工业互联网数据采集技术 课件 项目4 工业数据采集网络

项目4工业数据采集网络任务1工业数据采集网络搭建

基于4G的工业数据采集网络

随着工业4.0时代的到来，工业数据采集与传输已成为企业实现智能化、高效化生产的关键环节。传统的数据采集与传输方式往往受到距离、网络覆盖等因素的限制，无法满足现代工业的需求。现代工业生产线中设备是否能够接入网络是工业互联网落地的关键，许多工业领域的管理者都将设备联网视为工业互联网落地的第一步。

工业数据采集网络总体上分为有线和无线两种，4G是常用的无线工业数据采集网络。4G网关可以通过物联网卡实现设备上网。这类物联网卡类似生活中常见的手机SIM卡，都能实现无线联网、数据收发等功能，区别是物联网卡专门面向工业物联网打造，用来保证数据的实时传输，常用于有线网络和无线WIFI不能覆盖的区域。优点是即插即用，灵活方便，不用现场布线。

基于4G的工业数据采集网络

基于4G工业网关的远程数据采集与传输系统，采用先进的4G通信技术，通过4G工业网关与PLC(可编程逻辑控制器)等工业设备连接，实现远程数据采集与传输。4G工业网关是一种集成了多种通信接口和工控协议的物联网设备，可以接入不同类型的设备和传感器，如PLC、DCS、传感器设备等，通过强大的数据采集能力，采集设备状态、参数、工艺等数据，并进行边缘计算，数据清洗、过滤、标准化，再通过4G等移动网络技术将工业设备的数据传输到云端或数据中心，具备稳定、高速、安全的数据传输能力，适用于不同工业环境和需求。

基于4G的工业数据采集网络设备数据被4G工业网关传输到云端或数据中心进行进一步处理和分析。云端平台可以实时监控设备状态、参数和工艺等数据，并生成报表和趋势分析图表。管理人员可以通过手机、电脑等设备随时查看实时数据和历史数据，实现对工业设备的远程监控和管理。提高生产效率和管理水平。通过设置阈值和规则，可以实时监测工业设备的运行状态和异常情况，当发现异常时及时触发报警通知管理人员进行处理。同时，数据还可以转发给MES系统平台，实现工厂生产过程全数据链的实时连通和实时传输，从而实现工厂智能化应用。

基于4G的工业数据采集网络了解数据上传的形式与过程；熟悉MQTT协议以及平台内部的MQTTAPI；了解HTTP协议以及平台内部的HTTPAPI，能够采用遥测的方式发送数据到平台设备端。

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使用专用数据采集模块采集振动数据

工业数据采集体系包括设备接入、协议转换、边缘计算。设备接入是工业数据采集建立物理世界和数字世界连接的起点。设备接入利用有线或无线通信方式，实现工业现场和工厂外智能产品/移动装备的泛在连接，将数据上报到云端。工业数据采集发展了这么多年，存在设备接入的复杂性和多样性。

数据接入后，将对数据进行解析、转换，并通过标准应用层协议如MQTT、HTTP上传到物联网平台。部分工业物联网应用场景，在协议转换后，可能在本地做即时数据分析和预处理，再上传到云端，提升即时性并降低网络带宽压力。

使用专用数据采集模块采集振动数据边缘计算近几年发展迅速，大家越来越意识到数据就近处理的优势，无论是实效性还是出于数据安全性考虑，或是网络的可靠性，边缘计算在工业物联网体系中扮演着重要角色，边云协同也逐渐成了共识。根据硬件载体不同，将设备接入产品分为以下3类，分类并非绝对，不同类别之间的差异，在于其侧重点不同。第一类是通用控制器，第二类是专用数据采集模块，第三类是智能产品和终端，本视频主要讲解专用数据采集模块。

使用专用数据采集模块采集振动数据专用数据采集模块，采集现场对象的物理信号，传感器将物理信号变换为电信号后，专用数据采集模块通过模拟电路的A/D模数转换器或数字电路将电信号转换为可读的数字量。

