而油式变压器却可以从小到大做到全部容量，也覆盖了所有电压等级。【任务练习】1．电压传感器与电流传感器功能上有什么区别？答：电压传感器用于测量电压，电流传感器用于测量电流。2．除了采集电力变压器的运行数据，氢气传感器还可用于什么地方？答：氢气传感器的应用范围较广，如储氢站氢气浓度的监测、氢燃料电池汽车中氢气浓度的监测、钢铁冶金行业干馏过程氢气浓度的监测。

任务4.2工业采集板卡选型【任务练习】1．工业采集板卡的应用场景有哪些？答：工业采集板卡已经被广泛应用在电力、水利、化工、制造等领域，如在工业自动化和控制方面，工业采集板卡常用于收集来自生产线上传感器和执行器的信号，以监控和控制设备运行状态，实现智能制造。2．工业采集板卡与单片机的区别是什么？答：在数据采集方面，工业采集板卡使用更方便，且速度快、通道数多，而用单片机采集数据比较麻烦，需要设计硬件电路、编写软件程序。

任务4.3电力变压器数据采集（工业采集板卡）【任务练习】1．LabVIEW软件可以用C语言编程吗？答：可以，在后面板（编程界面），控件选版中“数学——脚本与公式——公式节点”，插入公式节点控件，在该控件内就可以用C语言编程了。2．传感器能否直接与工业采集板卡相连接？答：可以，只要传感器所输出的参数范围在工业采集板卡的使用范围内，就可以直接将传感器与工业采集板卡相连。【创新思考】如何使用工业采集板卡采集变压器的温度？答：选择合适的温度传感器，并将温度传感器与工业采集板卡相连，采用本章的函数对传感器获得的数据进行显示，即为采到的温度。项目5采集生产线设备运行数据（工业网关）任务5.1工业网关选型及软硬件安装对比研华ECU-1000系列三款网关，分析各型号主要优势特点。答：研华ECU-1000系列工业网关指基于RISC架构的站立式工业通讯网关(ECU-1000系列)。官网产品信息如下：/zh-cn/products/intelligent-communication-gateways/sub_7332cf9e-bf70-4a79-b0b6-fd8a2182cd72。具体型号有ECU-1051、ECU-1152等，在稳固的标准RISC平台设计基础上增加了无线通信方式，使用Linux操作系统和开放EdgeLinkSDK，具有两个10/100MB以太网端口，支持以太网有线通信及WiFi、LTE等无线通讯方式，兼容工业标准通信协议Modbus及IEC-60870/104等，并且可与WebAccess上层软件有效整合。研华推荐将网关ECU-1051用于设施监控、分布式太阳能发电、智能工厂等领域，尤其是需要无线和以太网通信、基于云的应用；ECU-1152的计算性能和接口数量更为优越，研华也推荐将其用于工业、能源物联网相关分布式监测应用。【任务练习】请尝试采用WiFi接入方式完成网关与外网连接并测试。答：网关支持有线及无线传输方式两种网络方式实现与其他设备通信，网关工程中可进行网络配置（见图5.1-8）。网络配置LAN1连接局域网设备，配置WiFi页签用于连接外网。图5.1-8系统设置-网络设置任务5.2采集生产线设备运行数据（工业网关）用同一个网关采集不同类型设备（如本任务I/O模块和PLC设备）时的设备单元号可以一样吗？请动手实践验证一下吧。答：不同类型设备的设备单元号可以一样，一般设备单元号取同一通信协议的设备地址。【任务练习】请重画实训装置内生产运行设备和多种数据采集工具的组网拓扑，分析其拓扑和改进空间。答：开放题，参考拓扑图画法如下：任务5.3串口通信设备数据采集（工业网关）在实际工程中还有数字量采集需求，如研华的ADAM4150具有7通道DI及8通道DO输出，请结合前文串口模拟量采集和网口数字量采集及产品手册，尝试总结串口DI量的I/O点配置方法吧。答：数字量IO点的具体配置步骤与模拟量类似，配置细节参考如下：【任务练习】请基于图5.3-11所示的设备数据采集需求，选用EDU-1152网关完成数据采集组网设计并推荐通信协议。图5.3-11设备数据采集需求答：工业物联网关键技术平台设计的模块拓扑图如下，仅作教学使用，帮助学生加强系统理解。图模块拓扑图推荐通信协议建议串口设备采集用modbusRTU，PLC用OPCUA，网关上云用MQTT。项目6工业数据采集达人挑战任务6.1工业互联网技术应用平台数据采集关系数据库和非关系数据库有什么区别？答：1）存储方式sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"关系型数据库采用表的格式进行存储，数据以行和列的方式进行存储，读取和查询都十分方便。