例如风力发电机利用力传感器实现风机混凝土应力状态的实时在线监测，为风机混凝土基础承载力的评估提供依据，同时利用加速度传感器采集振动信号，在风力发电系统的运行过程中，实时在线监测振动状况并发送检测信息，根据检测信息有效控制风机运转状态，避免由于共振而造成的结构失效，并对超出幅度阈值的振动进行安全预警。

使用专用数据采集模块采集振动数据

将力传感器和加速度传感器安装固定于风机上，传感器输出端连接到专用数据采集模块的输入端，专用数据采集模块通过网络将数据上传到本地或远端服务器，进行下一步数据分析和可视化。

专用数据采集模块的形式可能是数据采集板卡、嵌入式数据采集系统等。对于自动化装备或机器人，如果某些关注的数据缺失，无法从其通用控制器直接获取，此时可通过加装传感器，配合专用数据采集模块的方式，完成更多维度的数据采集，这种做法很常见。

使用专用数据采集模块采集振动数据

本节主要讲解使用专用数据采集模块采集振动数据振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零部件的早期失效。例如，透平叶片因振动而产生的断裂，可以引起严重事故。由于现代机械结构日益复杂，运动速度日益提高，振动的危害更为突出

使用专用数据采集模块采集振动数据振动监测系统可以对振动量，如振动体的位移、速度或加速度进行测量，可用于对机器和设施进行基于状态的维护。它们有助于及时检测出机器损坏并防止代价高昂的间接损失。振动监测类产品包括振动变送器、振动传感器、速度传感器和加速度传感器。振动变送器和振动传感器可检测出损坏的轴承及驱动器和旋转机械部件的不平衡问题。当速度传感器与电子诊断装置结合使用时，可作为振动监测系统对大型传动装置进行全面的监测。

使用专用数据采集模块采集振动数据机械上最普遍的振动问题，大多数都发生在转子上，例如不平衡，不对中，摩擦等。而对于有些机械，轴振动的大部分被传到轴承座上，在这种情况下，测量轴承壳的振动，对于机械的综合工况，可以提供有意义的信息。机械的被测点位置，一般要求在靠近轴承的位置的轴承座上或机壳上。因为转子的振动通过轴承传到轴承座上以及附近的机壳上，该位置的振动相对较大，可以比较准确地进行振动监测。测量方向有垂直和水平两个方向。

使用专用数据采集模块采集振动数据如图所示，HZD-D/S-Y型智能振动监控仪与HD-ST-6振动传感器配套使用，可用来测量轴承座，机壳或者结构的振动速度或振动位移，对于电机、压缩机、风机、水泵等要测量多点振动的情况，该监控仪尤其适用。

使用专用数据采集模块采集振动数据振动监控仪的主要功能如下：实现智能处理：报警Ⅰ值、Ⅱ值、量程值可通过面板按键设置，无需电位器调整双通道监测，可同时监测垂直和水平方向的振动，两个通道同时显示，互不干扰具有4~20mA标准信号输出、二级报警输出功能，两个通道分别设置两个通道具有独立的TMD示波输出，用于信号波形显示、记录或故障分析诊断具有RS485通讯输出，可输送至DCS、PLC或其他计算机系统、专门数据处理系统等，实现在线显示、分析、诊断及事故追忆

使用专用数据采集模块采集振动数据报警延时调整范围0~255秒，以防止现场干扰引起误报警具有上、掉电检测功能，同时切断报警、停机输出回路，能有效抑制仪表误报警可在测量振动位移或振动速度之间切换，选择需要的测量方式具有报警倍增功能。电流输出：4~20mA，输出负载≤500ΩTDM示波缓冲输出，用于信号波形显示、记录或故障分析诊断报警点设置：0~100%满量程

使用专用数据采集模块采集振动数据该振动监控仪除了可以在仪表的LCD面板上显示振动测量值外，还可以通过485连接上位机，将振动信号原始值在上位机上显示，从而可以进行时域频域分析、进一步做故障诊断。也可以通过网关接入工业互联网平台，实现设备的远程监控与维护。项目4工业数据采集网络任务2工业数据采集网络通信协议设置

使用PLC采集温湿度本实验的主要任务是学习如何通过PLC的模拟量采集功能，采集温湿度变送器的实时温度/湿度，并且设置当温度达到一定值时，触发红色警示灯和蜂鸣器报警。知识点涉及温湿度变送器原理，变送器与PLC的硬件连接，PLC软件编程，模拟量数字量转换原理等。

使用PLC采集温湿度如图所示，本实验使用壁挂王字壳模拟量型温湿度变送器，采用标准工业接口0~10V模拟量信号输出，可接入现场数显表、PLC、变频器、工控主机等设备。型号：RS-WS-V10-2，0~10V电压输出，温度量程-40~+80摄氏度，湿度0%RH-100%RH。设备标配是具有2路独立的模拟量输出。同时适应三线制与四线制，宽电压10~30V直流电源输入。针对0-10V输出型设备只能用24V供电。

使用PLC采集温湿度该模拟量型温湿度变送器一共六根线，具体的线序定义为两根电源线，棕色电源正，黑色电源负，四根输出线，蓝色温度信号正，绿色温度信号负，黄色湿度信号正，白色湿度信号负。

使用PLC采集温湿度本实验使用的声光报警器如图所示，电源为直流24V供电，一共五根线，黑线为公共线接地，其它四根线接通24V时现象如下：红色线接通时红灯亮，绿色线接通时绿灯亮，黄色线接通时黄灯亮，紫色线接通时声音响。

使用PLC采集温湿度模拟量型温湿度变送器和声光报警器与PLC的连接示意图如图所示，温湿度变送器的绿色和白色接PLC模拟量输入口的2M，蓝色和黄色分别接PLC模拟量输入口的0和1。声光报警器红色接Q0.0，紫色接Q0.3，风扇接在Q0.4。

使用PLC采集温湿度首先学习如何通过变送器的电压转换为温度。RS-WS-V10温湿度变送器的温度量程是-40到+80摄氏度，0到10V输出，当输出信号为5V时，计算当前温度值。解：此温度量程的跨度为80-（-40）=120度，用10V电压信号来表达，120度/10V=12度每V，即电压1V代表温度变化12度.测量值5V-0V=5V，5V*12度每V=60度。60+（-40）=20度，所以当前温度为20度。西门子S7-1200模拟量输入/输出转换为数值后的表示方法：模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码(整数)来表示。最高位(第15位)为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。

使用PLC采集温湿度上表所示为西门子S7-1200模拟量输入模块的数值表示范围，本实验使用的模拟量输入模块为单极性，0-10V输入，可以看出模拟量输入模块将外部接入的0-10V转换为了0-27648之间的数值，如果外部输入过大，会造成上溢出断电，保护PLC不受损坏。

使用PLC采集温湿度PLC会将温湿度变送器输出的0-10V电压模拟量转换成数字量0-27648，转换后的数值假定为value，下面我们讨论如何计算出对应的温度。步骤1：采集到的实际电压值通过此比例算出一个0-1之间的数，就是：OUT=(value-min)/(max-min)=value/27648。步骤2：实际温度量程是-40到80，所以步骤1中value/27648对应的实际温度为：value/27648*（80-（-40））+（-40）=value/27648*120-40

使用PLC采集温湿度在项目名称点击右键-属性，在弹出的页面选择常规-AI2，如图所示：可以看到两个模拟通道的地址分别为IW64和IW66，即温湿度变送器在正确连接后，这两个地址里面的数据就是电压转换后的0到27648中间的数字，然后我们需要编写程序，将这两个地址中的数字转换为温度和湿度。