非关系型数据库是以数据集的方式进行存储，即将大量数据都集中在一起存储，类似于键值对、图结构或者文档。2）存储结构关系型数据库按照结构化的方法sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"存储数据，在插入数据前需定义好存储数据的表结构，这使得整张数据表的可靠性和稳定性都比较高，但数据表存储数据后，若要修改数据表的结构就会十分困难。非关系型数据库采用的是动态结构，如果面对大量sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"非结构化数据的存储，它可以非常轻松的适应数据类型和结构的改变，也可以根据sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"数据存储的需要灵活的改变数据库的结构。3）存储规范关系型数据库为了规范化数据、避免重复数据以及充分利用存储空间将数据按照最小关系表的形式进行存储，这使得sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"数据管理变得很清晰、一目了然。不过随着表数量的增加，表之间的关系会导致数据的管理变得越来越复杂。非关系型数据库采用用sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"平面数据集的方式集中存放数据，虽然会出现数据被重复存储造成浪费存储空间的情况。但是通常单个数据库都是采用单独存储的形式，很少采用分割存储的方式，因此数据往往被存储成一个整体对数据的读写提供了极大的方便。4）扩展方式关系型数据库主要通过提高计算机自身性能缓解存储与读写压力，即所谓的sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"纵向扩展。因为数据表之间存在着各种关系，所以采用sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"横向扩展的方式会较为复杂，需要保证具有关联的数据表在同一服务器。非关系型数据库采用数据集存储数据，这使得数据之间无关联性，可以sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"分布式存储，因此可以采用横向扩展方式来扩展数据库，也就是说，可以添加更多sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"数据库服务器到资源池来缓解存储与读取压力。5）查询方式关系型数据库是采用sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"结构化查询语言(即SQL)来对数据库进行查询，SQL支持数据库的CRUD操作，具有非常强大的功能。非关系型数据库使用的是非结构化查询语言(UnQL)，UnQL以数据集(如文档)为单位来管理和操作数据，由于没有统一的标准，所以每个数据库厂商提供sourceType":"answer","sourceId":2575967891}"产品标准是不一样的。6）规范化在关系型数据库中，一个数据实体需要分割成多个部分，然后再对分割的部分进行规范化，规范化后再分别存储到多张关系型数据表中，这是一个复杂的过程。非关系型数据库不需要规范化数据，通常是在一个单独的存储单元中存储一个复杂的数据实体。【任务练习】Modbus主站和从站的区别什么？答：Modbus主站和从站区别为：发出指令不同、唯一性不同、对接不同。1）发出指令不同Modbus主站：Modbus主站可以主动发出指令。Modbus从站：Modbus从站不会主动发出指令。2）唯一性不同Modbus主站：Modbus主站具有唯一性。Modbus从站：Modbus从站不具有唯一性，可以有多个。3）对接不同Modbus主站：Modbus主站可以对接多个Modbus从站。Modbus从站：Modbus从站职能对接一个Modbus主站。LoRa无线通信技术的优点和缺点？答：1）Lora无线技术的优点长距离传输：Lora技术可以在较长距离内传输数据，其传输距离可以达到数公里，是传统无线技术无法比拟的。低功耗：Lora技术使用低功耗模块，因此相比其他无线技术，其耗电量非常低，可以使设备更长时间的运行。高抗干扰性：Lora技术可以使用信道扫描等技术，自适应选择最佳传输频道，从而提高了其抗干扰能力。高可靠性：Lora技术可以实现自