使用PLC采集温湿度我们可以使用标准化指令将PLC模拟通道采集到的数值计算出一个0到1之间的数，然后使用缩放指令根据温度或湿度量程计算出实际的温度或湿度。在左侧程序段2中，PLC采集温度并将温度值存储在MD16中，在程序段3中，PLC采集湿度并将湿度值存储在MD24中，在程序段4中设置当温度大于等于33度时，触发红色警示灯和蜂鸣报警。 PLC串口通信编程实现串口简称串行接口，也称串行通信接口，是指数据一位一位地顺序传送。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。串口常见电平有TTL、RS232、RS485等。TTL电平一般为单片机串口引脚原始的电平，经过专用的芯片可以转换为RS232或RS485，RS232与RS485一直是弱电常见的通讯接口。 PLC串口通信编程实现由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：1、接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。2、传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。3、接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。4、传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右 PLC串口通信编程实现针对RS232接口以上不足，出现了RS485接口标准，RS485具备以下的特点：1、逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS232降低了，不易损坏电路的芯片。2、RS485通信速度快，数据最高传输速率为10Mbps；其内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和查分接收器的组合，抗干扰能力大大增加。3、传输距离最远可达到1200米左右，但传输速率和传输距离是成反比的，只有在9.6KB/s以下的传输速率，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。4、可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，RS485有两线制和四线制，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用。两线制这种接线方式为总线式拓朴结构，在同一总线上最多可以挂接256个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。 PLC串口通信编程实现本次课程中，我们使用S7-1200PLC读取YS7001-RS485型温度采集变送器的温度，只需要将传感器的485+、485-接入PLC的T/RB、T/RA引脚，具体接线如图所示。 PLC串口通信编程实现TTL和RS232通信时都需要共地，同时RX与TX要交叉，比如主机的发送引脚TX要接从机的接收引脚RX，但RS485是差分信号，不需要接地，另外也不需要交叉，正常接法就是A接A，B接B，RS485+接RS485+，绝大部分设备A都表示+，即对于一般设备，A应该要接RS485+，但是西门子PLC除外，所以上图中T/RA接的是RS485-。

S71200PLC可以通过扩展模块的方式增加串口。要使用PLC进行串口通信，需要在设备组态中添加串口通信模块，项目4工业数据采集网络任务3网关数据采集应用

工业网关的作用工业网关是一种智能传输终端设备，通过让工业设备接入网络，远程获取设备运行数据，实现远程监控、调试、升级、维护、控制的一种设备。工业网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，具有多个用于连接设备的下行通信接口（南向接口），一个或者多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口（北向接口）。

工业网关的作用工业网关是一种智能传输终端设备，通过让工业设备接入网络，远程获取设备运行数据，实现远程监控、调试、升级、维护、控制的一种设备。工业网关是一款采用嵌入式硬件的计算机设备，具有多个用于连接设备的下行通信接口（南向接口），一个或者多个用于连接工业互联网平台或采集系统的上行网络接口（北向接口）。

工业网关的作用如图所示，工业网关处于硬件拓扑图的中心位置，工业网关可以通过串行总线，RS485下行通信接口采集电能表，温湿度表，PM2.5，二氧化碳等设备数据，也可以通过以太网总线采集PLC搜集到的高度传感器、振动传感器、变频器等数据，之后将这些设备接入网络，在平台界面显示相关信息，从而实现了工业设备的远程监控、调试、升级、维护和控制。

工业网关的作用工业网关能够实现桥梁作用的关键，是因为具有协议转换功能，通过连接两个或多个异构的网络，使之能够互相通信。如图所示，工业网关实现了从南向接口协议到北向接口协议的转换。

工业网关的作用工业生产设备使用的控制器（如数控系统、工业机器人、PLC等）一般都采用私有或专用的工控协议，工业网关与设备连接时，需要对这些协议进行解析。而北向连接物联网云平台，使用物联网传输协议，如MQTT等协议。工业网关需要将从设备获取的数据封装为物联网协议所需的数据包格式，才能发送到工业互联网平台。工业网关协议的转换过程如图所示：

工业网关的作用首先从设备通过专有协议接收数据，然后进行协议转换，将数据封装为物联网协议所需的数据包格式，才能发送到工业互联网平台

工业网关的作用此外，针对不同的应用场景，工业网关还能有存储功能、安全管理、设备管理、网关配置、空中升级（OTA）等功能。Modbus网关是工业自动化系统的一个网络集线器通信协议转换设备，Modbus网关支持主流工业PLC设备协议，可以将不同的通信协议转换为Modbus协议，以实现设备之间的数据交换。工业级Modbus网关具有高度的稳定性、可靠性和安全性，可以广泛应用于工业自动化、能源管理、智能楼宇等领域。

工业网关的作用Modbus网关的功能及作用：1、支持多种工控协议，支持多网口，串口连接：支持网络、数字IO输入输出、串口终端通信等接入，也支持TCP/IP,HTTP,UDP，MQTT等等网络协议；2、Modbus网关支持PLC远程监控，PLC远程调试，PLC远程上下载，PLC远程控制，PLC数据采集，PLC远程通讯、支持工业PLC网关远程下载与维护；3、支持西门子、三菱、欧姆龙、松下、施耐德、台达、永宏、安川、汇川、信捷等各种PLC远程上下载程序、远程监控、在线编程。4、Modbus网关是实现大数据预警的一种工业设备，是工业互联网平台中智能传输终端设备的一种。同时可以为设备制造商与终端客户提供完整的设备远程维护管理解决方案。

工业网关的作用工业级Modbus网关可以实现以下功能：（1）支持多种通信协议：如ModbusRTU、ModbusASCII、ModbusTCP/IP、CANopen、DeviceNet、Profibus等。（2）数据转换：工业级Modbus网关可以将不同通信协议之间的数据进行转换，实现设备之间的数据交换。（3）数据采集：工业级Modbus网关可以实现对设备的数据采集，将采集到的数据上传到云平台或本地服务器，以便进行分析和管理。（4）远程监控：工业级Modbus网关可以实现对远程设备的监控，可以通过云平台或本地服务器实现对设备的远程监控和控制。（5）数据存储：工业级Modbus网关可以将采集到的数据存储在本地或云端，以便进行数据分析和管理。

工业网关的作用

工业WIFI网关是一种将传统有线网络转换为无线网络的设备，是一种工业控制网络设备，它具有无线接入、数据传输、安全保护等功能。工业WIFI网关可以将传统的以太网、串口等接口转换为无线网络接口，实现工业控制设备的无线化连接。在工业生产中，工业WIFI网关的应用越来越广泛，它在提高生产效率、降低生产成本、提高安全可靠性等方面发挥了重要作用。工业WIFI网关还可以提供安全保护功能，保护工业控制设备免受网络攻击。LoRa网关位处LoRa星形网络的核心位置，是终端和服务器(Server)间的信息桥梁，是多信道的收发机。LoRa网关有时又被称为LoRa基站或LoRa集中器、LoRaDTU设备，虽然定义不同，但其实是同一含义。

工业网关的作用任务描述了解数据上传的形式与过程；熟悉MQTT协议以及平台内部的MQTTAPI；了解HTTP协议以及平台内部的HTTPAPI，能够采用遥测的方式发送数据到平台设备端。 Modbus网关数据采集实现Modbus网关是工业自动化系统的一个网络集线器通信协议转换设备，Modbus网关支持主流工业PLC设备协议，可以将不同的通信协议转换为Modbus协议，以实现设备之间的数据交换。本视频使用工业MODBUS网关读取智能电表的数据，然后在工业互联网平台上显示。网关使用浪潮云州的斥候工业MODBUS网关YZ-G8